CN116219238A

CN116219238A - 铝合金导体线材及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN116219238A
Application number: CN202211674513.1A
Authority: CN
Inventors: 白清领; 邸娜; 陆伟; 缪姚军; 赵元泽; 徐爱兵; 曹天垚; 钱祥祥; 吴蔚; 陈宇青; 徐子豪
Original assignee: Shanghai Zhongtian Aluminium Wire Co ltd; Jiangsu Zhongtian Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Zhongtian Aluminium Wire Co ltd; Jiangsu Zhongtian Technology Co Ltd
Priority date: 2022-12-26
Filing date: 2022-12-26
Publication date: 2023-06-06

Abstract

本发明提供了一种铝合金导体线材及其制备方法与应用。该铝合金导体线材包含以下组份：Mg 0.8～1.5％，Zn 3.5～5％，Si≤0.05％，Fe 0.2～0.5％，Er 0.01～0.05％，Y0.05～0.2％，B 0.01～0.05％，余量为铝和不可避免的杂质元素。本发明还提供了上述铝合金导体线材的制备方法，包括合金熔炼、炉内精炼、在线精炼、超声处理、连铸连轧、固溶处理、拉拔、时效处理。本发明还提供了上述铝合金导体线材在架空导线输电线路中的应用。本发明提供的铝合金导体线材兼具高强度和高导电率。

Description

铝合金导体线材及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及输电线路制造技术领域，尤其涉及一种铝合金导体线材及其制备方法与应用。

背景技术

架空导线输电线路是促进经济发展的能源主动脉。架空输电线路所用的导线一般由外层导电材料和内部加强芯组成，如使用最多的钢芯铝绞线，就是以强度为1300～1700MPa的钢材作为加强芯，而钢材的导电率只有9％IACS，且钢材的比强度优势不明显。采用铝包钢芯可以在一定程度上提高导电率，但是强度也会大幅下降。目前节能导线使用的铝合金芯导电率可达53％IACS，但是强度只有315～325MPa，为达到导线拉断力要求只能提高加强芯的截面积，使导线的导电率提升有限。开发一种具有更高比强度和导电性能的导体线材，对于进一步改善导线的导电性能、降低输电损耗具有重要经济效益。

现有导线的芯材料存在导电率较差(钢芯)或者强度、比强度较低等不足，限制了导线导电性能的进一步提升。现有技术中的Al-Zn-Mg-Cu铝合金线材虽然具有超高强度，但是未考虑导电率性能和耐蚀性，所制备得线材及相应工艺并不适用于架空输电导线领域。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种铝合金导体线材及其制备方法与应用。该铝合金导体线材克服现有线材比强度低和导电率性低的问题，在保持较好电导率的情况下，材料的机械强度得到大幅度提升。

为了达到上述目的，本发明提供了一种铝合金导体线材，以质量百分比计，该铝合金导体线材包含以下组份：Mg 0.8％～1.5％，Zn 3.5％～5％，Si≤0.05％，Fe 0.2％～0.5％，Er 0.01％～0.05％，Y 0.05％～0.2％，B 0.01％～0.05％，余量为铝和不可避免的杂质元素。

在上述铝合金导体线材中，以质量百分比计，杂质的总质量≤0.03％，每种杂质元素的质量分别≤0.005％。

根据本发明的具体实施方案，上述铝合金导体线材存在η’(MgZn₂)相。通过将η’(MgZn₂)亚稳相作为一种主要强化相，起到强化金属的作用。在一些具体实施方案中，所述η’(MgZn₂)析出相尺寸细小弥散，具体尺寸可以为5-10nm，具有显著的析出强化效应。

进一步地，本发明将Zn与Mg的质量比值控制为3.5～5，可以提高金属的强化效果，并且Zn对合金导电性能影响很小，可以使合金保持较高的导电率。

在上述铝合金导体线材中，通过向合金中添加Fe元素，可以细化晶粒组织并提高合金强度，并且Fe的固溶度低，对合金导电性能影响较小。

在上述铝合金导体线材中，通过控制合金中Si含量，可以防止出现粗大的AlFeSi相损害合金机械性能。

在上述铝合金导体线材中，通过向合金中引入高活性的Y、Er稀土元素，可以进一步降低Fe、Si等元素在合金中的固溶度，提升合金的导电性能。

在上述铝合金导体线材中，以质量百分比计，所述铝合金导体线材各组份含量可进一步控制为：Mg 0.9～1.2％，Zn 4.2～4.6％，Si≤0.05％，Fe 0.3～0.4％，Er 0.04～0.05％，Y 0.12～0.17％，B 0.02～0.03％，余量为铝和不可避免的杂质元素。

