CN116936184B - 一种耐热铝合金导线的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐热铝合金导线的制备方法，属于铝合金导线技术领域，将铝锭、铝铁合金、铝硼合金、铝锆合金、钽铝合金、稀土合金制备成铝合金熔体，在线精炼后连续铸造得到铸坯，将铸坯连续轧制成耐热铝合金杆材，将耐热铝合金杆材拉制成单线并绞制成耐热铝合金导线；通过对不同组分含量的调控，结合第二相强化作用，细化晶粒，有助于使第二相细小颗粒弥散得更加稳定，有助于提高耐热铝合金导线的导电率和耐热性，耐热铝合金导线的制备方法制备的耐热铝合金导线在400℃高温1h和310℃高温400h后仍具有较高的抗拉强度保持率，耐热性较为稳定。
Description
技术领域
本发明属于铝合金导线技术领域，具体涉及一种耐热铝合金导线的制备方法。
背景技术
导线是用作电线、电缆的材料，现有电力输送电线主要还是采用最普通的钢芯铝绞线，耐热能力较为有限。
通过研究发现，在铝材中适当添加锆元素能够提高铝合金的耐热性，从而研发出耐热铝合金导线。耐热铝合金导线具有耐高温、轻质、强度高等优点，可以增大系统事故稳定载流量，从而提高线路正常输送能力，但是也存在耐热性不够稳定和导线造价高等问题，耐热性不稳定会导致铝合金导线在长时间高温环境下力学性能下降，容易蠕变、疲劳，从而损耗加大、弧垂增加，影响力耐热铝合金导线在远距离输电线路上的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐热铝合金导线的制备方法，解决现有铝合金导线耐热性不够稳定的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种耐热铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：向中频真空炉中加入铝锭，在670-710℃的条件下使铝锭完全熔化，加入清渣剂，在150-250r/min的条件下搅拌20-30min，除去表面浮渣，取样分析，然后按照0.2-0.5℃/min的速率升温至755-765℃，加入铝铁合金和硼含量为5wt％的铝硼合金，在200-300r/min的条件下搅拌30-45min，取样分析并控制熔体中硼含量为0.0005-0.0009％，加入锆含量为5wt％的铝锆合金和钽含量为5wt％的钽铝合金，在100-200r/min的条件下搅拌30-45min，加入除气剂后静置5-10min，除去浮渣后加入清渣剂，在150-250r/min的条件下搅拌20-30min，除去表面浮渣，加入稀土合金继续搅拌30-40min，取样分析，得到铝合金熔体；
步骤二：将铝合金熔体通过流槽进行放流，采用在线除气过滤系统对流槽内的铝合金熔体进行在线除气和在线过滤，完成铝合金熔体的在线精炼；
步骤三：将在线精炼后的铝合金熔体浇入轮式结晶器中进行连续铸造，得到铸坯；连续铸造的温度为710-720℃；
步骤四：将铸坯转移至连轧机组中进行连续轧制，控制入轧温度为500-515℃，轧制温度为300-350℃，出轧温度为170-200℃，得到耐热铝合金杆材；
步骤五：将耐热铝合金杆材拉制成单线，冷却至20-25℃后用绞线机绞制成耐热铝合金导线。
进一步地，耐热铝合金杆材的元素成分按质量百分比包括：
Si0.025-0.033％、Fe0.05-0.08％、Cu0.002-0.003％、B0.0005-0.0009％、Ce0.03-0.04％、Mg0.001-0.002％、Zn0.001-0.011、Y0.03-0.04％、Zr0.04-0.043％、Ta0.04-0.043％、Ga0.025-0.033％、余量为Al。
进一步地，清渣剂通过如下步骤制备：
将氟硅酸钠、氟铝酸钠、氯化镁和六氯乙烷按照2-3：4-8：2-3：3-5的质量比加入球磨机中球磨混合，过滤出料，得到清渣剂；清渣剂的用量为已添加原料熔体质量的0.1-0.2％。
进一步地，除气剂为六氯乙烷；除气剂的用量为已添加原料熔体质量的0.1-0.2％。
稀土合金通过如下步骤制备：
将铝锭和金属钇放入中频真空炉中，在1550-1580℃和石墨棒搅拌的的条件下熔炼30-40min，降温至850-900℃后加入金属铈粉末，继续熔炼5-10min，再加入清渣剂后在150-250r/min的条件下搅拌20-30min，除渣后加入纳米氮化镓粉末继续搅拌30-60min，降温至730-750℃，将熔体浇铸于预热至500±50℃的模具中，冷却后得到稀土合金。
