CN109234577A

CN109234577A - 一种Al-Sc-B耐热合金单丝及其制备方法

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Publication number: CN109234577A
Application number: CN201811112311.1A
Authority: CN
Inventors: 陈保安; 祝志祥; 张强; 韩钰; 陈新; 潘学东; 丁; 丁一; 葛维春; 杨长龙; 黄旭; 张宏宇; 李悦悦; 陈川; 刘昕; 马光; 聂京凯; 程灵; 王广克; 赵蕊
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Global Energy Interconnection Research Institute; State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Shenyang Power Supply Co of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Global Energy Interconnection Research Institute; State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Shenyang Power Supply Co of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2019-01-18

Abstract

本发明提供了一种Al‑Sc‑B耐热合金单丝及其制备方法，合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：B：0.01～0.02％，Sc：0.1～0.3％，Si:≤0.06％，Fe:≤0.2％，(V+Ti+Cr+Mn)≤0.012％，其余为铝的含量和不可避免的其它微量杂质。该合金中加入微量合金元素，添加微量稀土Sc元素对合金进行改性并优化调整合金元素含量，保证了合金力学性能，提高了导电率，单丝导电率≥62.5％IACS(20℃)、抗拉强度≥171MPa、延伸率≥2.1％、230℃保温1h强度残存率≥93％、满足了长期运行温度为150℃的要求。

Description

一种Al-Sc-B耐热合金单丝及其制备方法

技术领域

本发明属于输电线路架空导线制造技术领域，具体讲涉及一种Al-Sc-B耐热合金单丝及其制备方法。

背景技术

合金材料架空导线的研究和应用已有进一个世纪的历程，由于其强度高、重量轻，并有较好的导电性能，1921年美国就开始采用铝合金材料作为导体。

现有的电网建设对架空输电导线的要求越来越高，远距离、大容量、大跨度的新型输电线路呈增长趋势。输电线路的高压化、远距离和大容量化对输电线路的耐热性和强度的要求越来越高，为了使铝合金导线在正常运行温度下长期运行过程中强度不降低，不增加导线弧垂，通常在电工纯铝中加入锆、钛等提高铝的再结晶温度从而提高铝合金导线的耐热性。但是锆、钛合金元素的加入虽然保证了耐热性，会引起铝合金导线导电率的降低。

现有技术中V、Ti、Cr含量较高，实际经验表明，对导电性的损害而言，每1％的Cr、Ti、Mn、V对其的损害是每1％Si的5倍。铝导体中的Ti、V、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。这种传导的电子数目的减少无疑导致了铝导体导电性的降低。

因此，需提供一种耐热性好，导电性能优异的合金。

发明内容

为克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种Al-Sc-B耐热合金单丝及其制备方法，通过加入微量Sc、B元素改善了合金的微观组织与综合性能，该合金导电率不低于62.5％IACS(20℃)、抗拉强度不低于171MPa、延伸率不低于2.1％、长期耐热温度≥150℃(230℃保温1h强度残存率≥90％)。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：

一种Al-Sc-B耐热合金单丝，所述合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：硼B：0.01～0.02％，钪Sc：0.1～0.3％，硅Si:≤0.06％，铁Fe:≤0.2％，(钒V+钛Ti+铬Cr+锰Mn)≤0.012％，其余为铝的含量和不可避免的微量杂质。

优选的，所述合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：B：0.02％，Sc：0.25％，Si:0.05％，Fe:0.11％，V+Ti+Cr+Mn 0.005％，余量为铝和不可避免的杂质。

优选的，所述合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：B：0.016％，Sc：0.21％，Si:0.008％，Fe:0.04％，V+Ti+Cr+Mn 0.009％，余量为铝和不可避免的杂质。

优选的，所述合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：B：0.012％，Sc：0.25％，Si:0.05％，Fe:0.2％，V+Ti+Cr+Mn 0.01％，余量为铝和不可避免的杂质。

