專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高導(dǎo)電率中強(qiáng)耐熱鋁合金單絲及其制備方法
一種高導(dǎo)電率中強(qiáng)耐熱鋁合金單絲及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力行業(yè)輸電線路架空導(dǎo)線技術(shù)領(lǐng)域，具體講涉及一種高導(dǎo)電率中強(qiáng)耐熱鋁合金單絲及其制備方法。背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，架空輸電線路采用的鋼芯鋁絞線由于耐熱性的限制，而多使用耐熱鋁合金導(dǎo)線。為了在正常運(yùn)行溫度下長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中不降低強(qiáng)度，不增加導(dǎo)線弧垂明顯，通常在電工純鋁中加入微量合金元素如鋯、鈦等提高鋁的再結(jié)晶溫度來(lái)提高鋁的耐熱性，但鋯、 鈦合金元素的加入雖然保證了耐熱性，但卻引起鋁導(dǎo)線導(dǎo)電率的降低。早期開(kāi)發(fā)的耐熱鋁合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率較低，進(jìn)一步通過(guò)加入稀土元素和硼元素控制雜質(zhì)元素的存在形態(tài)使耐熱鋁合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率提高至60% IACS。申請(qǐng)?zhí)枮?01210189763. 6、名稱(chēng)為高強(qiáng)高導(dǎo)耐熱鋁合金導(dǎo)線及其制備方法中公開(kāi)了一種由Zr :0. 15 O. 60%，La :0. 03 O. 30%，Ce : O. 03 O. 30%, Y 0. 01 O. 30%, Fe 0. 05 O. 20%, Si 0. 01 O. 10%，其他雜質(zhì)元素含量< O. 10%，其余為鋁的高強(qiáng)高導(dǎo)耐熱鋁合金導(dǎo)線，其制備方法為配制原材料放入熔煉爐中、升溫除氣熔煉、造渣、除渣、連鑄連軋成耐熱鋁合金桿材、熱處理、拉絲機(jī)拉制成耐熱鋁合金單線。制得的熱鋁合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度達(dá)到160MPa，導(dǎo)電率可達(dá)到61% IACS以上，長(zhǎng)期運(yùn)行溫度可達(dá)到180°C，且經(jīng)得起280°C下加熱I小時(shí)考核運(yùn)行，強(qiáng)度殘存率大于 90%。但上述申請(qǐng)的制備過(guò)程中，所制備的鋁合金絲或?qū)Ь€的導(dǎo)電率低、抗拉強(qiáng)度低，并且制備過(guò)程中所需的加熱溫度高且需要熱處理，生產(chǎn)成本較·高。
基于以上研究及應(yīng)用背景，我國(guó)亟需研發(fā)高導(dǎo)電耐熱鋁合金導(dǎo)線以適應(yīng)我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展需要，本發(fā)明采用微合金化，控制多種合金元素含量，并采用稀土改性，制造具有導(dǎo)電率61% IACS的耐熱鋁合金單絲，并取消熱處理工藝以降低成本，為制備高導(dǎo)電耐熱鋁合金導(dǎo)線提供原料基礎(chǔ)，使耐熱鋁合金導(dǎo)線達(dá)到提高輸送容量、降低輸電線路損耗的目的， 從而滿(mǎn)足大容量輸電線路及城市擴(kuò)容改造的建設(shè)需求。
發(fā)明內(nèi)容
