CN104975211B - 一种高导电率热处理型中强铝合金导电单丝 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高导电率热处理型中强铝合金导电单丝，属于电力行业输电线路架空导线技术领域。本发明提供的高导电率热处理型中强铝合金导电单丝，解决现有导电率低、输电线损大的技术难题。通过控制B、Mg、Si、Cu微合金化元素的含量及热处理工艺来调整合金的微观组织，从而开发出具有导电率≥59.2％IACS(20℃)，抗拉强度≥240MPa，延伸率≥4.0％的中强铝合金单丝。

Description

一种高导电率热处理型中强铝合金导电单丝

【技术领域】

本发明涉及一种电力行业输电线路用架空导线，具体讲涉及一种高导电率热处理型中强铝合金导电单丝。

【背景技术】

铺设电网线路时需要综合考虑杆塔、基础、绝缘子和金具造价以及导线架设和其工地运输费用。利用中强全铝合金导线代替钢芯铝导线时能够实现降低年耗电，从而节约了5％～8％的线路本体造价，且因平均档距增大，减少了杆塔用量，使得每公里塔材指标约降低15％，进一步节约了走廊面积。与高强全铝合金导线(导电率52.5～53％IACS)比，中强全铝合金导线具有更高的导电率(≥58.5％IACS)，更低的线损率，同时因其导线张力大，耐张塔质量大使得中强全铝合金导线在制造、设计、施工及运行等方面更具有优势，更适用于山地大高差、大档距等特殊地形和耐张塔比例少的线路。

近年来对中强全铝合金导线也开展了大量研究，但中强全铝合金导线产品仍然存在生产工艺复杂，成本高，且产品导电率较低(主要处于58.5％IACS水平)等问题。因此，在保证力学性能的前提下，如何提高现有中强全铝合金导线的导电率，减少输电线损的同时降低生产成本成为目前中强全铝合金导线最为迫切的技术需求。

基于以上研究及应用背景，需提供一种高导电率中强铝合金导线的合金成分与制备工艺，以获得高导电率中强铝合金导体材料。

【发明内容】

本发明目的在于开发出一种电力行业中架空导线用的高导电率热处理型中强铝合金导电单丝，以解决常规58.5％IACS中强铝合金导线导电率低、输电线损大的技术难题。本发明提供的技术方案通过控制B、Mg、Si、Cu微合金化元素的含量及热处理工艺来调整合金的微观组织，从而开发出具有导电率≥59.2％IACS(20℃)，抗拉强度≥240MPa，延伸率≥4.0％的中强铝合金单丝。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种高导电率热处理型中强铝合金导电单丝，由按质量百分比计的下述成分组成：

B：0.002～0.03％，Si：0.1～0.40％，Mg：0.2～0.5％，Cu：0.03～0.05％，Fe：0.01～0.15％，Cr+Mn+V+Ti≤0.01％，余量为铝和不可避免的微量杂质。

本发明提供的高导电率热处理型中强铝合金导电单丝，由按质量百分比计的下述成分组成：

B：0.02～0.03％，Si：0.2～0.25％，Mg：0.3～0.4％，Cu：0.03～0.05％，Fe：0.11～0.14％，(Cr+Mn+V+Ti)：0.007～0.009，余量为铝和不可避免的微量杂质。

本发明还提供了一种高导电率热处理型中强铝合金导电单丝的制备方法，包括下述步骤：

1)冶炼：于730～750℃下的铝熔融物中加入按质量百分比计的Al-B、Al-Si合金、Mg和Al-Cu合金，Fe：0.01～015％，Cr+Mn+V+Ti≤0.01％；

2)精炼：于720～730℃下加入精炼剂搅拌15min后静置40min，扒渣；

3)浇铸：于700～720℃下将步骤2)制得的铝合金液浇于预热铸模具内，得尺寸为22×22×380mm的铝合金锭；

4)制杆：将步骤3)制得的铝合金锭于520℃～530℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；

