CN103627935A - 一种非热处理型耐热铝合金单丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导电率大于等于61%的非热处理型耐热铝合金单丝及其制备方法，铝合金单丝由Cu：0.1～1.5％，Zr：0.01～0.1％，B：0.01～0.2％，Si：0.01～0.2％，Fe：0.05～0.3％，Mn：0.2～0.8％，Er：0.01～0.2％和Gd：0.01～0.2％，还含有V、Ti、Cr中任意2种或3种元素，其余为Al和不可避免的微量杂质。本发明制备的铝合金单丝导电率高、耐热性好，抗拉强度达到了220MPa，采用价格较低的稀土钆Gd代替稀土钇Y对铝合金改性，降低了原材料成本。

Description

一种非热处理型耐热铝合金单丝及其制备方法

【技术领域】

本发明属于电工材料的输电线路架空导线制造技术领域，具体涉及一种导电率大于等于61%IACS，抗拉强度达到220MPa的非热处理型耐热铝合金单丝及其制备方法。

【背景技术】

目前，我国架空输电线路上普遍采用钢芯铝绞线作为输配电用导线，钢芯铝绞线是由于普通电工铝导线抗拉强度低，不得不附加钢芯作为加强芯而产生。采用钢芯作为加强芯不仅增加导线重量，还会引起的磁滞和涡流损耗，降低线路传输容量。为克服这些问题通常采用耐热铝合金导线代替，为提高铝合金导线长期运行过程中的耐热性，通常在电工纯铝中加入微量合金元素如锆、钛等提高铝的再结晶温度，锆、钛合金元素的加入虽然保证了耐热性，但却引起铝导线导电率的降低，需要进一步通过加入稀土元素和硼元素控制杂质元素的存在形态提高耐热铝合金导线的导电率。

中国专利CN201210189763.6公布了一种高强高导耐热铝合金导线及其制备方法，该导线由下列重量百分比的元素组成：锆Zr为0.15～0.60%，镧La为0.03～0.30%，铈Ce为0.03～0.30%，钇Y为0.01～0.30%，铁Fe为0.05～0.20%，硅Si为0.01～0.10%，其他杂质元素含量≤0.10%，其余为铝。方法为：配制原材料放入熔炼炉中、升温除气熔炼、造渣、除渣、连铸连轧成耐热铝合金杆材、热处理、拉丝机拉制成耐热铝合金单线。所制得的耐热铝合金导线的抗拉强度达到160MPa，导电率可达到61％IACS以上，长期运行温度可达到180℃，且经得起280℃下加热1小时考核运行，强度残存率＞90％。但上述申请的制备过程中，所制备的铝合金丝或导线的抗拉强度低，并且制备过程中所需的加热温度高且需要热处理，生产成本较高。

中国专利CN201210544420.7公布了一种非热处理型高导电率中强耐热铝合金单丝及其制备方法，所述铝合金导线由下述重量百分比的元素组成：Zr：0.01～0.1%，B：0.01～0.2%，Si：0.01～0.2%，Fe：0.05～0.3%，Mn：0.2～0.5%，Er：0.01～0.15%和/或Y：0.01～0.15%，还含有V、Ti、Cr中任意2种或3种元素，其余为Al和不可避免的微量杂质；所述V：0.1～0.15%，Ti：0.01～0.05%、Cr：0.1～0.15%。所制得的耐热铝合金导线的抗拉强度大于180MPa，导电率≥61％IACS、耐热温度≥120℃（180℃条件下保温1小时剩余强度＞90％）。这种方法制造的导线整体抗拉强度低，通常只用于100m及以下小档距配电线路运行，在110kV及以上输电线路中，导线仍需要额外加入钢芯等加强芯整体提高导体抗拉强度。