為克服上述問(wèn)題，本發(fā)明采用微合金化，控制多種合金元素含量，并采用稀土改性，制造具有導(dǎo)電率彡61% IACS、抗拉強(qiáng)度大于180MPa，耐熱溫度彡120°C (180°C條件下保溫I小時(shí)剩余強(qiáng)度> 90%)的耐熱鋁合金單絲，并取消熱處理工藝以降低成本，為制備高導(dǎo)電耐熱鋁合金導(dǎo)線提供原料基礎(chǔ)，使耐熱鋁合金導(dǎo)線達(dá)到提高輸送容量、降低輸電線路損耗的目的，從而滿(mǎn)足大容量輸電線路及城市擴(kuò)容改造的建設(shè)需求。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種高導(dǎo)中強(qiáng)耐熱鋁合金單絲，由下述重量百分比的元素組成Zr 0. 01 O. 1%，B :0. 01 O. 2%，Si 0. 01 O. 2%，F(xiàn)e 0. 05 O. 3%，Mn :0· 2 O. 5%，Er 0. 01 O.15%和/或Y :0. 01 O. 15%，還含有V、T1、Cr中任意2種或3種元素，其余為Al和不可避免的微量雜質(zhì)；
所述V 0.1 O. 15%, Ti 0. 01 O. 05%, Cr 0.1 O. 15%。
本發(fā)明的一種高導(dǎo)中強(qiáng)耐熱鋁合金單絲，其中，Er和Y的含量之和彡0.25%。
本發(fā)明的一種高導(dǎo)中強(qiáng)耐熱鋁合金單絲，其中，V、T1、Cr中任意2種或3種元素的含量之和< O. 3%。
一種制備本發(fā)明鋁合金單絲的方法，包括下述步驟
I)冶煉選取純度> 99. 8%的鋁錠熔化后，在720 780°C下按順序加入所述合金元素，得鋁液；
2)合金化攪拌上述鋁液，除氫、除渣，在720 780°C下合金化25 50min ；
3)澆鑄制桿將模具預(yù)熱至200 220°C后保溫，將步驟2)所得鋁液澆鑄到模具內(nèi)制得鋁錠，經(jīng)熱擠壓后制得尺寸為Φ10 60，80 200mm長(zhǎng)的鋁合金桿；
4)拉絲將步驟3)制得鋁合金桿進(jìn)行拉絲得Φ2 3mm的單絲。
本發(fā)明提供的方法，其中，步驟3)中所述鋁液的澆鑄溫度在740°C。
本發(fā)明提供的方法，其中，模具預(yù)熱保溫的時(shí)間為10 30min。
本發(fā)明提供的方法，其特征在于所述步驟I)中加入的合金元素為單質(zhì)或中間合金。
本發(fā)明提供的方法，其中，合金元素的加入順序?yàn)樽詈蠹尤隯r、Er和/或Y。
本發(fā)明提供的方法，其中，最后加入的Zr、Er、Y合金元素的加入溫度為740 780。。。
本發(fā)明提供的制備方法中，當(dāng)純鋁錠完全熔化后依次放入各合金元素，其中Zr、 Er、Y元素由于熔點(diǎn)較高，待鋁液溫度升至740°C以上時(shí)再依次放入，待爐溫升至780°C，保溫15 35min。采用鋁液精煉劑對(duì)鋁液進(jìn)行除氫、除渣進(jìn)行精煉，并使用攪拌機(jī)對(duì)鋁液進(jìn)行攪拌，使合金元素充分均勻化，合金化溫度為720 780 V，保溫25 50min。對(duì)模具進(jìn)行加熱，防止模具溫度與鋁液溫度相差過(guò)大引起鋁液澆鑄過(guò)程中引起縮孔，模具加熱至200 220°C保溫l(T30min，然后進(jìn)行鋁液澆鑄，澆鑄成Φ60 150mm，長(zhǎng)20 80mm的鋁錠。采用熱擠壓的方式將其擠成Φ10 60mm的圓鋁桿，然后進(jìn)行 拉絲。以15m/s的速度在拉絲機(jī)上冷拉絲，通過(guò)多套配模(金剛石模具)，多道次拉制，每次變形量為10% 15%，最終獲得Φ2 3mm的單絲。