5)时效：将步骤4)制得的铝合金圆杆在185～195℃下时效6～8h后空冷至室温；

6)拉丝：以10～15m/s的速率、6～10％的变形量，对步骤5)得到的铝合金圆杆进行拉丝，得直径为3.6～3.99mm的铝合金单丝。

本发明提供的制备方法步骤3)中的模具为紫铜模具。

本发明提供的制备方法步骤3)中的模具的预热温度为150～200℃。

本发明提供的制备方法步骤6)中的拉丝温度为30～50℃。

本发明提供的制备方法步骤1)中加入Al-B合金后升温至750℃加入Al-Si合金、Mg和Al-Cu合金。

本发明提供的高导电率热处理型中强铝合金导电单丝的导电率≥59.2％IACS，抗拉强度≥240MPa，延伸率≥4.0％。

各合金元素的作用及机理如下：

Si：硅是铝合金的最普通的合金元素之一，0.1～0.40％的Si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，由于其在合金中能形成一些化合物，使合金成为可热处理强化的。但随着Si含量升高，铝基体中游离Si数量增加，Si是半导体，较铝基体的电阻率高得多，因此Si含量的提高减少铝基体的有效导电截面积，降低合金的电导率。

Mg：镁对铝的强化是明显的，每增加1％镁，抗拉强度大约升高瞻远34MPa。本发明中加入0.2～0.5％的Mg：在Al-Mg-Si系合金中镁和硅会形成Mg₂Si强化相，对合金起到强化作用；同时，Mg₂Si强化相也会对合金的导电性能产生一定的影响。通常，当Mg含量较低时，合金的电导率较高而强度较低，但镁过量且经热处理使Mg₂Si充分沉淀时，合金也有高的电导率。

Cu：铝合金中添加0.03～0.05％的铜可以提高铝合金的抗拉强度及其延伸率，易于拉制加工。Cu元素加入后与Al、Fe生成的Cu₂FeAl₇、CuAl₂增加了熔体中的结晶核心，材料结晶后的铸态组织得到细化，且经时效处理后硬质相粒子Cu₂FeAl₇、CuAl₂呈弥散分布于组织中，进一步阻碍晶界移动、钉扎位错运动，强烈的弥散强化作用使材料的抗拉强度、延伸率提高明显。

Fe：是纯铝中的一种主要杂质，本发明中Fe的含量控制在0.01～0.15％。因为熔炼与铸造使用的工具都是钢的或铸铁的，铁就会由这些工具带入铝中，而且在重熔废料时，则可混入铁与铁屑。铁对铸造铝的力学性能是有害的，因为其通常以粗大的一次晶体出现，或以Al-Fe-Si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。铁可以提高铝导体强度，并不显著降低其导电性。

B：在众多的影响因素中，化学成分是影响铝导体电导率最基本的因素，因此降低杂质元素对电导率的影响是提高铝导体电导率的关键之举。杂质元素如果以固溶状态存在，对导电性能的影响更大。硼化处理是降低杂质含量的一种有效方法，在铝合金中加入0.01～0.03％的B元素后，能够和过渡族杂质元素Cr、Mn、V、Ti等发生反应，使之由固溶态转变为化合态并沉积于熔体底部，从而提高铝合金的导电性能。

V、Mn、Cr、Ti：这几种元素均为合金中的杂质元素。铝导体中的Ti、V、Mn、Cr等杂质元素在固溶态存在时，很容易吸收导体材料内的自由电子而填充它们不完整的电子层。这种传导电子数目的减少导致了铝导体导电性的降低。研究表明，每1％(Cr+Ti+Mn+V)的有害作用为每1％Si对铝导电性有害作用的5倍。由此本发明严格控制这几种元素的含量Cr+Mn+V+Ti≤0.01％。

本发明还提供了一种高导电率热处理型中强铝合金导电单丝的制备方法，其步骤为：

1)冶炼：选取纯度≥99.7％的工业纯铝锭加入熔炼炉中，熔化温度为730～750℃；待纯铝完全熔化后于730～750℃下加入Al-B、Al-Si中间合金、金属Mg和Al-Cu中间合金；

