CN121260552B

CN121260552B - 一种钢芯高导电率稀土铝绞线及其制备方法

Info

Publication number: CN121260552B
Application number: CN202511822164.7A
Authority: CN
Inventors: 任新方; 沈炎粉; 张刚; 陶有为; 赵岩岩; 王国柱
Original assignee: Luoyang Sanwu Cable Group Co ltd
Current assignee: Luoyang Sanwu Cable Group Co ltd
Priority date: 2025-12-05
Filing date: 2025-12-05
Publication date: 2026-02-03
Anticipated expiration: 2045-12-05
Also published as: CN121260552A

Abstract

本发明属于铝绞线技术领域，具体涉及一种钢芯高导电率稀土铝绞线及其制备方法。所述钢芯高导电率稀土铝绞线由钢芯和绞合在钢芯外层的硬铝线组成，所述硬铝线包括以下重量百分比的原料：Fe 0.11‑0.18 wt%、Si 0.15‑0.24 wt%、B 0.04‑0.15 wt%、Cu 0.22‑0.35 wt%、Sm 0.04‑0.08 wt%、碳化钆0.05‑0.12 wt%、改性MXene 0.18‑0.25 wt%，余量为Al；所述改性MXene由以下制备过程制得：将Ti₃ ₃C₂ ₂T_X _X、氯化铜、氯化铵、抗坏血酸和硫脲加入水中，在加热条件下，超声分散后得到改性MXene。本发明的硬铝线导电率优良，力学性能优异。

Description

一种钢芯高导电率稀土铝绞线及其制备方法

技术领域

本发明属于铝绞线技术领域，具体涉及一种钢芯高导电率稀土铝绞线及其制备方法。

背景技术

我国的发电资源主要集中在西部地区，而电力主要消费区域地处东部，为了满足用电需求，需要进行远距离、大容量电力输送。由于输电线路长、线损大，每年在输电线路上都会损失大量电能。在国家电网升级与可再生能源并网需求激增的行业机遇下，市场对高性能输电导线的需求日益增长。钢芯铝绞线具有较高的导电率和抗拉强度、结构简单、架设与维护方便、线路造价低等优点，现阶段在电网输电线路中具有广泛的应用。但传统钢芯铝绞线存在“导电率与抗拉强度不可兼得”的行业难题，导致输电损耗高（5%~8%）、输送容量有限，运维成本增加。

为了突破电力运输用导线的强度和电导率之间的相互限制，适应电网的发展需求，各种新型导线成为近年来的研究热点，如碳纤维复合芯绞线、耐热铝合金导线、铝基陶瓷纤维芯铝绞线等，但这些导线都在实际线路应用中存在不适用或不经济的情况，尚未取得关键的技术突破。以传统钢芯铝绞线为基础，通过微合金化元素复合添加、纳米材料改性、多层绞合结构设计、绞合技术改进、梯度热处理工艺等多项先进技术进行优化改进，实现铝合金材料高抗拉强度和导电性的协同提升，并降低铝单丝强度波动标准差，提升铝绞线的寿命和稳定性能，具有广阔的应用前景和明显的进步性。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种钢芯高导电率稀土铝绞线，该产品导电率优良，力学性能优异。

本发明的第二目的在于提供上述钢芯高导电率稀土铝绞线的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种钢芯高导电率稀土铝绞线，由钢芯和绞合在钢芯外层的硬铝线组成，所述硬铝线包括以下重量百分比的原料：Fe 0.11-0.18 wt%、Si 0.15-0.24 wt%、B 0.04-0.15wt%、Cu 0.22-0.35 wt%、Sm 0.04-0.08 wt%、碳化钆0.05-0.12 wt%、改性MXene 0.18-0.25wt%，余量为Al；