本發(fā)明采用的鋁合金單絲中Zr :鋯原子半徑比鋁原子半徑略大，鋯在鋁中以置換方式進(jìn)行擴(kuò)散，其擴(kuò)散激活能高，向亞結(jié)晶晶粒邊界析出細(xì)微的Al3Zr相，它不易聚集長(zhǎng)大， 穩(wěn)定性高，能防止再結(jié)晶的產(chǎn)生，在較高的溫度下仍可有效的釘扎位錯(cuò)與晶界，阻礙變形與晶內(nèi)及晶界滑移，使蠕變抗力得以提高，從而使鋁合金的耐熱性能得到了改善。同時(shí)，鋯的加入可以改善鋁合金的抗蠕變性能，使鋁合金在高溫下也只有很小的蠕變伸長(zhǎng)，因此，能夠使架空輸電線在輸電塔桿之間的間距增大，并且保持鋁合金導(dǎo)線較小的懸垂度；
S1:硅是鋁中含量?jī)H次于鐵的雜質(zhì)元素，能提高鋁合金的鑄造性能及焊接流動(dòng)性， 還能使鋁合金有較高的力學(xué)性能；
Fe :是工業(yè)純鋁中的占支配地位的一種雜質(zhì)，而且也是高純鋁中的一種主要雜質(zhì)。 通常以粗大的一次晶體出現(xiàn)，或以鋁-鐵-硅化合物形式存在，它們一定程度上都 提高了鋁的硬度，但使鋁的塑性降低。盡管有資料表明在實(shí)際生產(chǎn)中，鋁導(dǎo)體中的Fe/Si比應(yīng)為1.3 1. 5，但在本發(fā)明中顯示超出該范圍時(shí)并不顯著降低其導(dǎo)電性；
V、Mn、Cr、T1:這幾種元素均具有細(xì)化晶粒，提高鋁合金室溫抗拉強(qiáng)度及改善耐熱性的效果，然而每(I % Cr+Ti+Mn+V)的有害作用為每I %硅對(duì)鋁導(dǎo)電性有害作用的5倍。由此可以看出嚴(yán)格控制這幾種元素的含量對(duì)保證鋁導(dǎo)體的質(zhì)量具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義；
Er,Y :添加Er和Y可以和Fe、Si元素反應(yīng)生成細(xì)小彌散的化合物，一方面由于Al 中的Fe、Si被置換出來(lái)，使Fe、Si析出，降低了電阻率；另一方面由于析出相細(xì)小均勻的分布，可以起到細(xì)化晶粒的作用，保證鋁桿延伸率較高的同時(shí)，提高鋁合金的強(qiáng)度；
B :在鋁導(dǎo)體加入適量的Zr能明顯改善合金的耐熱性能，但是Zr的加入也會(huì)對(duì)合金的導(dǎo)電性產(chǎn)生負(fù)面影響，有研究表明在含Zr的鋁合金中加入適量的B，能在保證合金耐熱性的前提下提高其導(dǎo)電性?，F(xiàn)有資料表明在Zr B = I 2的范圍內(nèi)對(duì)合金的導(dǎo)電性不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。過(guò)量B的加入對(duì)含Zr鋁合金有一定的晶粒細(xì)化效果，但它會(huì)使合金高溫強(qiáng)度降低，使合金耐熱性變差。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的具有以下優(yōu)點(diǎn)
I)本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)合金元素的加入順序和保溫時(shí)間，取消了熱處理，從而簡(jiǎn)化了制備工藝節(jié)約了成本；
2)本發(fā)明制得的鋁合金單絲導(dǎo)電率高(61% IACS，20°C)，耐熱性好(抗拉強(qiáng)度大于180MPa，耐熱溫度彡120°C，180°C條件下保溫I小時(shí)剩余強(qiáng)度> 90%)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