2)精炼：采用搅拌机对铝合金液进行充分搅拌，于720～730℃下加入精炼剂对铝合金液进行除氢、除渣精炼，15min后静置40min扒渣；

3)浇铸：于700～720℃下将步骤2)制得的铝合金液浇于紫铜质铸模具内，模具预先放入箱式炉内加热至150～200℃，浇铸制得尺寸为22×22×380mm的铝合金锭；

4)制杆：将步骤3)制得的铝合金锭于520℃～530℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；

5)时效：将步骤4)制得的铝合金圆杆在箱式炉中时效6～8h，时效温度185～195℃，时效结束后空冷至室温；

6)拉丝：以10～15m/s的速率、6～10％的变形量，用拉丝机将步骤5)时效后的铝合金圆杆进行拉丝，拉丝温度控制在30～50℃，制得直径为3.6～3.99mm的铝合金单丝。

本发明提供的制备方法中加入Al-B中间合金静置30min扒渣后，再加入Al-Si中间合金、金属Mg(纯度＞99.95％)和Al-Cu中间合金。

本发明提供的制法步骤1)中，待工业纯铝锭熔化后在730～750℃下加入Al-B中间合金静置30min后扒渣，升温至750℃加入Al-Si中间合金、金属Mg和Al-Cu中间合金。

本发明提供的高导电率热处理型中强铝合金导电单丝的导电率≥59.2％IACS，抗拉强度≥240MPa，延伸率≥4.0％。

其工艺特点在于：先进行冶炼，当工业纯铝锭完全熔化后依次放入Al-B、Al-Si中间合金、金属Mg和Al-Cu中间合金，合金化温度为730～750℃；使用搅拌机对铝液进行搅拌，使合金元素充分均匀化；采用精炼剂对铝液进行除氢、除渣精炼，静置30min后进行扒渣及铝合金液浇铸，采用经150～200℃预热后的紫铜材质模具浇铸成22×22×380mm的铝合金锭；采用热轧的方式将铝合金锭压制成Ф9.5mm的圆杆，采用箱式炉在185～195℃对圆杆时效6～8h以调控合金中Mg₂Si及Cu₂FeAl₇、CuAl₂等相的析出与分布；以10～15m/s的速度在拉丝机上拉丝，拉丝温度控制在30～50℃，通过多套配模(金刚石模具)，经多道次拉制，最终制得3.6～3.99mm的铝合金单丝。

本发明由于在Al-Mg-Si合金中添加了微量B及Cu元素，通过热轧后时效处理，且控制拉丝温度，在提高铝合金强度的同时也保证了铝合金的导电率，由此制备出的架空导线用中强铝合金单丝材料的导电率≥59.2％IACS，抗拉强度≥240MPa，延伸≥4.0％的架空导线用高导电率中强铝合金单丝材料。

【具体实施方式】

所有实施方式都是采用现有的冶炼及轧制设备，按照本发明提供的制备步骤进行。

实施例1

高导电率热处理型中强铝合金导电单丝的组分及其质量百分比为：

在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素B、Si、Cu以Al-B、Al-Si、Al-Cu中间合金的形式加入，合金元素Mg以纯金属Mg形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.60mm，导电率为59.26％IACS，抗拉强度为245.2MPa，延伸率为4.4％。

实施例2

高导电率热处理型中强铝合金导电单丝的组分及其质量百分比为：

在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素B、Si、Cu以Al-B、Al-Si、Al-Cu中间合金的形式加入，合金元素Mg以纯金属Mg形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.60mm，导电率为59.42％IACS，抗拉强度为248.4MPa，延伸率为4.2％。

实施例3

高导电率热处理型中强铝合金导电单丝的组分及其质量百分比为：

在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素B、Si、Cu以Al-B、Al-Si、Al-Cu中间合金的形式加入，合金元素Mg以纯金属Mg形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.84mm，导电率为59.49％IACS，抗拉强度为246.3MPa，延伸率为4.5％。