【发明内容】

为克服上述问题，本发明采用微合金化，控制多种合金元素含量，并采用稀土钆、铒改性，制造具有导电率≥61％IACS、抗拉强度大于220MPa，耐热温度≥120℃（180℃条件下保温1小时剩余强度＞90％）的非热处理型耐热铝合金单丝，为制备高导电耐热铝合金导线提供原料基础，使耐热铝合金导线达到提高输送容量、降低输电线路损耗的目的，从而满足大容量输电线路的建设需求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种非热处理型耐热铝合金单丝，由下述重量百分比的合金元素组成：Cu：0.1～1.5％，Zr：0.01～0.1％，B：0.01～0.2％，Si：0.01～0.2％，Fe：0.05～0.3％，Mn：0.2～0.8％，Er：0.01～0.2％，Gd：0.01～0.2％，和从V、Ti、Cr中选出的任意2种或3种元素，其余为Al和不可避免的微量杂质；

优选的，所述V、Ti、Cr的中任意2种或3种元素重量百分比之和为0.01～0.35%。

另一优选的，所述V、Ti、Cr的重量百分比分别为V：0.01～0.15％，Ti：0.01～0.05％，Cr：0.01～0.15％。

本发明所述的一种非热处理型耐热铝合金单丝，其中，Er和Gd的的重量百分比之和为0.05%～0.3%。

本发明所述的一种非热处理型耐热铝合金单丝，其中，V、Ti、Cr中任意2种或3种元素的重量百分比之和为0.03%～0.31%。

一种非热处理型耐热铝合金单丝的制备方法，包括下述步骤：

（1）冶炼：选取纯度≥99.8％的铝锭，根据铝锭化学成分选择合金元素添加量，将铝锭加热熔化后，在720～780℃下加入所述合金元素，得合金铝液；

（2）合金化：搅拌上述合金铝液，通入氩气除氢、除渣，在720～780℃下合金化25～50min；

（3）浇铸制杆：将模具预热至200～220℃后保温，将步骤（2）所得铝液浇铸到模具内制得铝锭，经300～450℃恒温热挤压后制得尺寸为Φ10～60，80～200mm长的铝合金杆；

（4）拉丝：将步骤（3）制得铝合金杆进行拉丝得Φ2～3mm的单丝。

所述步骤（1）中所述合金元素的加入顺序为：B、Si、Fe、Cu、Mn、V、Ti、Cr元素在温度升至720～740℃时加入，并保温10min，Zr、Er、Gd元素在740～780℃范围加入，保温15～35min。

本发明提供的非热处理型耐热铝合金单丝的制备方法，其中，步骤（3）中所述铝液的浇铸温度优选为740℃。

本发明提供的非热处理型耐热铝合金单丝的制备方法，其中，模具预热至200～220℃，保温的时间为10～30min。

本发明提供的非热处理型耐热铝合金单丝的制备方法，其特征在于所述步骤（1）中加入的合金元素为单质或中间合金。

本发明提供的非热处理型耐热铝合金单丝的制备方法，其中，合金元素的加入顺序为：最后加入Zr、Er和Gd。

本发明提供的非热处理型耐热铝合金单丝的制备方法，优选的，其中，最后加入的Zr、Er、Gd合金元素的加入温度为780℃。

本发明提供的非热处理型耐热铝合金单丝的制备方法中，当纯铝锭完全熔化后依次放入各合金元素，其中B、Si、Fe、Cu、Mn与Al有共晶反应，合金元素较容易溶解，在熔炼过程中可直接加入铝熔液中；Zr、Er、Gd元素由于熔点较高，溶解很慢，需要较大的过热才能完全溶解，待铝液温度升至740℃以上时最后加入其中间合金，待炉温升至780℃，保温15～35min。采用铝液精炼剂并通入氩气对铝液进行除氢、除渣进行精炼，并使用搅拌机对铝液进行搅拌，使合金元素充分均匀化，合金化温度为720～780℃，添加覆盖剂后保温25～50min。对模具进行加热，防止模具温度与铝液温度相差过大引起铝液浇铸过程中引起缩孔，模具加热至200～220℃保温10～30min，然后进行铝液浇铸，浇铸成Ф60～150mm，长20～80mm的铝锭。采用300～450℃恒温热挤压的方式将其挤成Ф10～60mm的圆铝杆，然后进行拉丝。以15m/s的速度在拉丝机上冷拉丝，通过多套配模（金刚石模具），多道次拉制，每次变形量为10％～15％，最终获得Ф2～3mm的单丝。