所述改性MXene由以下制备过程制得：

将Ti₃C₂T_X、氯化铜、氯化铵、抗坏血酸和硫脲加入水中，在加热条件下，超声分散40-50 min后得到改性MXene。

进一步地，所述Ti₃C₂T_X、氯化铜、氯化铵、抗坏血酸、硫脲和水的用量比为10 g：（2.5-3.0）g：（0.5-0.7）g：（1.5-2.5）g：（0.01-0.03）g：（80-100）mL；所述加热的温度为80-90 ℃。

进一步地，所述碳化钆由以下制备过程制得：

将钆和碳粉混合，在氩气氛围下，加热至850-950 ℃保温2-3 h，再升温至1300-1450 ℃保温1-2 h，静置冷却、洗涤过滤、烘干后得到碳化钆。

进一步地，所述钆和碳粉的质量比为（5-8）：1。

进一步地，所述Ti₃C₂T_X由以下制备过程制得：

将Ti₃AlC₂和氟化锂加入盐酸溶液中，搅拌后得到Ti₃C₂T_X。

进一步地，所述Ti₃AlC₂、氟化锂和盐酸的用量比为1 g：（1.5-2.0）g：（12-15）mL；所述盐酸的质量浓度为36-38 %。

进一步地，所述钢芯包括以下重量百分比的原料：Mn 0.12-0.18 wt%、Ti 0.03-0.08 wt%、Si 0.014-0.022 wt%、C ≤0.01 wt%、P ≤0.008 wt%，余量为Fe。

上述的钢芯高导电率稀土铝绞线的制备方法，包括以下步骤：

（a）称取钢芯各原料，熔融、精炼、浇铸、轧制、拉拔后得到钢丝，将钢丝按照1+6的正规排列得到钢芯；

（b）称取硬铝线各原料，熔融、精炼、浇铸、轧制、拉拔、退火后得到硬铝线；

（c）将钢芯和硬铝线进行绞合，梯度热处理后得到铝绞线。

进一步地，步骤（b）所述退火的温度为180-220 ℃，时间为12 h。

进一步地，步骤（c）所述的梯度热处理的步骤为：先于180-200 ℃热处理1-3 h，升温至260-280 ℃热处理2-5 h，最后在140-160 ℃热处理1-2 h。

本发明的有益技术效果在于：

1. 本发明在硬铝线中复合添加稀土钐和碳化钆，钐会富集在晶界处，抑制晶粒长大，并净化熔体，减少杂质对电子的散射，优化铝线的导电性能；碳化钆具有高硬度和高温稳定性，弥散分布在基体中形成钉扎，能够阻碍晶界和位错运动，提升铝线的强度和耐热性，稀土的复合添加能够精确调控硬铝线的微观结构，实现铝绞线导电率和综合强度的协同提升。

2. 本发明在硬铝线中添加改性MXene，MXene具有二维层状结构，本征导电率优于铝，在MXene表面进行镀铜改性，能够形成导电网络，添加在铝线中能够有效提升铝绞线的导电性能；同时镀铜能够改善MXene在基体中的分散性和与基体的界面结合性能，调控基体的微观结构，提升铝绞线的强度。

3. 本发明采用梯度热处理工艺，调控绞线的微观结构，优化绞线的力学性能，提升绞线的寿命与稳定性。

附图说明

图1为本发明制备例1制得的碳化钆的扫描电镜图；

图2为本发明制备例4制得的改性MXene的扫描电镜图。

具体实施方式

以下内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。实施例中未注明的具体条件，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器，如无特殊说明，均为通过市购渠道获得的常规产品。

（一）制备例

制备例1

制备例1提供一种碳化钆由以下制备过程制得：

按照钆和碳粉质量比6：1，将钆和碳粉混合后放入管式炉中并通入氩气，加热至900 ℃保温3 h，再升温至1400 ℃保温2 h，停止加热后静置冷却，洗涤、过滤、烘干后得到碳化钆；本制备例所得碳化钆的扫描电镜图如图1所示。

