CN115216712A - 一种含高强度耐拉伸合金材料的电力金具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米碳合金材料及基于该材料制备的电力金具，所述纳米碳合金材料成分及质量百分比为：Si0.5～1.0％，Mg0.2～0.8％，碳纳米管与碳纤维的混合物2～3％，Cu0.15～0.4％，Fe0.2～0.7％，Cr0.1～0.3％，余量为Al，控制微量元素含量Mn＜0.1％，Zn＜0.05％，Ti＜0.05％，Ga＜0.05％，Ni＜0.001％。本发明提供的纳米碳合金材料在生产工艺、产品性能、节能环保等方面具有很大优势，可替代传统铁制金具进行广泛使用，且比常规铝合金强度更高，更能满足线路安全稳定性能需求，采用纳米碳合金制备电力金具，可以减小金具尺寸和减轻重量，降低电力金具制造成本，促进电力金具产品技术升级。
Description
技术领域
本发明属于电力用金具的制备及应用领域，具体涉及一种含高强度耐拉伸合金材料的电力金具及其制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
电力金具是连接组合电力系统的很重要的一部分，指架构电力传送系统的各种金属附件，包含以下几类：悬吊金具，也叫支持金具、悬吊线夹；连接金具，又称挂线零件；防护金具；固定金具，也叫电厂金具、大电流母线金具；接触金具；接续金具；锚固金具，也叫紧固金具、耐线线夹。
碗头挂板作为电网建设中重要的连接金具，主要用于连接悬垂线夹与绝缘子串，与其他配件配合起到连接导线和绝缘的作用。通过对国内各大输电线路的故障分析可知，输电线路的瘫痪主要是由于电力金具存在不同程度的磨损与断裂，因此需要对电力金具进行强度分析以及结构的改进优化。
现有电力金具一般主要是铝材料或铁材料，但是铝制的电力金具强度比较低；而铁质电力金具虽然强度高，但铁材料重量较大。所以不论是铝材料还是铁材料，制成的电力金具较为笨重，安装运输不便，使用以上材料制备的金具有很大局限性，已经不能适应电网现代化建设的需要，因此需要研发一种新型、耐拉伸、强度高的电力金具用材料。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的不足之处，提供了一种新型、耐拉伸、强度高的纳米碳合金材料以及基于该合金材料制备的电力金具：
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种高强度耐拉伸合金材料：其成分及质量百分比为：碳纳米管与碳纤维的混合物2～3％，Si 0.5～1.0％，Cu 0.15～0.4％，Fe 0.2～0.7％，Cr 0.1～0.3％，余量为Al，控制微量元素含量Mn＜0.1％，Zn＜0.05％，Ti＜0.05％，Ga＜0.05％，Ni＜0.001％。
本发明的第二个方面，提供了一种高强度耐拉伸合金材料的制备方法：将铝锭置于中频感应炉中，加热至熔化后添加中间合金(Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Cr中间合金)并搅拌均匀，然后用钟罩将纯Mg块压入铝液底部充分熔化，再添加碳纳米管与碳纤维的混合物，并充分搅拌，最后用结晶器浇铸得到合金材料。
本发明的第三个方面，一种含高强度耐拉伸合金材料的电力金具。
本发明的第四个方面，一种含高强度耐拉伸合金材料的电力金具的制备方法：首先，将纳米碳合金材料进行热挤压，挤压温度400～480℃，得到棒材；其次，将所得棒材加热至400℃后进行锻压、切边、机加工，随后热处理，最后进行表面抛丸处理得到电力金具。
本发明的第五个方面，提供了一种提供了一种含高强度耐拉伸合金材料或由该材料制备成的电力金具在电力系统中的应用。
本发明的有益效果在于：
碳纳米管与碳纤维具有优良的本征特性，如耐热、耐腐蚀、耐热冲击、传热和导电性好、本征阻尼高、有自润滑性等一系列综合性能，C-C共价键稳定，理论计算表明，碳纳米管与碳纤维具有极高的强度和极大的韧性。由于碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小，使得结构中的缺陷不易存在，其刚度远远大于钢，而密度却大大低于钢。因此，碳纳米管与碳纤维将在复合材料中有十分广阔的应用前景。将碳纳米管与碳纤维加入合金基体中制备的碳合金较传统合金强度更高。
本发明提供的高强度耐拉伸合金材料较传统的电力金具材料采用碳纳米管与碳纤维的混合物制备电力金具，比常规铝合金强度更高，重量更轻，尺寸也更小，更能满足电力系统线路安全的需求，在生产工艺、产品性能、节能环保等方面具有较大优势，工艺简单，环保节能，维护修复简单可行，不需要苛刻的条件，适合大规模工业化生产。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
制备合金材料：
将铝锭置于中频感应炉中，加热至熔化后添加合金混合物(Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Cr中间合金)并搅拌均匀，再添加碳纳米管与碳纤维的混合物，充分搅拌，再用结晶器浇铸得到纳米碳合金材料。
按上述方案，步骤2)结晶器浇铸过程设置结晶器台面温度为660～740℃。
本发明还包括根据上述合金材料制备得到的电力金具碗头挂板。
上述电力金具的制备方法包括以下步骤：
1)将合金材料进行热挤压，挤压温度400～500℃，得到棒材；
2)将步骤1)所得棒材加热至400℃后进行锻压、切边、机加工，随后热处理，最后进行表面抛丸处理得到电力金具。