本发明采用的铝合金单丝中锆原子半径比铝原子半径略大，锆在铝中以置换方式进行扩散，其扩散激活能高，向亚结晶晶粒边界析出细微的Al₃Zr相，它不易聚集长大，稳定性高，能防止再结晶的产生，在较高的温度下仍可有效的钉扎位错与晶界，阻碍变形与晶内及晶界滑移，使蠕变抗力得以提高，从而使铝合金的耐热性能得到了改善。同时，锆的加入可以改善铝合金的抗蠕变性能，使铝合金在高温下也只有很小的蠕变伸长，因此，能够使架空输电线在输电塔杆之间的间距增大，并且保持铝合金导线较小的悬垂度；

Si：硅是铝中含量仅次于铁的杂质元素，能提高铝合金的铸造性能及焊接流动性，还能使铝合金有较高的力学性能；

Fe：是工业纯铝中的占支配地位的一种杂质，而且也是高纯铝中的一种主要杂质。通常以粗大的一次晶体出现，或以铝-铁-硅化合物形式存在，它们一定程度上都提高了铝的硬度，但使铝的塑性降低。尽管有资料表明在实际生产中，铝导体中的Fe/Si比应为1.3～1.5，但在本发明中显示超出该范围时并不显著降低其导电性；

Cu：铜在铝合金中能够改善沉淀物分布，起到固溶强化效果，明显提升铝合金的强度，并能提升铝合金抗应力腐蚀性能；

V、Mn、Cr、Ti：这几种元素均具有细化晶粒，提高铝合金室温抗拉强度及改善耐热性的效果，然而每（1％Cr+Ti+Mn+V）的有害作用为每1％硅对铝导电性有害作用的5倍。由此可以看出严格控制这几种元素的含量对保证铝导体的质量具有重要的实际应用意义；

Er、Gd：添加Er和Gd可以和Fe、Si元素反应生成细小弥散的化合物，一方面由于Al中的Fe、Si被置换出来，使Fe、Si析出，降低了电阻率；另一方面由于析出相细小均匀的分布，可以起到细化晶粒的作用，保证铝杆延伸率较高的同时，提高铝合金的强度；

B：在铝导体加入适量的Zr能明显改善合金的耐热性能，但是Zr的加入也会对合金的导电性产生负面影响，有研究表明在含Zr的铝合金中加入适量的B，能在保证合金耐热性的前提下提高其导电性。现有资料表明在Zr：B＝1：2的范围内对合金的导电性不会产生负面影响。过量B的加入对含Zr铝合金有一定的晶粒细化效果，但它会使合金高温强度降低，使合金耐热性变差。

本发明的有益效果：本发明在保留了高导电率（61％IACS，20℃）、良好耐热性（180℃条件下保温1小时剩余强度＞90％）、及无需热处理工艺的优点外，制得的铝合金单丝抗拉强度由专利CN201210544420.7中的180MPa提升至220MPa，使得产品可应用于1000kV及以下输变配电线路中。采用价格较低的稀土钆Gd代替稀土钇Y对铝合金改性，降低了原材料成本。

【具体实施方式】

实施例1

在中频感应熔炼炉中加入纯度为99.8％的纯铝锭，将温度保持在720℃前将纯铝熔化，待温度升至720℃时，开始以中间合金的方式，按B、Si、Fe、Cu、Mn、V、Ti、Cr、Zr、Er，Gd的顺序，依次加入各合金元素，使它们的最终含量为：重量百分比0.05％的Zr，0.02％的Er，0.06％的Gd，0.05％的B，0.03％的Si，0.055％的Fe，1.1％的Cu，0.1％的V，0.02％的Ti，0.1％的Cr及0.25％的Mn，合金元素是以中间合金的形式加入，经搅拌，精炼、除渣，在760℃下，保温40min后进行浇铸。浇铸前将低碳钢模具加热至200℃，保温20min，并将铝液温度降至740℃，然后将铝液倒入模具内，形成铝合金锭，通过挤压机对铝合金杆进行热挤压，挤压温度为400℃。将挤成的杆材，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，拉丝速度为15m/s，每次截面收缩率为15％左右，最终获得Ф2.3mm的耐热铝合金单丝。经检测，耐热铝合金丝的抗拉强度为220MPa，导电率为61.1％IACS，在180℃下保温1小时，测试强度为205MPa，大于原强度的90％。