进一步地，铝锭、金属钇、金属铈粉末和纳米氮化镓粉末的用量比为85g：5g：5g：5g。
铝铁合金通过如下步骤制备：
将铝锭、硅含量为20wt％的Al-20Si合金、铁粒、铜粒、金属镁和金属锌加入中频真空炉中，在800-850℃和石墨棒搅拌的条件下熔炼30-40min，然后加入清渣剂，在150-250r/min的条件下搅拌20-30min，除渣后降温至730-740℃，将熔体浇铸于预热至500±50℃的模具中，冷却后得到铝铁合金；
进一步地，铝锭、Al-20Si合金、铁粒、铜粒、金属镁和金属锌的用量比为1200g：125-175g：50-120g：2-5g：1-3g：1-12g。
本发明的有益效果：
本发明耐热铝合金导线的制备方法制备的耐热铝合金导线在400℃高温1h和310℃高温400h后仍具有较高的抗拉强度保持率，耐热性较为稳定。
本发明耐热铝合金导线配方中，使用铝铁合金、稀土合金、铝硼合金、铝锆合金和钽铝合金作物中间合金，中间合金相较于需要添加的金属单质熔点更低，有助于增加原料的熔化速度，从而便于准确调整各元素比例。通过对不同组分含量的调控，结合第二相强化作用，细化晶粒，有助于使第二相细小颗粒弥散得更加稳定，有助于提高耐热铝合金导线的导电率和耐热性，并且在连续轧制过程中对温度进行控制，能够有效避免锆的偏析问题，制备过程无需固溶处理，有助于减少工艺流程，从而降低成本。
硅和铁石铝合金中常见元素，少量的硅有助于提高耐热铝合金导线的强度和刚度，铁有助于形成亚稳相，进一步提高强度；稀土元素铈和钇有助于提高耐热铝合金导线的耐热性和耐腐蚀性；钽和锆能够增加耐热铝合金导线的耐热性，硼可以细化晶粒，增加加工性能；镁和锌可以提高耐热铝合金导线的强度。
纳米氮化镓粉末具有较高的电子迁移率、介电常数和导热率，纳米氮化镓粉末随铝铁合金添加进铝合金熔体中，纳米氮化镓在铝合金中具有高弥散度，起到钉轧晶界和阻碍位错运动的作用，阻碍裂纹扩展，从而强化铝合金提高其韧性和疲劳寿命，并且有助于提高耐热铝合金导线的拉伸强度耐热性和导电率。纳米氮化镓在铝合金中形成非晶态的晶界层，能够抑制铝合金的晶粒长大，起到细化晶粒的作用，有助于减少元素偏析和提高耐热铝合金管导线的可塑性和耐腐蚀性。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种耐热铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将85kg铝锭和5kg金属钇放入中频真空炉中，在15500℃和石墨棒搅拌的的条件下熔炼30min，降温至850℃后加入5kg金属铈粉末，继续熔炼5min，再加入清渣剂后在150r/min的条件下搅拌20min，除渣后加入5kg纳米氮化镓粉末继续搅拌30min，降温至730℃，将熔体浇铸于预热至500±50℃的模具中，冷却后得到稀土合金。
步骤二：将1200kg铝锭、125kg硅含量为20wt％的Al-20Si合金、50kg铁粒、2kg铜粒、1kg金属镁和1kg金属锌加入中频真空炉中，在800℃和石墨棒搅拌的条件下熔炼30min，然后加入清渣剂，在150r/min的条件下搅拌20min，除渣后降温至730℃，将熔体浇铸于预热至500±50℃的模具中，冷却后得到铝铁合金。
步骤三：将200kg氟硅酸钠、400kg氟铝酸钠、200kg氯化镁和300kg六氯乙烷按照2：4：2：3的质量比加入球磨机中球磨混合，过滤出料，得到清渣剂。
步骤四：向中频真空炉中加入铝锭，在670℃的条件下使铝锭完全熔化，加入已添加铝锭熔体质量0.1-0.2％的清渣剂，在150r/min的条件下搅拌20min，除去表面浮渣，取样分析，然后按照0.2℃/min的速率升温至755℃，加入铝铁合金和硼含量为5wt％的铝硼合金，在200r/min的条件下搅拌30min，取样分析并控制熔体中硼含量为0.0005％，加入锆含量为5wt％的铝锆合金和钽含量为5wt％的钽铝合金，在100r/min的条件下搅拌30min，加入已添加原料熔体质量0.1-0.2％的六氯乙烷作为除气剂，静置5min，除去浮渣后加入已添加原料熔体质量0.1％的清渣剂，在150r/min的条件下搅拌20min，除去表面浮渣，加入稀土合金继续搅拌30min，取样分析，得到铝合金熔体。