根据本发明的具体实施方案，所述铝合金导体线材的强度可以达到≥500MPa、延伸率可以达到≥3.0％、导电率可以达到≥48％IACS。在一些具体实施方案中，所述铝合金导体线材的直径为2.5～5mm。

本发明还提供了上述铝合金导体线材的制备方法，该制备方法包括：合金熔炼、炉内精炼、在线精炼(包括在线除气和双级过滤)、超声处理、连铸连轧、固溶处理、拉拔、时效处理。

根据本发明的具体实施方案，上述铝合金导体线材的制备方法具体包括：

合金熔炼：在熔炼炉内将铝锭、铁剂、铝稀土合金加热熔化，向熔体中加入锌锭和镁锭，搅拌熔化；

炉内精炼：对合金熔炼得到的熔体进行硼化处理和炉内除气除渣精炼，静置；

在线精炼：静置后的熔体进行浇铸，并对熔体进行在线除气和过滤除杂；

超声处理：对除杂后的熔体进行超声处理；

连铸连轧：超声处理后的熔体铸造连铸坯，对所述连铸坯进行在线铣面，然后轧制，得到铝合金杆材；

固溶处理：将铝合金杆材进行固溶处理，淬火冷却，使所述铝合金杆材达到充分过饱和状态；

拉拔、时效处理：将固溶处理后的铝合金杆材进行连续拉拔，对拉拔后的铝合金线材进行时效处理，得到所述铝合金导体线材。

根据本发明的具体实施方案，所述铝锭纯度在99.8％以上，所述锌锭和镁锭的质量纯度在99.9％以上。其中，所述铝稀土合金中包含铝铒合金、铝钇合金。

在上述制备方法中，所述合金熔炼温度可以控制为690～710℃。

在上述制备方法中，所述炉内精炼的温度可以控制为730～740℃。

在上述制备方法中，通过对熔体进行硼化处理，可以降低熔体中Cr、V、Ti等微量杂质元素对导电性能的影响。所述硼化处理可以通过添加铝硼合金实现。

在上述制备方法中，所述炉内精炼除气除渣精炼的时间可以控制为10～15分钟。

在上述制备方法中，所述静置是在700～710℃的温度进行静置。

在上述制备方法中，所述在线除气和过滤除杂过程将熔体中80％上的尺寸大于5μm的杂质去除，并且，在经过在线除气和过滤除杂的熔体中氢含量≤0.12ml/100g。在一些具体实施方案中，所述在线除气和过滤除杂的过程利用旋转喷吹除气箱和双级泡沫陶瓷过滤箱进行。

在上述制备方法中，所述超声处理可以促进Fe元素以极细小Al₃Fe和Al₆Fe相在熔体中提前析出，防止铸造时形成粗大富铁相，并提供异质形核核心促进晶粒细化。在一些具体实施方案中，所述超声处理的功率为2～5KW，频率为1.8～2.5KHZ。

在上述制备方法中，在轧制过程中，入轧温度可以控制为450℃～460℃。

在上述制备方法中，轧制得到的铝合金杆材的直径可以控制为9mm～10mm。

在上述制备方法中，所述固溶处理的加热温度可以控制为460℃～480℃，保温时间可以控制为1h～3h。

在上述制备方法中，在连续拉拔的过程中，由于杆材的强度较高，一般采用慢速拉拔，例如拉拔的速度可以控制为5～8m/s，道次变形量可以控制为10～20％。拉拔得到的线材的直径通常控制为2.5～5mm。

在上述制备方法中，所述时效处理可以促使材料的晶内析出大量的细小弥散的η’(MgZn₂)亚稳强化相，显著提高材料的强度和导电率。在一些具体实施方案中，所述时效处理的温度可以控制为120℃～150℃，所述时效处理的保温时间可以控制为10h～25h。

根据本发明的具体实施方案，上述制备方法具体包括：

1、合金熔炼：在熔炼炉内按照一定元素比例将铝锭、铁剂、铝稀土合金(包含铝铒合金、铝钇合金)加热熔化，控制熔体温度为690～710℃，加入纯度锌锭和镁锭，熔化并搅拌均匀，得到熔化状态的熔体；

2、炉内精炼：将熔化状态的熔体转至倾动式保温炉，开启炉底电磁搅拌装置，向熔体中加入铝硼合金进行硼化处理以降低微量杂质元素对导电性能的影响，控制熔体温度为730～740℃对熔体进行除气除渣精炼10～15分钟，调整温度至700～710℃进行静置；

