CN117144263B

CN117144263B - 倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材及其制备方法

Info

Publication number: CN117144263B
Application number: CN202310998148.8A
Authority: CN
Inventors: 翟晓东; 陈玉辉; 高子航; 鲍丙辉; 高柏清; 谭佃龙; 蔡磊; 吴雨峰; 奚大瑛
Original assignee: Wuxi Langlin Metal Material Technology Co ltd
Current assignee: Wuxi Langlin Metal Material Technology Co ltd
Priority date: 2023-08-09
Filing date: 2023-08-09
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2043-08-09
Also published as: CN117144263A

Abstract

本发明公开了涉及因瓦合金技术领域，具体涉及倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材及其制备方法。一种倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材，由如下重量百分比的原料组分组成：C 0.1~0.25%、Si≤0.6%、Mn≤0.6%、V 0.8~1.1%、Cu 0.2~0.4%、Ni 34~38%、Al 0.1~0.15%、Nb 0.02~0.03%、稀土元素0.01‑0.02%和余量铁；所述稀土元素选自Sc、Sm或Nd中的一种或多种。本申请提供的倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材变形能力差、韧性低，具有较高的扭转次数，同时兼具低线膨胀系数和高抗拉强度，在倍容量输电导线领域具有广泛的应用前景。

Description

倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材及其制备方法

技术领域

本发明涉及因瓦合金技术领域，具体涉及倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材及其制备方法。

背景技术

随着电力需求的强劲增长，传统输电线路已难以满足电力传输的要求。新型架空传输导线-倍容架空输电线，可直接利用现有线路走廊，无需更换铁塔以及其他设施，且其传输电流容量是普通钢芯铝导线的两倍以上，已成为长距离架空输电线的首选导线。长期在高压或超高压下工作的长距离架空输电线，导线之间必须保持安全距离。为了保证倍容架空输电线的安全可靠性，其芯材采用低膨胀因瓦合金制成，以保证在一定温度范围内输电线尺寸只发生极小变化，低膨胀因瓦合金线的线膨胀系数仅为钢芯铝绞线的四分之一到五分之一，从而实现架空输电线的低弛度。为了实现低弛度倍容架空输电线的大跨度和低的高温弧垂性，要求因瓦合金线必须兼具低热膨胀系数和高强度。

传统因瓦合金具有低膨胀系数特性，但其组织为面心立方的奥氏体组织，很难获得高强度。公开号为CN114807765A的专利公开了一种高强度低膨胀系数的因瓦合金，按重量百分比包含以下组分：C：0.20～0.25％；Si：≤0.5％；Mn：≤0.5％；P：≤0.02％；S：≤0.02％；V：0.90～1.00％；Cu：0.25～0.35％；Ni：35.5～37.5％；余量为Fe和不可避免的杂质。通过设计合适的成分和制备步骤，使得合金抗拉强度能提升到1300MPa以上，而热膨胀系数小于1.5×10^-6/℃，在高压输电线领域具有广泛的应用前景。

但本申请人在研究过程中发现上述高强度低膨胀系数的因瓦合金中的P是有害元素，会增加因瓦合金的冷脆性，降低因瓦合金塑性、冷弯性能，且S一般也是有害元素，会产生热脆性，降低因瓦合金的延展性、韧性，从而使因瓦合金线的变形能力差、韧性低，降低了因瓦合金线的扭转次数。

发明内容

为了提高因瓦合金线的扭转次数，本申请提供倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材及其制备方法，不仅具有高强度还具有低热膨胀率。

第一方面，本申请提供一种倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材，采用如下技术方案实现：

一种倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材，由如下重量百分比的原料组分组成：C0.1～0.25％、Si≤0.6％、Mn≤0.6％、V 0.8～1.1％、Cu 0.2～0.4％、Ni 34～38％、Al0.1～0.15％、Nb 0.02～0.03％、稀土元素0.01-0.02％和余量铁；所述稀土元素选自Sc、Sm或Nd中的一种或多种。

通过采用上述技术方案，本申请倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的组成中不含P、S，有效避免了P、S对因瓦合金线材料的影响，不会使瓦合金线的变形能力差、韧性低，从而本申请提高了因瓦合金线的扭转次数。