制备例2

制备例2提供一种碳化钆由以下制备过程制得：

按照钆和碳粉质量比5：1，将钆和碳粉混合后放入管式炉中并通入氩气，加热至850 ℃保温2 h，再升温至1300 ℃保温1 h，停止加热后静置冷却，洗涤、过滤、烘干后得到碳化钆。

制备例3

制备例3提供一种碳化钆由以下制备过程制得：

按照钆和碳粉质量比8：1，将钆和碳粉混合后放入管式炉中并通入氩气，加热至950 ℃保温3 h，再升温至1450 ℃保温2 h，停止加热后静置冷却，洗涤、过滤、烘干后得到碳化钆。

制备例4

制备例4提供一种改性MXene由以下制备过程制得：

按照Ti₃AlC₂、氟化锂和质量浓度38%的盐酸溶液的用量比1 g：1.8 g：12 mL，将Ti₃AlC₂、氟化锂加入盐酸溶液，在30 ℃搅拌蚀刻12 h，过滤、洗涤、干燥后得到Ti₃C₂T_X；按照Ti₃C₂T_X、氯化铜、氯化铵、抗坏血酸、硫脲和水用量比10 g：2.8 g：0.6 g：2 g：0.02 g：90mL，将Ti₃C₂T_X、氯化铜、氯化铵、抗坏血酸、硫脲加入水中，在80 ℃条件下超声分散40 min，过滤、洗涤、干燥后得到改性MXene；本制备例所得改性MXene的扫描电镜图如图2所示。

制备例5

制备例5提供一种改性MXene由以下制备过程制得：

按照Ti₃AlC₂、氟化锂和质量浓度36%的盐酸溶液的用量比1 g：1.5 g：12 mL，将Ti₃AlC₂、氟化锂加入盐酸溶液，在30 ℃搅拌蚀刻10 h，过滤、洗涤、干燥后得到Ti₃C₂T_X；按照Ti₃C₂T_x、氯化铜、氯化铵、抗坏血酸、硫脲和水用量比10 g：2.5 g：0.5 g：1.5 g：0.01 g：80mL，将Ti₃C₂T_X、氯化铜、氯化铵、抗坏血酸、硫脲加入水中，在80 ℃的加热条件下超声分散40min，过滤、洗涤、干燥后得到改性MXene。

制备例6

制备例6提供一种改性MXene由以下制备过程制得：

按照Ti₃AlC₂、氟化锂和质量浓度38%的盐酸溶液的用量比1 g：2.0 g：15 mL，将Ti₃AlC₂、氟化锂加入盐酸溶液，在40 ℃搅拌蚀刻15 h，过滤、洗涤、干燥后得到Ti₃C₂T_X；按照Ti₃C₂T_X、氯化铜、氯化铵、抗坏血酸、硫脲和水用量比10 g：3.0 g：0.7 g：2.5 g：0.03 g：100mL，将Ti₃C₂T_X、氯化铜、氯化铵、抗坏血酸、硫脲加入水中，在90 ℃的加热条件下超声分散50min过滤、洗涤、干燥后得到改性MXene。

（二）实施例

实施例1

实施例1提供一种钢芯高导电率稀土铝绞线，所述铝绞线由钢芯和绞合在钢芯外层的硬铝线组成；所述硬铝线包括以下重量百分比的原料：Fe 0.15 wt%、Si 0.21 wt%、B0.11 wt%、Cu 0.29 wt%、Sm 0.06 wt%、制备例1的碳化钆0.09 wt%、制备例4的改性MXene0.21 wt%，余量为Al；所述钢丝包括以下重量百分比的原料：Mn 0.16 wt%、Ti 0.05 wt%、Si0.019 wt%、C ≤0.01 wt%、P ≤0.008 wt%，余量为Fe。