步骤五：将铝合金熔体通过中频真空炉的流槽进行放流，采用在线除气过滤系统对流槽内的铝合金熔体进行在线除气和在线过滤，完成铝合金熔体的在线精炼。
步骤六：将在线精炼后的铝合金熔体浇入轮式结晶器中，在710℃下进行连续铸造，得到铸坯；将铸坯转移至连轧机组中进行连续轧制，控制入轧温度为500℃，轧制温度为300℃，出轧温度为170℃，得到耐热铝合金杆材；耐热铝合金杆材的元素成分按质量百分比包括：
Si0.025％、Fe0.05％、Cu0.002％、B0.0005％、Ce0.03％、Mg0.001％、Zn0.001、Y0.03％、Zr0.04％、Ta0.04％、Ga0.025％、余量为Al。
步骤七：将耐热铝合金杆材拉制成单线，冷却至20℃后用绞线机绞制成直径为2.9mm的耐热铝合金导线。
实施例2
一种耐热铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将85kg铝锭和5kg金属钇放入中频真空炉中，在1565℃和石墨棒搅拌的的条件下熔炼35min，降温至875℃后加入5kg金属铈粉末，继续熔炼8min，再加入清渣剂后在200r/min的条件下搅拌25min，除渣后加入5kg纳米氮化镓粉末继续搅拌45min，降温至740℃，将熔体浇铸于预热至500±50℃的模具中，冷却后得到稀土合金。
步骤二：将1200kg铝锭、150kg硅含量为20wt％的Al-20Si合金、85kg铁粒、3.5kg铜粒、2kg金属镁和6.5kg金属锌加入中频真空炉中，在825℃和石墨棒搅拌的条件下熔炼35min，然后加入清渣剂，在200r/min的条件下搅拌25min，除渣后降温至735℃，将熔体浇铸于预热至500±50℃的模具中，冷却后得到铝铁合金。
步骤三：将250kg氟硅酸钠、600kg氟铝酸钠、250kg氯化镁和400kg六氯乙烷按照5：12：5：8的质量比加入球磨机中球磨混合，过滤出料，得到清渣剂。
步骤四：向中频真空炉中加入铝锭，在690℃的条件下使铝锭完全熔化，加入已添加铝锭熔体质量0.15％的清渣剂，在200r/min的条件下搅拌25min，除去表面浮渣，取样分析，然后按照0.4℃/min的速率升温至760℃，加入铝铁合金和硼含量为5wt％的铝硼合金，在250r/min的条件下搅拌38min，取样分析并控制熔体中硼含量为0.0007％，加入锆含量为5wt％的铝锆合金和钽含量为5wt％的钽铝合金，在150r/min的条件下搅拌38min，加入已添加原料熔体质量0.15％的六氯乙烷作为除气剂，静置8min，除去浮渣后加入已添加原料熔体质量0.15％的清渣剂，在200r/min的条件下搅拌25min，除去表面浮渣，加入稀土合金继续搅拌35min，取样分析，得到铝合金熔体。
步骤五：将铝合金熔体通过中频真空炉的流槽进行放流，采用在线除气过滤系统对流槽内的铝合金熔体进行在线除气和在线过滤，完成铝合金熔体的在线精炼。
步骤六：将在线精炼后的铝合金熔体浇入轮式结晶器中，在715℃下进行连续铸造，得到铸坯；将铸坯转移至连轧机组中进行连续轧制，控制入轧温度为510℃，轧制温度为325℃，出轧温度为185℃，得到耐热铝合金杆材；耐热铝合金杆材的元素成分按质量百分比包括：
Si0.029％、Fe0.065％、Cu0.0025％、B0.0008％、Ce0.035％、Mg0.0015％、Zn0.007、Y0.035％、Zr0.042％、Ta0.042％、Ga0.029％、余量为Al。
步骤七：将耐热铝合金杆材拉制成单线，冷却至22℃后用绞线机绞制成直径为2.9mm的耐热铝合金导线。
实施例3
一种耐热铝合金导线的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将85kg铝锭和5kg金属钇放入中频真空炉中，在1580℃和石墨棒搅拌的的条件下熔炼40min，降温至900℃后加入5kg金属铈粉末，继续熔炼10min，再加入清渣剂后在250r/min的条件下搅拌30min，除渣后加入5kg纳米氮化镓粉末继续搅拌60min，降温至750℃，将熔体浇铸于预热至500±50℃的模具中，冷却后得到稀土合金。
步骤二：将1200kg铝锭、175kg硅含量为20wt％的Al-20Si合金、120kg铁粒、5kg铜粒、3kg金属镁和12kg金属锌加入中频真空炉中，在850℃和石墨棒搅拌的条件下熔炼40min，然后加入清渣剂，在250r/min的条件下搅拌30min，除渣后降温至740℃，将熔体浇铸于预热至500±50℃的模具中，冷却后得到铝铁合金。