3、在线精炼：浇铸开始后，利用旋转喷吹除气箱和双级泡沫陶瓷过滤箱对熔体进行在线除气和过滤除杂，确保处理后的熔体中氢含量≤0.12ml/100g，并去除熔体中80％以上的尺寸大于5μm的杂质；

4、超声处理：在流槽中对在线精炼后的熔体进行超声处理，超声处理的功率为2～5KW，频率为1.8～2.5KHZ。超声处理可以促进Fe元素以极细小Al₃Fe和Al₆Fe相在熔体中提前析出，防止铸造时形成粗大的富铁相，提供异质形核核心促进晶粒细化；

5、连铸连轧：采用轮式结晶器将超声处理后的熔体铸造连铸坯；然后对连铸坯进行在线铣面以去除表面的氧化皮，再将连铸坯通过导入装置送入连轧机组进行轧制，控制入轧温度为450～460℃，轧制后得到直径为9～10mm的铝合金杆材；

6、固溶处理：对铝合金杆材进行固溶处理，加热温度为460～480℃、保温时间为1h～3h，淬火冷却，使铝合金杆材达到充分过饱和状态；

7、拉拔：将固溶处理后的铝合金杆材进行连续拉拔，拉拔速度为5～8m/s，道次变形量在10～20％，得到直径为2.5～5mm的铝合金线材；

8、时效处理：对拉拔后的铝合金线材进行时效处理，时效工艺的温度为120℃～150℃、保温时间为10～25小时，经过时效处理，材料晶内析出大量尺寸细小弥散的η’(MgZn₂)亚稳强化相，使线材的强度和导电率显著提高，得到铝合金导体线材。

本发明还提供了上述铝合金导体线材在架空导线输电线路中的应用。在一些具体实施方案中，所述铝合金导体线材可用于大跨越导线加强芯，提升导线导电率。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过连铸连轧的方式制备了一种高强度的铝合金线材，这种铝合金线材相比铝包钢线具有更好的导电率和更高的比强度，相比铝镁硅合金线材强度大幅提高。

2、合金以析出η’(MgZn2)亚稳强化相作为金属强化的主要手段，通过控制Zn/Mg比达到最佳强化效果，同时由于Zn对合金导电性能影响很小，可以使合金保持较高的导电率；

3、合金采用Fe元素细化晶粒组织并提高合金强度，由于Fe的固溶度低，对合金导电性能影响较小，同时严格控制Si含量，防止出现粗大AlFeSi相损害合金机械性能；

4、在合金中引入高活性Y、Er稀土元素，进一步降低Fe、Si等元素在合金中的固溶度，提升合金的导电性能。

由此得到的铝合金导体线材作为一种兼具高强度和高电导率的铝合金线材，可以用作节能导线、大跨越导线的加强芯材料，有效降低输电损耗、具有重要的经济效益。

附图说明

图1为本发明高强度铝合金导体线材制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种铝合金导体线材，如图1所示，该铝合金导体线材的制备方法包括：

1、合金熔炼：在熔炼炉内按照一定元素比例将纯度为99.8％铝锭、铁剂、铝稀土合金(包含铝铒合金、铝钇合金)加热熔化，控制熔体温度为690℃，加入纯度99.9％的锌锭和镁锭，熔化并搅拌均匀；

2、炉内精炼：将合金熔炼得到的熔化状态的熔体转至倾动式保温炉，开启炉底电磁搅拌装置，向熔体中加入铝硼合金进行硼化处理以降低微量杂质元素对导电性能的影响，控制熔体温度为740℃对熔体进行除气除渣精炼，调整温度至710℃进行静置；

4、超声处理：在流槽中对在线精炼后的熔体进行超声处理，超声处理的功率为3KW，频率为2.2KHZ。超声处理可以促进Fe元素以极细小Al₃Fe和Al₆Fe相在熔体中提前析出，防止铸造时形成粗大的富铁相，提供异质形核核心促进晶粒细化；

5、连铸连轧：采用轮式结晶器将超声处理后的熔体铸造连铸坯；然后对连铸坯进行在线铣面以去除表面的氧化皮，再将连铸坯通过导入装置送入连轧机组进行轧制，控制入轧温度为450℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材；