实施例4

高导电率热处理型中强铝合金导电单丝的组分及其质量百分比为：

在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素B、Si、Cu以Al-B、Al-Si、Al-Cu中间合金的形式加入，合金元素Mg以纯金属Mg形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.84mm，导电率为59.36％IACS，抗拉强度为249.6MPa，延伸率为4.6％。

实施例5

高导电率热处理型中强铝合金导电单丝的组分及其质量百分比为：

在纯度为99.7％的工业纯铝锭中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素B、Si、Cu以Al-B、Al-Si、Al-Cu中间合金的形式加入，合金元素Mg以纯金属Mg形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.84mm，导电率为59.34％IACS，抗拉强度为250.0MPa，延伸率为4.8％。

表1 实施例制备的铝合金成分表(wt％)

组别	B	Mg	Si	Cu	Fe	Cr+Mn+V+Ti
							实施例1	0.02	0.393	0.216	0.04	0.116	0.007
实施例2	0.02	0.396	0.228	0.03	0.135	0.008
							实施例3	0.03	0.408	0.240	0.03	0.114	0.01
实施例4	0.02	0.359	0.221	0.05	0.12	0.009
							实施例5	0.02	0.363	0.224	0.05	0.124	0.008

表2 实施例及对比例制备的铝合金的性能测试结果

组别	直径(mm)	导电率(％IACS)	拉伸强度(MPa)	延伸率
					实施例1	3.60	59.26	245.2	4.4％
实施例2	3.60	59.42	248.4	4.2％
					实施例3	3.84	59.49	246.3	4.5％
实施例4	3.84	59.36	249.6	4.6％
					实施例5	3.84	59.34	250.0	4.8％

表2的数据表明，本发明技术方案提供的中强铝合金单丝材料从综合性能上有明显的优势，特别是导电率达到59.2％IACS以上，且抗拉强度≥240MPa，延伸率≥64.0％。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高导电率热处理型中强铝合金导电单丝，所述铝合金导电单丝由按质量百分比计的下述成分组成：

B：0.02～0.03％，Si：0.2～0.25％，Mg：0.3～0.4％，Cu：0.03～0.05％，Fe：0.11～0.14％，Cr+Mn+V+Ti：0.007～0.009，余量为铝和不可避免的杂质。

所述的高导电率热处理型中强铝合金导电单丝的制备方法包括下述步骤：

1)冶炼：于730～750℃下的铝熔融物中加入按质量百分比计的Al-B、Al-Si合金、Mg和Al-Cu合金，Fe：0.01～015％，Cr+Mn+V+Ti≤0.01％；

2)精炼：于720～730℃下加入精炼剂搅拌15min后静置40min，扒渣；

3)浇铸：于700～720℃下将步骤2)制得的铝合金液浇于预热铸模具内，得尺寸为22×22×380mm的铝合金锭；

4)制杆：将步骤3)制得的铝合金锭于520℃～530℃下保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金圆杆；

5)时效：将步骤4)制得的铝合金圆杆在185～195℃下时效6～8h后空冷至室温；

6)拉丝：以10～15m/s的速率、6～10％的变形量，对步骤5)得到的铝合金圆杆进行拉丝，得直径为3.6～3.99mm的铝合金单丝。

2.如权利要求1所述的一种高导电率热处理型中强铝合金导电单丝，其特征在于步骤3)中所述的模具为紫铜模具。

3.如权利要求1所述的一种高导电率热处理型中强铝合金导电单丝，其特征在于步骤3)中所述模具的预热温度为150～200℃。

4.如权利要求1所述的一种高导电率热处理型中强铝合金导电单丝，其特征在于步骤6)中所述的拉丝温度为30～50℃。

5.如权利要求1所述的一种高导电率热处理型中强铝合金导电单丝，其特征在于所述步骤1)中加入Al-B合金后升温至750℃加入Al-Si合金、Mg和Al-Cu合金。

6.如权利要求1所述的高导电率热处理型中强铝合金导电单丝，其特征在于所述中强铝合金单丝的导电率≥59.2％IACS，抗拉强度≥240MPa，延伸率≥4.0％。