按上述方案，步骤2)所述热处理工艺条件为：加热至500℃固溶1～8h，水淬，随后于200℃保温12h并空冷。
实施例1
制备一种纳米碳合金材料的碗头挂板电力金具，具体步骤如下：
1)以Al-Si中间合金(Si占比12％)、Al-Cu中间合金(Cu占比50％)、Al-Fe中间合金(Fe占比18％)、Al-Cr中间合金(Cr占比2％)、碳纳米管与碳纤维的混合物、铝锭为原料，按以下元素质量比称取原料：碳纳米管与碳纤维的混合物2～3％，Si 0.5％，Cu 0.15％，Fe0.25％，Cr 0.15％，余量为Al，控制微量元素Mn＜0.1％，Zn＜0.05％，Ti＜0.05％，Ga＜0.05％，Ni＜0.001％，将铝加热熔化后添加中间合金搅拌均匀，再添加碳纳米管和碳纤维，随后机械搅拌25min，再用结晶器浇铸得到直径248mm的合金材料前驱体，结晶器台面温度为660～740℃；
2)将步骤1)所得合金材料前驱体进行热挤压，挤压温度450℃，将合金材料前驱体挤成直径50mm的棍材；
3)将步骤2)所得棍材加热至400℃，随后进行锻压、切边、机械加工，再在520℃固溶5h，水淬，随后175℃保温12h空冷，最后进行表面抛丸处理得到碗头挂板。对本实施例制备的碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例2
制备一种新型合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，区别在于仅添加碳纳米纤维，而不添加碳纳米。对本实施例制备的碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
实施例3
制备一种新型合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，区别在于仅添加碳纳米管，而不添加碳纳米。对本实施例制备的碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
对比例1
制备一种新型合金材料的碗头挂板电力金具，制备方法与实施例1相似，区别在于不添加碳纳米管和碳纳米。对本对比例制备的碗头挂板进行性能测试，测试结果见表1。
表1
| 性能 | 拉断力/KN | 等效抗拉强度/MPa |
| 实施例1 | 111.7 | 433 |
| 实施例2 | 103.8 | 406 |
| 实施例3 | 103.1 | 398 |
| 对比例1 | 94.8 | 390 |
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种高强度耐拉伸合金材料的电力金具，其特征在于，其成分为：碳纳米管、Si、Cu、Fe、Cr，余量为Al，微量元素为Mn、Zn、Ti、Ga、Ni。
2.如权利要求1所述一种高强度耐拉伸合金材料的电力金具，其特征在于，其成分的质量百分比为：碳纳米管和碳纤维0.5～2.5％，Si 0.5～1.0％，Cu 0.15～0.4％，Fe 0.2～0.7％，Cr 0.1～0.3％，余量为Al，控制微量元素含量Mn＜0.1％，Zn＜0.05％，Ti＜0.05％，Ga＜0.05％，Ni＜0.001％。
3.用于权利要求1所述电力金具的高强度耐拉伸合金材料，其特征在于，其成分为：碳纳米管、Si、Cu、Fe、Cr，余量为Al，微量元素为Mn、Zn、Ti、Ga、Ni。
4.如权利要求3所述的高强度耐拉伸合金材料，其特征在于，其成分及质量百分比为：碳纳米管0.5～2.5％，Si 0.5～1.0％，Cu 0.15～0.4％，Fe 0.2～0.7％，Cr 0.1～0.3％，余量为Al，控制微量元素含量Mn＜0.1％，Zn＜0.05％，Ti＜0.05％，Ga＜0.05％，Ni＜0.001％。
5.权利要求3或4所述的高强度耐拉伸合金材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
1)配料：以Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Cr中间合金、碳纳米管、铝为原料，按元素比例配料备用；
2)制备纳米碳合金材料：将铝加热至熔化后添加中间合金并搅拌均匀，再添加碳纳米管和碳纤维，随后充分搅拌，得到合金材料前驱体，再用结晶器浇铸得到合金材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)结晶器浇铸过程设置结晶器台面温度为660～740℃。
7.根据权利要求1所述的电力金具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将合金材料前驱体进行热挤压，挤压温度400～480℃，得到棍材；
2)将步骤1)所得棍材加热至380～450℃后进行锻压、切边、机加工，随后热处理，最后进行表面抛丸处理得到电力金具。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于步骤2)所述热处理工艺条件为：加热至480～560℃固溶1～8h，水淬，随后于160～220℃保温8～20h并空冷。
9.权利要求1-2任一项所述的电力金具或权利要求7所述制备方法制备得到的电力金具在电力系统领域中的应用。
10.权利要求3-4所述的高强度耐拉伸合金材料或权利要求5所述制备方法制备得到的高强度耐拉伸合金材料在电力系统领域中的应用。
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