本实施例还提供上述钢芯高导电率稀土铝绞线的制备方法，具体步骤为：

（a）称取上述钢芯各原料，熔融、精炼、浇铸、轧制、拉拔后得到钢丝，将钢丝按照1+6的正规排列得到钢芯；

（b）称取上述硬铝线各原料，熔融、精炼、浇铸、轧制、拉拔后在200 ℃退火12 h后得到硬铝线；

（c）将硬铝线按照12+18正规排列形成钢芯的外层，将钢芯和硬铝线进行绞合，然后在200 ℃热处理2 h，再升温280 ℃热处理4 h，最后在150 ℃热处理2 h后得到铝绞线。

实施例2

实施例2提供一种钢芯高导电率稀土铝绞线，所述铝绞线由钢芯和绞合在钢芯外层的硬铝线组成；所述硬铝线包括以下重量百分比的原料：Fe 0.11wt%、Si 0.15 wt%、B0.04 wt%、Cu 0.22 wt%、Sm 0.04 wt%、制备例2的碳化钆 0.05 wt%、制备例5改性MXene0.18wt%，余量为Al；所述钢丝包括以下重量百分比的原料：Mn 0.12 wt%、Ti 0.03 wt%、Si0.014 wt%、C ≤0.01 wt%、P ≤0.008 wt%，余量为Fe。

（b）称取上述硬铝线各原料，熔融、精炼、浇铸、轧制、拉拔后在180 ℃退火12 h后得到硬铝线；

（c）将硬铝线按照12+18正规排列形成钢芯的外层，将钢芯和硬铝线进行绞合，然后在180 ℃热处理1h，再升温260 ℃热处理2 h，最后在140 ℃热处理1 h后得到铝绞线。

实施例3

实施例3提供一种钢芯高导电率稀土铝绞线，所述铝绞线由钢芯和绞合在钢芯外层的硬铝线组成；所述硬铝线包括以下重量百分比的原料：Fe 0.18 wt%、Si 0.24 wt%、B0.15 wt%、Cu 0.35 wt%、Sm 0.08 wt%、制备例3碳化钆0.12 wt%、制备例6的改性MXene0.25 wt%，余量为Al；所述钢丝包括以下重量百分比的原料：Mn 0.18 wt%、Ti 0.08 wt%、Si0.022 wt%、C ≤0.01 wt%、P ≤0.008 wt%，余量为Fe。

（b）称取上述硬铝线各原料，熔融、精炼、浇铸、轧制、拉拔后在220 ℃退火12 h后得到硬铝线；

（c）将硬铝线按照12+18正规排列形成钢芯的外层，将钢芯和硬铝线进行绞合，然后在200 ℃热处理3 h，再升温280 ℃热处理5 h，最后在160 ℃热处理2 h后得到铝绞线。

（三）对比例

对比例1

对比例1与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：将实施例1硬铝线中的碳化钆替换为钆。

对比例2

对比例2与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：将实施例1中的改性MXene省去。

对比例3

对比例3与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：将实施例1中的改性MXene替换为MXene材料Ti₃C₂T_X。

（四）测试例

将上述实施例1-3与对比例1-3制备的硬铝线进行性能测试。

力学性能测试：按照GB/T 4909.3-2009《裸电线试验方法第3部分：拉力试验》，测试实施例1-3和对比例1-3的硬铝线的力学性能，结果参见表1。

导电率测试：按照GB/T 3048.2-2007《电线电缆电性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验》，测试实施例1-3和对比例1-3的硬铝线的导电率，结果参见表1。