本申请Al的加入可细化因瓦合金线的晶粒，提高因瓦合金线的冲击韧性，有利于提高因瓦合金线的塑性行为和变形能力，从而大幅提高因瓦合金线的扭转次数。

本申请Nb的加入可以提高提高因瓦合金线的扭转次数和抗拉强度，这是由于Nb能形成坚硬的碳化物，不仅可以提高因瓦合金线的强度、韧性，还能降低因瓦合金线脆性、转变温度，使因瓦合金线具有优异的成型性能。

本申请稀土元素Sc、Sm或Nd中的一种或多种的加入可以改善因瓦合金线的韧性，从而提高因瓦合金线的扭转次数。

本申请V的加入主要是参与形成碳化物产生析出强化，且在热轧期间钉扎晶界从而细化晶粒，产生细晶强化作用。

本申请Cu的加入主要有以下作用：(1)代替较昂贵的金属Mo在合金中起固溶强化作用；(2)在后续拉拔过程中析出富铜相产生析出强化作用；(3)提高因瓦合金的居里温度，扩大产品使用温度区间，从而降低因瓦合金的热膨胀系数。

优选的，所述V/C的重量比为2.6～5。

通过采用上述技术方案，V含量过低强化效果不明显，过高则明显增加合金成本；C的加入主要是参与形成碳化物，从而强化基体，C含量过低强化效果不明显，C含量过高将导致基体出现过高的热膨胀系数。

优选的，所述V/Cu的重量比为2.5～5。

通过采用上述技术方案，Cu含量较高会减少强化效果，Cu含量较低改善作用弱；V含量过低强化效果不明显，过高则明显增加合金成本。本申请C、V、Cu配比合理，无V、Cu富集等宏观、微观缺陷，夹杂物少、并且组织成分均匀，不仅具有高强度，还具有低热膨胀率，在倍容量输电导线领域具有广泛的应用前景。

优选的，所述稀土元素由Sc、Sm和Nd按重量比1:(0.6-0.8):(1-1.4)混合而成。

通过采用上述技术方案，Sc、Sm和Nd三者复配的稀土元素，可以进一步提高因瓦合金线的韧性，从而使因瓦合金线的扭转次数更高，同时倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的抗拉强度更高、线膨胀系数更低。

优选的，由如下重量百分比的原料组分组成：C 0.2～0.25％、Si 0.15～0.169％、Mn0.303～0.323％、V 0.9～1％、Cu 0.2～0.35％、Ni 35.5～37.5％、Al 0.12-0.13％、Nb0.02～0.025％、稀土元素0.015-0.02％和余量铁。

通过采用上述技术方案，原料组分中各元素配比合理，夹杂物少、并且组织成分均匀，无V、Cu富集等宏观、微观缺陷，倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的抗拉强度和扭转次数更高，倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的线膨胀系数更低。

优选的，由如下重量百分比的原料组分组成：C 0.22％、Si 0.169％、Mn 0.313％、V0.968％、Cu 0.3％、Ni 36.5％、Al 0.13％、Nb 0.02％、稀土元素0.02％和余量铁。

通过采用上述技术方案，倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的抗拉强度和扭转次数更高，倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的线膨胀系数更低。

优选的，所述倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的抗拉强度≥1300MPa、20℃-230℃线膨胀系数≤1.4×10^-6/℃、扭转次数大于145次。

第二方面，本申请提供一种倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的制备方法，采用如下技术方案实现：

一种倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的制备方法，包括如下步骤：

真空熔炼：将原料组分按组成比例投入真空感应炉熔炼，处理，得因瓦中间合金；

热锻：先将因瓦中间合金在1100-1200℃保温1-2h，控制初锻温度为1060-1150℃、终锻温度为860-1020℃，将因瓦中间合金热锻成直径为9-10mm的因瓦合金杆；

热轧：先将因瓦合金杆加热至1100-1200℃并在1100-1200℃保温1-2h，控制初轧温度为1020-1060℃、终轧温度为850-950℃将因瓦合金杆轧制成因瓦合金盘条；

拉拔：对因瓦合金盘条进行拉拔，得因瓦合金丝；

退火：将因瓦合金丝在500-550℃保温1-2h，得退火后的因瓦合金丝；

再次拉拔：对退火后的因瓦合金丝进行拉拔，得倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材。

通过采用上述技术方案，本发明提供的倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的制备方法简单，总体成本较低，通过合适的热处理工艺及冷拔工艺，使合金不但可以保持较高的强度和一定的延伸率，同时具有相对较低的线膨胀系数。热锻保温足够长时间，确保铸态组织中偏析的消除，使其塑性处于最佳状态，以防热加工开裂；拉拔可以使因瓦合金线内部产生大量的位错及亚结构，并且晶粒显著细化，使因瓦合金线的抗拉强度进一步提高。