一种制备上述任一项所述Al-Sc-B耐热合金单丝的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)于730～750℃下，向纯度≥99.7％的铝锭熔融物中加入所述合金元素；

(2)搅拌下于步骤1)的熔融物中710～730℃下喷吹氮气或氩气5～15min，扒渣或加入六氯乙烷730～750℃下保温静置10～20min，扒渣；

(3)700～720℃下将步骤2)得到的铝合金液浇入金属模具；520～530℃下入轧，经5道次轧制成φ9.5mm的合金圆杆；

(4)将步骤4)制得合金圆杆拉丝，得Φ3～4mm的单丝；

(5)将步骤5)制得的单丝在300～400℃下保温3～12h。

优选的，步骤1)中

按下述顺序加入所述合金元素：

铝锭完全熔化后加入Al-B中间合金硼化处理；

730～750℃加入Al-Sc中间合金完全熔化，搅拌10～15min和静置15～20min。

优选的，所述步骤2)中在730℃下，按铝液质量0.1％的比例加入除渣剂。

优选的，所述步骤2)中喷吹氮气或氩气并按铝液质量4％的比例加入精炼剂或喷吹六氯乙烷，喷吹35min，在740℃下保温静置40min；

所述精炼剂包括按重量份数计的氯化钾24；氯化钠35；氟化钙14；碳酸钠50；硫酸钠15；六氟铝酸钠12和六氯乙烷6。

优选的，所述步骤3)浇入金属模具，在700℃下，将步骤2)得到的合金液浇入结晶轮内得连铸坯，555℃下，以10m/min的出坯速度出坯。

优选的，所述步骤1)加入的合金元素为中间合金。

各合金元素的作用及机理如下：

硼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，即在铝合金中加入一定量的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。

钪Sc：本发明中加入稀土Sc可以显著提高铝合金的导电率、强度和耐热性。Sc添加可以起到细化晶粒的作用；通过热处理Sc与Al反应生成Al₃Sc沉淀相，从而提高合金强度；由于Al₃Sc相具有较好的高温稳定性，同时可保证合金的耐热性能。

硅Si：硅是工业铝中的主要杂质元素之一，Si可与Fe、Re等元素反应生成第二相，从而提高铝合金的力学性能。

铁Fe：铝中含有一定量的铁，是工业铝中的一种主要杂质。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。研究表明，铁可以提高铝导体强度，并不显著降低其导电性。但也有资料表明在实际生产中，铝导体中的Fe过高则会使其电阻率显著升高，所以也应该注意控制铁的含量。

V、Mn、Cr、Ti：这几种元素均为合金中的杂质元素，对铝合金的导电性能影响较大。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％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。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案的有益效果如下：

1、本发明提供的Al-Sc-B耐热合金单丝，合金中加入微量稀土Sc元素，通过热处理形成Al₃Sc相，该Al₃Sc相具有较好的高温稳定性，且Sc元素可使Fe、Si从固溶原子转变为第二相，减小了晶格畸变，在保证合金力学性能和耐热性能的基础上又提高了导电率，20℃下的单丝导电率≥62.5％IACS。

2、本发明提供的高导耐热合金单丝，控制合金中杂质元素含量，抗拉强度≥171MPa。

3、本发明提供的高导耐热合金单丝，控制合金中杂质元素含量，延伸率≥2.1％。

4、本发明提供的高导耐热合金单丝，控制合金中杂质元素含量，230℃保温1h强度残余率≥93％,满足长期运行温度为150℃的要求。

5、本发明提供的Al-Sc-B耐热合金单丝，采用连铸连轧，优化了连铸连轧的制备工艺参数。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细的说明。

实施例1

合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：

合金单丝的制备包括如下步骤：

1)冶炼:将纯度99.7％^①的铝锭熔后，在温度730℃^②加入Al-B中间合金，完全熔化后升温至735℃^③加入Al-Sc中间合金，完全熔化后搅拌10min^④，保温静置15min^⑤，得铝液；