表1 硬铝线力学性能和导电率测试结果

由表1可知，本发明实施例1-3制得的硬铝线具有优异的力学性能以及良好的导电性能。相较于实施例1，对比例1将实施例1中碳化钆替换为钆，对比例2将实施例1中改性MXene省去，对比例3将实施例1中改性MXene替换为MXene材料Ti₃C₂T_X，对比例1-3的力学性能和导电性能均有不同程度的下降，具体分析可知：一方面，本发明在硬铝线中复合添加稀土钐和碳化钆，钐会富集在晶界处，抑制晶粒长大，并净化熔体，减少杂质对电子的散射，优化铝线的导电性能；碳化钆具有高硬度和高温稳定性，弥散分布在基体中形成钉扎，能够阻碍晶界和位错运动，提升铝线的强度和耐热性，稀土的复合添加能够精确调控硬铝线的微观结构，实现铝绞线导电率和综合强度的协同提升。另一方面，本发明在硬铝线中添加改性MXene，MXene具有二维层状结构，本征导电率优于铝，在MXene表面进行镀铜改性，能够形成导电网络，添加在铝线中能够有效提升铝绞线的导电性能；同时镀铜能够改善MXene在基体中的分散性和与基体的界面结合性能，调控基体的微观结构，提升铝绞线的强度。

最后说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制。上文中已经用具体实施方案描述了本发明的基本原理和主要特征，在本发明的基础上，可以对之进行一些修改或替换，但这些修改或者替换并不使相应技术方案的本质脱离本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种钢芯高导电率稀土铝绞线，由钢芯和绞合在钢芯外层的硬铝线组成，其特征在于，所述硬铝线包括以下重量百分比的原料：Fe 0.11-0.18 wt%、Si 0.15-0.24 wt%、B0.04-0.15 wt%、Cu 0.22-0.35 wt%、Sm 0.04-0.08 wt%、碳化钆0.05-0.12 wt%、改性MXene0.18-0.25 wt%，余量为Al；

所述改性MXene由以下制备过程制得：

将Ti₃C₂T_X、氯化铜、氯化铵、抗坏血酸和硫脲加入水中，在加热条件下，超声分散40-50min后得到改性MXene；

所述Ti₃C₂T_X、氯化铜、氯化铵、抗坏血酸、硫脲和水的用量比为10 g：（2.5-3.0）g：（0.5-0.7）g：（1.5-2.5）g：（0.01-0.03）g：（80-100）mL；所述加热的温度为80-90 ℃；

所述Ti₃C₂T_X由以下制备过程制得：

将Ti₃AlC₂和氟化锂加入盐酸溶液中，30-40℃搅拌10-15 h后得到Ti₃C₂T_X；

所述Ti₃AlC₂、氟化锂和盐酸的用量比为1 g：（1.5-2.0）g：（12-15）mL；所述盐酸的质量浓度为36-38 %。

2.根据权利要求1所述的钢芯高导电率稀土铝绞线，其特征在于，所述碳化钆由以下制备过程制得：

将钆和碳粉混合，在氩气氛围下，加热至850-950 ℃保温2-3 h，再升温至1300-1450℃保温1-2 h，静置冷却、洗涤过滤、烘干后得到碳化钆。

3.根据权利要求2所述的钢芯高导电率稀土铝绞线，其特征在于，所述钆和碳粉的质量比为（5-8）：1。

4.根据权利要求1所述的钢芯高导电率稀土铝绞线，其特征在于，所述钢芯包括以下重量百分比的原料：Mn 0.12-0.18 wt%、Ti 0.03-0.08 wt%、Si 0.014-0.022 wt%、C ≤0.01wt%、P ≤0.008 wt%，余量为Fe。

5.一种权利要求4所述的钢芯高导电率稀土铝绞线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（c）将钢芯和硬铝线进行绞合，梯度热处理后得到铝绞线。

6.根据权利要求5所述的钢芯高导电率稀土铝绞线的制备方法，其特征在于，步骤（b）所述退火的温度为180-220 ℃，时间为12 h。

7.根据权利要求5所述的钢芯高导电率稀土铝绞线的制备方法，其特征在于，步骤（c）所述的梯度热处理的步骤为：先于180-200 ℃热处理1-3 h，升温至260-280 ℃热处理2-5h，最后在140-160 ℃热处理1-2 h。