优选的，所述热轧步骤控制合金的平均晶粒尺寸<2.00μm。

优选的，所述拉拔和再次拉拔的次数均为3-12次。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请原料组分中各元素配比合理，夹杂物少、并且组织成分均匀，无V、Cu富集等宏观、微观缺陷，倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的抗拉强度和扭转次数高，倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的线膨胀系数低。

2、本申请倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的组成中不含P、S，有效避免了P、S对因瓦合金线材料的影响，不会使瓦合金线的变形能力差、韧性低，从而本申请提高了因瓦合金线的扭转次数。

3、本申请Al的加入可细化因瓦合金线的晶粒，提高因瓦合金线的冲击韧性，有利于提高因瓦合金线的塑性行为和变形能力，从而大幅提高因瓦合金线的扭转次数。

4、本申请Nb的加入可以提高提高因瓦合金线的扭转次数和抗拉强度，这是由于Nb能形成坚硬的碳化物，不仅可以提高因瓦合金线的强度、韧性，还能降低因瓦合金线脆性、转变温度，使因瓦合金线具有优异的成型性能。

5、本申请稀土元素Sc、Sm或Nd中的一种或多种的加入可以改善因瓦合金线的韧性，从而提高因瓦合金线的扭转次数。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例

实施例1-17提供了一种倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材，以下以实施例1为例进行说明。

实施例1提供的倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材，按重量百分比计，其原料组成为：C 0.1％、Si 0.6％、Mn 0.6％、V 0.8％、Cu 0.2％、Ni 34％、Al 0.1％、Nb0.02％、Sc 0.01％和余量铁。

倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的制备步骤为：

S1、真空熔炼：将原料组分按组成比例投入真空感应炉，在1550℃熔炼2h，加入立弯式连铸机进行连铸形成方锭，切去方锭头尾具有明显缩孔部位，并采用刨床对方锭侧面进行刨面处理除去表面缩孔、氧化皮等缺陷，得因瓦中间合金；

S2、热锻：先将因瓦中间合金在1100℃保温2h，随后锻造，控制锻造的初锻温度为1060℃、终锻温度为860℃，空冷后，得直径为10mm的因瓦合金杆；

S3、热轧：先将因瓦合金杆加热至1100℃并在1100℃保温2h，控制初轧温度为1020℃、终轧温度为850℃，热轧使合金的平均晶粒尺寸<2.00μm，最终轧制成直径为5mm的因瓦合金盘条；

S4、拉拔：对因瓦合金盘条进行拉拔，每次拉拔的相对变形量为10％，拉拔4次，得因瓦合金丝；

S5、退火：将因瓦合金丝在520℃保温1h，得退火后的因瓦合金丝；

S6、再次拉拔：对退火后的因瓦合金丝进行拉拔，每次拉拔的相对变形量为5％，拉拔5次，得倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材。

实施例2-5，与实施例1不同之处仅在于：倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的原料组成不同，具体见表1。

表1实施例1-5倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的原料组成

实施例6-12，与实施例5不同之处仅在于：稀土元素的组成不同，具体见表2。

表2实施例5-12稀土元素的组成

实施例13-17，与实施例12不同之处仅在于：倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的制备工艺参数不同，具体见表3。

表3实施例12-17制备工艺参数

对比例

对比例1-4，与实施例1不同之处仅在于：倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的原料组成不同，具体见表4。

表4对比例1-4倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的原料组成

性能检测试验针对本申请实施例1-17和对比例1-4制备的倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材，进行如下的性能检测。

1、抗拉强度：采用100kN电子万能试验机CMT5105，按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》测试抗拉强度，测试结果见表5。

2、线膨胀系数：使用TMA402F3，按照GB/T 4339-2008《金属热膨胀特征参数的测定》测定20-230℃的平均线膨胀系数，测试结果见表5。

3、扭转次数：按照GB/T 239.1《金属材料线材单向扭转试验方法》测定扭转次数，测试结果见表5。

表5测试结果

以下针对表5的测试数据，详细说明本申请。

从实施例1和对比例4的测试数据可知，本申请倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的组成中不含P、S，有效避免了P、S对因瓦合金线材料的影响，不会使瓦合金线的变形能力差、韧性低，从而本申请提高了因瓦合金线的扭转次数。同时，本申请还提高了倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的抗拉强度，降低了倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的20℃-230℃线膨胀系数。