6、固溶处理：对铝合金杆材进行固溶处理，加热温度为460℃、保温时间为2h，淬火冷却，使铝合金杆材达到充分过饱和状态；

7、拉拔：将固溶处理后的铝合金杆材进行连续拉拔，拉拔速度为6m/s，道次变形量在10～20％，得到直径为3.5mm的铝合金线材；

8、时效处理：对拉拔后的铝合金线材进行时效处理，时效工艺的温度为140℃、保温时间为15小时，经过时效处理，材料晶内析出大量尺寸细小弥散的η’(MgZn₂)亚稳强化相，使线材的强度和导电率显著提高，得到铝合金导体线材。

实施例2

本实施例提供一种铝合金导体线材，该铝合金导体线材的制备方法与实施例1的制备方法区别在于：(1)原料元素组成不同，参见表1；(2)本实施例中步骤7拉拔形成的线材的单丝直径为3.8mm，步骤8中时效工艺的温度为150℃、保温时间为12h。

实施例3

本实施例提供一种铝合金导体线材，该铝合金导体线材的制备方法与实施例1的制备方法区别在于：(1)原料元素组成不同，参见表1；(2)本实施例中步骤7拉拔形成的线材的单丝直径为4mm，步骤8中时效工艺的温度为130℃、保温时间为18h。

表1实施例合金成分组成(wt.％)

实施例	Mg	Zn	Zn/Mg	Fe	Si	Er	Y	B
									1	1.1	4.5	4.1	0.3	0.04	0.05	0.12	0.02
2	1.2	4.2	3.5	0.35	0.05	0.04	0.15	0.02
									3	0.94	4.6	4.9	0.32	0.04	0.04	0.17	0.03

对实施例1至实施例3制备的铝合金导体线材的机械性能和导电率进行测试，测试方法根据GB/T 4909.3-2009拉力试验和GB/T 3048.4-2007导体直流电阻试验标准进行。测试结果总结在表2中。

表2实施例线材性能

实施例	线径/mm	强度/MPa	伸长率/％	导电率/IACS
					1	3.5	530	3.4	48.4％
2	3.8	508	3.8	48.6％
					3	4	515	3.7	49.1％

从表2可以看出，本发明提供的铝合金导体线材具有较高的强度和伸长率，机械性能优异；同时，铝合金导体线材还兼具较好的导电性能，导电率可以达到48％IACS以上。

Claims

1.一种铝合金导体线材，以质量百分比计，该铝合金导体线材包含以下组份：Mg 0.8％～1.5％，Zn 3.5％～5％，Si≤0.05％，Fe 0.2％～0.5％，Er 0.01％～0.05％，Y0.05％～0.2％，B 0.01％～0.05％，余量为铝和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的铝合金导体线材，其中，以质量百分比计，杂质的总质量≤0.03％，每种杂质元素的质量≤0.005％。

3.根据权利要求1所述的铝合金导体线材，其中，所述铝合金导体线材存在η’(MgZn₂)相。

4.根据权利要求1或2所述的铝合金导体线材，其中，在铝合金导体线材中，Zn与Mg的质量比值为3.5～5。

5.根据权利要求1～3任一项所述的铝合金导体线材，其中，以质量百分比计，所述铝合金导体线材包含以下组份：Mg 0.9～1.2％，Zn 4.2～4.6％，Si≤0.05％，Fe0.3～0.4％，Er0.04～0.05％，Y 0.12～0.17％，B 0.02～0.03％，余量为铝和不可避免的杂质元素。

6.根据权利要求1～5任一项所述的铝合金导体线材，其中，所述铝合金导体线材的强度≥500MPa、延伸率≥3.0％、导电率≥48％IACS；

优选地，所述铝合金导体线材的直径为2.5～5mm。

7.权利要求1～6任一项所述的铝合金导体线材的制备方法，其中，该制备方法包括：

炉内精炼：对熔体进行硼化处理和炉内除气除渣精炼，静置；

超声处理：对除杂后的熔体进行超声处理；

8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述在线除气和过滤除杂过程将熔体中80％上的尺寸大于5μm的杂质去除，并且，在经过在线除气和过滤除杂的第三熔体中，氢含量≤0.12ml/100g。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述超声处理的功率为2～5KW，频率为1.8～2.5KHZ。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其中，在轧制过程中，入轧温度为450～460℃，轧制得到的铝合金杆材的直径为9～10mm。

11.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述固溶处理的加热温度为460～480℃，保温时间为1h～3h。

12.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述时效处理的温度为120～150℃，所述时效处理的保温时间为10～25h。

13.权利要求1～6任一项所述的铝合金导体线材在架空导线加强芯上的应用。