步骤三：将300kg氟硅酸钠、800kg氟铝酸钠、300kg氯化镁和500kg六氯乙烷按照3：8：3：5的质量比加入球磨机中球磨混合，过滤出料，得到清渣剂。
步骤四：向中频真空炉中加入铝锭，在710℃的条件下使铝锭完全熔化，加入已添加铝锭熔体质量0.2％的清渣剂，在250r/min的条件下搅拌30min，除去表面浮渣，取样分析，然后按照0.5℃/min的速率升温至765℃，加入铝铁合金和硼含量为5wt％的铝硼合金，在300r/min的条件下搅拌45min，取样分析并控制熔体中硼含量为0.0009％，加入锆含量为5wt％的铝锆合金和钽含量为5wt％的钽铝合金，在200r/min的条件下搅拌45min，加入已添加原料熔体质量0.2％的六氯乙烷作为除气剂，静置10min，除去浮渣后加入已添加原料熔体质量0.2％的清渣剂，在250r/min的条件下搅拌30min，除去表面浮渣，加入稀土合金继续搅拌40min，取样分析，得到铝合金熔体。
步骤五：将铝合金熔体通过中频真空炉的流槽进行放流，采用在线除气过滤系统对流槽内的铝合金熔体进行在线除气和在线过滤，完成铝合金熔体的在线精炼。
步骤六：将在线精炼后的铝合金熔体浇入轮式结晶器中，在720℃下进行连续铸造，得到铸坯；将铸坯转移至连轧机组中进行连续轧制，控制入轧温度为515℃，轧制温度为350℃，出轧温度为200℃，得到耐热铝合金杆材；耐热铝合金杆材的元素成分按质量百分比包括：
Si0.033％、Fe0.08％、Cu0.003％、B0.0009％、Ce0.04％、Mg0.002％、Zn0.011、Y0.04％、Zr0.043％、Ta0.043％、Ga0.033％、余量为Al。
步骤七：将耐热铝合金杆材拉制成单线，冷却至25℃后用绞线机绞制成直径为2.9mm的耐热铝合金导线。
对比例1：在实施例3的基础上，稀土合金中不添加纳米氮化镓粉末，其余步骤保持不变制备出直径为2.9mm的耐热铝合金导线，元素成分按质量百分比包括：
Si0.033％、Fe0.08％、Cu0.003％、B0.0009％、Ce0.04％、Mg0.002％、Zn0.011、Y0.04％、Zr0.043％、Ta0.043％、余量为Al。
对比例2：在实施例3的基础上，稀土合金中不添加金属钇，其余步骤保持不变制备出直径为2.9mm的耐热铝合金导线，元素成分按质量百分比包括：
Si0.033％、Fe0.08％、Cu0.003％、B0.0009％、Ce0.04％、Mg0.002％、Zn0.011、Zr0.043％、Ta0.043％、Ga0.033％、余量为Al。
对比例3：在实施例3的基础上，稀土合金中不添加金属铈粉末，其余步骤保持不变制备出直径为2.9mm的耐热铝合金导线，元素成分按质量百分比包括：
Si0.033％、Fe0.08％、Cu0.003％、B0.0009％、Mg0.002％、Zn0.011、Y0.04％、Zr0.043％、Ta0.043％、Ga0.033％、余量为Al。
对比例4：在实施例3的基础上，不添加铝硼合金，其余步骤保持不变制备出直径为2.9mm的耐热铝合金导线，元素成分按质量百分比包括：
Si0.033％、Fe0.08％、Cu0.003％、Ce0.04％、Mg0.002％、Zn0.011、Y0.04％、Zr0.043％、Ta0.043％、Ga0.033％、余量为Al。
对比例5：在实施例3的基础上，不添加铝锆合金，其余步骤保持不变制备出直径为2.9mm的耐热铝合金导线，元素成分按质量百分比包括：
Si0.033％、Fe0.08％、Cu0.003％、B0.0009％、Ce0.04％、Mg0.002％、Zn0.011、Y0.04％、Ta0.043％、Ga0.033％、余量为Al。
对比例6：在实施例3的基础上，不添加钽铝合金，其余步骤保持不变制备出直径为2.9mm的耐热铝合金导线，元素成分按质量百分比包括：
Si0.033％、Fe0.08％、Cu0.003％、B0.0009％、Ce0.04％、Mg0.002％、Zn0.011、Y0.04％、Zr0.043％、Ga0.033％、余量为Al。
根据GB/T30551-2014测试实施例1-实施例3和对比例1-对比例6中耐热铝合金导线的耐热性和导电率，采用WE-300B拉力试验机按照50mm/min的速度测试不同耐热铝合金导线的抗拉强度和伸长率，结果如表1所示：