实施例2

在中频感应熔炼炉中加入纯度为99.8％的纯铝锭，将温度保持在720℃前将纯铝熔化，待温度升至740℃时，开始以单质的形式，按B、Si、Fe、Cu、Mn、V、Ti、Cr、Zr、Er，Gd的顺序，依次加入各合金元素，使它们的最终含量为：重量百分比0.09％的Zr，0.03％的Er，0.09％的Gd，0.08％的B，0.05％的Si，0.07％的Fe，0.9％的Cu，0.11％的V，0.04％的Ti，0.12％的Cr及0.3％的Mn，合金元素是以单质的形式加入，经搅拌，精炼、除渣，在750℃下，保温45min后进行浇铸。浇铸前将低碳钢模具加热至210℃，保温20min，然后将铝液倒入模具内，将铝液温度降至740℃，形成铝合金锭，通过挤压机对铝合金杆进行热挤压，挤压温度为400℃。将挤成的杆材，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，拉丝速度为15m/s，每次截面收缩率为15％左右，最终获得Ф2.5mm的耐热铝合金单丝。经检测，耐热铝合金丝的抗拉强度为225MPa，导电率为61.2％IACS，在180℃下保温1小时，测试强度为206MPa，大于原强度的90％。

实施例3

在中频感应熔炼炉中加入纯度为99.8％的纯铝锭，将温度保持在720℃前将纯铝熔化，待温度升至725℃时，开始以中间合金的方式，按B、Si、Fe、Cu、Mn、V、Ti、Cr、Zr、Er，Gd的顺序，依次加入各合金元素，使它们的最终含量为：重量百分比0.07％的Zr，0.10％的Er，0.10％的Gd，0.15％的B，0.15％的Si，0.21％的Fe，1.1％的Cu，0.12％的V，0.05％的Ti，0.14％的Cr及0.5％的Mn，其中稀土元素是以中间合金的形式加入，其余合金元素是以中间合金的形式加入，经搅拌，精炼、除渣，在745℃下，保温50min后进行浇铸。浇铸前将低碳钢模具加热至220℃，保温20min，将铝液温度降至740℃，然后将铝液倒入模具内，形成铝合金锭，通过挤压机对铝合金杆进行热挤压，挤压温度为420℃。将挤成的杆材，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，拉丝速度为15m/s，每次截面收缩率为15％左右，最终获得Ф2.1mm的耐热铝合金单丝。经检测，耐热铝合金丝的抗拉强度为225MPa，导电率为61.5％IACS，在180℃下保温1小时，测试残余强度为208MPa，大于原强度的90％。

实施例4

在中频感应熔炼炉中加入纯度为99.8％的纯铝锭，将温度保持在720℃前将纯铝熔化，待温度升至750℃时，开始以中间合金的方式，按B、Si、Fe、Cu、Mn、V、Ti、Cr、Zr、Er、Gd的顺序，依次加入各合金元素，使它们的最终含量为：重量百分比0.07％的Zr，0.10％的Er，0.12％的Gd，0.15％的B，0.15％的Si，0.21％的Fe，1.0％的Cu，0.12％的V，0.05％的Ti，0.14％的Cr及0.5％的Mn，其中稀土元素是以中间合金的形式加入，其余合金元素是以中间合金的形式加入，经搅拌，精炼、除渣，在750℃下，保温40min后进行浇铸。浇铸前将低碳钢模具加热至210℃，保温30min，将铝液温度降至740℃，然后将铝液倒入模具内，形成铝合金锭，通过挤压机对铝合金杆进行热挤压，挤压温度为350℃。将挤成的杆材，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，拉丝速度为15m/s，每次截面收缩率为15％左右，最终获得Ф2.2mm的耐热铝合金单丝。经检测，耐热铝合金丝的抗拉强度为228MPa，导电率为61.1％IACS，在180℃下保温1小时，测试残余强度为209MPa，大于原强度的90％。