从实施例1和对比例1的测试数据可知，Al的加入可细化因瓦合金线的晶粒，提高因瓦合金线的冲击韧性，有利于提高因瓦合金线的塑性行为和变形能力，从而大幅提高因瓦合金线的扭转次数。同时，倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的抗拉强度有少许提高、20℃-230℃线膨胀系数有少许降低。

从实施例1和对比例2的测试数据可知，Nb的加入可以提高提高因瓦合金线的扭转次数和抗拉强度，这是由于Nb能形成坚硬的碳化物，不仅可以提高因瓦合金线的强度、韧性，还能降低因瓦合金线脆性、转变温度，使因瓦合金线具有优异的成型性能。同时，还降低了因瓦合金线的线膨胀系数。

从实施例1和对比例3的测试数据可知，稀土元素Sc的加入可以改善因瓦合金线的韧性，从而提高因瓦合金线的扭转次数。同时，倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的抗拉强度得到提高、20℃-230℃线膨胀系数得到降低。

从实施例1-5的测试数据可知，实施例5原料组分中各元素配比合理，夹杂物少、并且组织成分均匀，无V、Cu富集等宏观、微观缺陷，倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的抗拉强度和扭转次数较高，倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的线膨胀系数较低。

从实施例5-12的测试数据可知，实施例11、12稀土元素由Sc、Sm和Nd三者复配而得，可以进一步提高因瓦合金线的韧性，从而使因瓦合金线的扭转次数较高，同时倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的抗拉强度较高、线膨胀系数较低。且实施例12中Sc、Sm和Nd的重量比为1:0.8:1.4，因瓦合金线的性能更好。

从实施例12、13的测试数据可知，实施例13中热锻步骤中的工艺参数可以提高因瓦合金的塑性，从而可以提高因瓦合金线材料的抗拉强度和扭转次数，减低因瓦合金线材料的线膨胀系数。且热锻温度较低，可以降低生产成本。

从实施例12、14的测试数据可知，实施例14中热轧步骤中的工艺参数可以提高因瓦合金的塑性，从而可以提高因瓦合金线材料的扭转次数，减低因瓦合金线材料的线膨胀系数。且热锻温度较低，可以降低生产成本。

从实施例12、15的测试数据可知，实施例12退火中的工艺参数可以可使碳化物弥散析出，提高了因瓦合金线材料的抗拉强度。且热锻温度较低，可以降低生产成本。

从实施例12、16-17的测试数据可知，实施例12拉拔和再次拉拔的拉拔次数总和较少，不仅操作简单，且相对变形量较大，因瓦合金线材料内部产生大量的位错及亚结构，并且晶粒显著细化，进一步提高了因瓦合金线材料的抗拉强度。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材，其特征在于，由如下重量百分比的原料组分组成：C 0.2~0.25%、Si 0.15~0.169%、Mn 0.303~0.323%、V 0.9~1%、Cu 0.2~0.35%、Ni 35.5~37.5%、Al 0.12-0.13%、Nb 0.02~0.025%、稀土元素0.015-0.02%和余量铁；

所述稀土元素选自Sc、Sm或Nd中的一种或多种；

所述倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的抗拉强度≥1353.87MPa、20℃-230℃线膨胀系数≤1.31×10^-6/℃、扭转次数≥152次。

2.根据权利要求1所述的倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材，其特征在于，所述V/C的重量比为2.6~5。

3.根据权利要求1所述的倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材，其特征在于，所述V/Cu的重量比为2.5~5。

4.根据权利要求1所述的倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材，其特征在于，所述稀土元素由Sc、Sm和Nd按重量比1:（0.6-0.8）:（1-1.4）混合而成。

5. 根据权利要求1所述的倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材，其特征在于，由如下重量百分比的原料组分组成：C 0.22%、Si 0.169%、Mn 0.313%、V 0.968%、Cu 0.3%、Ni36.5%、Al 0.13%、Nb 0.02%、稀土元素0.02%和余量铁。

6.一种根据权利要求1-5中任一项所述倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

拉拔：对因瓦合金盘条进行拉拔，得因瓦合金丝；

7.根据权利要求6所述的一种倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的制备方法，其特征在于，所述热轧步骤控制合金的平均晶粒尺寸<2.00μm。

8.根据权利要求7所述的一种倍容导线用高强度低热膨胀因瓦合金丝材的制备方法，其特征在于，所述拉拔和再次拉拔的次数均为3-12次。