表1
由表1可以看出，纳米氮化镓粉末的添加有助于增加耐热铝合金导线的高温耐热性和力学性能，钇能够增加耐热性，铈、锆和钽的添加有助于增加耐热铝合金导线的力学性能，硼能够增加伸长率从而增加其加工性能。
需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将铝锭在670-710℃完全熔化，加入清渣剂，在150-250r/min的条件下搅拌20-30min，除去表面浮渣，取样分析，按照0.2-0.5℃/min的速率升温至755-765℃，加入铝铁合金和铝硼合金，200-300r/min搅拌30-45min，取样分析并控制熔体中硼含量为0.0005-0.0009%，加入铝锆合金和钽铝合金，100-200r/min搅拌30-45min，加入除气剂后静置5-10min，除去浮渣后加入清渣剂，150-250r/min搅拌20-30min，除去表面浮渣，加入稀土合金继续搅拌30-40min，取样分析，得到铝合金熔体；
步骤二：将铝合金熔体用在线除气过滤系统在线除气和在线过滤，完成铝合金熔体的在线精炼；将在线精炼后的铝合金熔体浇入轮式结晶器中进行连续铸造，得到铸坯；连续铸造的温度为710-720℃；
步骤三：将铸坯转移至连轧机组中进行连续轧制，控制入轧温度为500-515℃，轧制温度为300-350℃，出轧温度为170-200℃，得到耐热铝合金杆材；将耐热铝合金杆材拉制成单线，冷却至20-25℃后用绞线机绞制成耐热铝合金导线；
所述耐热铝合金杆材的元素成分按质量百分比包括：
Si 0.025-0.033%、Fe 0.05-0.08%、Cu 0.002-0.003%、B 0.0005-0.0009%、Ce 0.03-0.04%、Mg 0.001-0.002%、Zn 0.001-0.011、Y 0.03-0.04%、Zr 0.04-0.043%、Ta 0.04-0.043%、Ga 0.025-0.033%、余量为Al；
所述稀土合金通过如下步骤制备：
将铝锭和金属钇放入中频真空炉中，在1550-1580℃和石墨棒搅拌的的条件下熔炼30-40min，降温至850-900℃后加入金属铈粉末，继续熔炼5-10min，再加入清渣剂后在150-250r/min的条件下搅拌20-30min，除渣后加入纳米氮化镓粉末继续搅拌30-60min，降温至730-750℃，将熔体浇铸于预热至500±50℃的模具中，冷却后得到稀土合金。
2.根据权利要求1所述的一种耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述清渣剂通过如下步骤制备：
将氟硅酸钠、氟铝酸钠、氯化镁和六氯乙烷按照2-3：4-8：2-3：3-5的质量比加入球磨机中球磨混合，过滤出料，得到清渣剂；清渣剂的用量为已添加原料熔体质量的0.1-0.2%。
3.根据权利要求1所述的一种耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述除气剂为六氯乙烷；除气剂的用量为已添加原料熔体质量的0.1-0.2%。
4.根据权利要求1所述的一种耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述铝锭、金属钇、金属铈粉末和纳米氮化镓粉末的用量比为85g：5g：5g：5g。
5.根据权利要求1所述的一种耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，所述铝铁合金通过如下步骤制备：
将铝锭、硅含量为20wt%的Al-20Si合金、铁粒、铜粒、金属镁和金属锌加入中频真空炉中，在800-850℃和石墨棒搅拌的条件下熔炼30-40min，然后加入清渣剂，在150-250r/min的条件下搅拌20-30min，除渣后降温至730-740℃，将熔体浇铸于预热至500±50℃的模具中，冷却后得到铝铁合金。
6.根据权利要求5所述的一种耐热铝合金导线的制备方法，其特征在于，铝锭、硅含量为20wt%的Al-20Si合金、铁粒、铜粒、金属镁和金属锌的用量比为1200g：125-175g：50-120g：2-5g：1-3g：1-12g。
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