实施例5

在中频感应熔炼炉中加入纯度为99.8％的纯铝锭，将温度保持在720℃前将纯铝熔化，待温度升至725℃时，开始以中间合金的方式，按B、Si、Fe、Cu、Mn、V、Ti、Cr、Zr、Gd的顺序，依次加入各合金元素，使它们的最终含量为：重量百分比0.07％的Zr，0.10％的Er，0.08％的Gd，0.15％的B，0.15％的Si，0.21％的Fe，1.0％的Cu，0.12％的V，0.05％的Ti，0.14％的Cr及0.5％的Mn，其中稀土元素是以中间合金的形式加入，其余合金元素是以中间合金的形式加入，经搅拌，精炼、除渣，在755℃下，保温40min后进行浇铸。浇铸前将低碳钢模具加热至220℃，保温30min，将铝液温度降至740℃，然后将铝液倒入模具内，形成铝合金锭，通过挤压机对铝合金杆进行热挤压，挤压温度为350℃。将挤成的杆材，依次配模，在高速拉丝机上进行冷拉丝，拉丝速度为15m/s，每次截面收缩率为15％左右，最终获得Ф2.3mm的耐热铝合金单丝。经检测，耐热铝合金丝的抗拉强度为233MPa，导电率为61.0％IACS，在180℃下保温1小时，测试残余强度为212MPa，大于原强度的90％。

表格中为实施例的数据对比。

以上仅仅是对本发明的较佳实施例进行的详细说明，但是本发明并不限于以上实施例。应该理解的是，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员做出的各种修改，仍属于本发明的范围。

Claims (10)

1.一种非热处理型耐热铝合金单丝，其特征在于所述铝合金导线由下述重量百分比的合金元素组成：Cu：0.1～1.5％，Zr：0.01～0.1％，B：0.01～0.2％，Si：0.01～0.2％，Fe：0.05～0.3％，Mn：0.2～0.8％，Er：0.01～0.2％，Gd：0.01～0.2％，和从V、Ti、Cr中选出的任意2种或3种元素，其余为Al和不可避免的微量杂质。

2.如权利要求1所述的一种非热处理型耐热铝合金单丝，其特征在于所述V、Ti、Cr的中任意2种或3种元素重量百分比之和为0.01～0.35%。

3.如权利要求1所述的一种非热处理型耐热铝合金单丝，其特征在于所述V、Ti、Cr的重量百分比为V：0.01～0.15％，Ti：0.01～0.05％，Cr：0.01～0.15％。

4.如权利要求1所述的一种非热处理型耐热铝合金单丝，其特征在于所述Er和Gd的重量百分比之和为0.05%～0.3%。

5.如权利要求1所述的一种非热处理型耐热铝合金单丝，其特征在于所述V、Ti、Cr中任意2种或3种元素的重量百分比之和为0.03%～0.31%。

6.如权利要求1所述的非热处理型耐热铝合金单丝的制备方法，包括下述步骤：

（1）冶炼：选取纯度≥99.8％的铝锭熔化后在720～780℃下加入所述合金元素，得合金铝液；

（2）合金化：搅拌上述合金铝液，通入氩气除氢、除渣，在720～780℃下合金化25～50min；

（3）浇铸制杆：将模具预热至200～220℃后保温，将步骤（2）所得铝液温度降至700～740℃，浇铸到模具内制得铝锭，经300℃～450℃恒温热挤压后制得尺寸为Φ10～60，80～400mm长的铝合金杆；

（4）拉丝：将步骤（3）制得铝合金杆进行拉丝得Φ2～3mm的单丝。

7.如权利要求6所述的非热处理型耐热铝合金单丝的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述合金元素的加入顺序为：B、Si、Fe、Cu、Mn、V、Ti、Cr元素在温度升至720～740℃时加入，并保温10min，Zr、Er、Gd元素在740～780℃范围加入，保温15～35min。

8.如权利要求6所述的非热处理型耐热铝合金单丝的制备方法，其特征在于步骤（3）中所述铝液的浇铸温度为740℃。

9.如权利要求6所述的非热处理型耐热铝合金单丝的制备方法，其特征在于所述模具预热至200～220℃，保温的时间为10～30min。

10.如权利要求6所述的非热处理型耐热铝合金单丝的制备方法，其特征在于所述步骤（1）中加入的合金元素为单质或中间合金。