2)精炼:搅拌且于730℃^⑥下的于步骤1)的铝液中按铝液质量0.2％的比例加入除渣剂，喷吹氮气^⑦按铝液质量3％的比例加入精炼剂，喷吹15min^⑧，730℃^⑨下保温静置20min^⑩，扒渣；精炼剂由氯化钠、氯化钾、氟硅酸钾、氟铝酸钠、轻质碳酸钠、氟化钙、六氯乙烷、硫酸钠、氟铝酸钾和石英砂组成；

3)连铸:下将步骤2)得到的铝合金液浇入结晶轮内得连铸坯，下以10m/min速度出坯；通过调节向铸坯喷水量的大小使连铸坯的温度为

4)连轧:将步骤3)得到的连铸坯送入热连轧机组，下入轧，经5道次轧制成φ9.5mm的铝合金圆杆；

5)拉丝:将步骤4)制得铝合金圆杆拉丝，得的单丝，下保温

表1按质量百分比计的本发明实施例2～9的合金组分：

表2本发明实施例2～9的工艺参数表

注：其中的含义见实施例1

表3本发明实施例所得单丝性能表

如上表所示，本发明提供的高导耐热单丝延伸率≥2.0％、导电率≥62.5％IACS，同时抗拉强度≥171MPa、230℃下保温1h的强度残余率≥93％，这说明本发明提供的高导耐热单丝可以满足长期在150℃下运行的要求。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种Al-Sc-B耐热合金单丝，其特征在于，所述合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：硼B：0.01～0.02％，钪Sc：0.1～0.3％，硅Si:≤0.06％，铁Fe:≤0.2％，(钒V+钛Ti+铬Cr+锰Mn)≤0.012％，其余为铝的含量和不可避免的微量杂质。

2.如权利要求1所述的一种Al-Sc-B耐热合金单丝，其特征在于：所述合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：B：0.02％，Sc：0.25％，Si:0.05％，Fe:0.11％，V+Ti+Cr+Mn：0.005％，余量为铝和不可避免的杂质。

3.如权利要求1所述的一种Al-Sc-B耐热合金单丝，其特征在于：所述合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：B：0.016％，Sc：0.21％，Si:0.008％，Fe:0.04％，V+Ti+Cr+Mn：0.009％，余量为铝和不可避免的杂质。

4.如权利要求1所述的一种Al-Sc-B耐热合金单丝，其特征在于：所述合金单丝由下述重量百分比的合金元素制成：B：0.012％，Sc：0.25％，Si:0.05％，Fe:0.2％，V+Ti+Cr+Mn：0.01％，余量为铝和不可避免的杂质。

5.一种制备如权利要求1～4任一项所述Al-Sc-B耐热合金单丝的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

(4)将步骤4)制得合金圆杆拉丝，得Φ3～4mm的单丝；

(5)将步骤5)制得的单丝在300～400℃下保温3～12h。

6.如权利要求5所述的一种Al-Sc-B耐热合金单丝的制备方法，其特征在于：步骤1)中按下述顺序加入所述合金元素：

铝锭完全熔化后加入Al-B中间合金硼化处理；

7.如权利要求5所述的一种Al-Sc-B耐热合金单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中在730℃下，按铝液质量0.1％的比例加入除渣剂。

8.如权利要求5所述的一种Al-Sc-B耐热合金单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中喷吹氮气或氩气并按铝液质量4％的比例加入精炼剂或喷吹六氯乙烷，喷吹5min，在740℃下保温静置20min；

所述精炼剂包括按重量份数计的氯化钾24；氯化钠35；氟化钙14；碳酸钠50；硫酸钠₄15；六氟铝酸钠12和六氯乙烷6。

9.如权利要求5所述的一种Al-Sc-B耐热合金单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤3)浇入金属模具，在700℃下，将步骤2)得到的合金液浇入结晶轮内得连铸坯，555℃下，以10m/min的出坯速度出坯。

10.如权利要求5所述的一种Al-Sc-B耐热合金单丝的制备方法，其特征在于：所述步骤1)加入的合金元素为中间合金。