在中頻感應(yīng)熔煉爐中加入純度為99. 8%的純鋁錠，將溫度保持在720°C前將純鋁熔化，待溫度升至720°C時(shí)，開(kāi)始以中間合金的方式，按B、S1、Fe、Mn、V、T1、Cr、Zr、Er，Y的順序，依次加入各合金元素，使它們的最終含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)O. 05%的Zr，O. 02%的Er，O. 1% 的 Y，O. 05%的 B，O. 03%的 Si，O. 055%的 Fe，O. 1%的 V，0. 02%的 Ti，O. 1%的 Cr 及 O. 25% 的Mn，合金元素是以中間合金的形式加入，經(jīng)攪拌，精煉、除洛，在760°C下，保溫40min后進(jìn)行澆鑄。澆鑄前將低碳鋼模具加熱至200°C，保溫lOmin，并將鋁液溫度降至740 V，然后將鋁液倒入模具內(nèi)，形成鋁合金錠，通過(guò)擠壓機(jī)對(duì)鋁合金桿進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為150°C。 將擠成的桿材，依次配模,在高速拉絲機(jī)上進(jìn)行冷拉絲,拉絲速度為15m/s，每次截面收縮率為15%左右，最終獲得Φ2. 3mm的耐熱鋁合金單絲。經(jīng)檢測(cè)，耐熱鋁合金絲的抗拉強(qiáng)度為 200MPa，導(dǎo)電率為61. 3% IACS，在180°C下保溫I小時(shí)，測(cè)試強(qiáng)度為185MPa，大于原強(qiáng)度的 90%。
實(shí)施例2
在中頻感應(yīng)熔煉爐中加入純度為99. 8%的純鋁錠，將溫度保持在720°C前將純鋁熔化，待溫度升至730°C時(shí)，開(kāi)始以單質(zhì)的形式，按B、S1、Fe、Mn、V、T1、Cr、Zr、Er，Y的順序， 依次加入各合金元素，使它們的最終含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)O. 09%的Zr，O. 03%的Er，O. 09%的 Y, O. 08% 的 B, O. 05% 的 Si, O. 07% 的 Fe, O. 11% 的 V，O. 04% 的 Ti, O. 12% 的 Cr 及 O. 3% 的Mn，合金元素是以單質(zhì)的形式加入，經(jīng)攪拌，精煉、除渣，在750°C下，保溫45min后進(jìn)行澆鑄。澆鑄前將低碳鋼模具加熱至210°C，保溫20min，然后將鋁液倒入模具內(nèi)，將鋁液溫度降至740°C，形成鋁合金錠，通過(guò)擠壓機(jī)對(duì)鋁合金桿進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為150°C。將擠成的桿材,依次配模,在高速拉絲機(jī)上進(jìn)行冷拉絲,拉絲速度為15m/s，每次截面收縮率為15%左右，最終獲得Φ2. 5mm的耐熱鋁合金單絲。經(jīng)檢測(cè)，耐熱鋁合金絲的抗拉強(qiáng)度為205MPa， 導(dǎo)電率為61. 5% IACS，在180°C下保溫I小時(shí)，測(cè)試強(qiáng)度為186MPa，大于原強(qiáng)度的90%。
實(shí)施例3
在中頻感應(yīng)熔煉爐中加入純度為99. 8%的純鋁錠，將溫度保持在720°C前將純鋁熔化，待溫度升至725°C時(shí)，開(kāi)始以中間合金的方式，按B、S1、Fe、Mn、V、T1、Cr、Zr、Er, Y 的順序，依次加入各合金元素，使它們的最終含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)O. 07%的Zr，O. 10%的Er， O. 12% 的 Y，O. 15% 的 B，O. 15% 的 Si，O. 21% 的 Fe，O. 12% 的 V，O. 05% 的 Ti，O. 14% 的 Cr 及 O. 5%的Mn，其中稀土元素是以中間合金的形式加入，其余合金元素是以中間合金的形式加入，經(jīng)攪拌，精煉、除渣，在755°C下，保溫50min后進(jìn)行澆鑄。澆鑄前將低碳鋼模具加熱至 2000C，保溫30min，將鋁液溫度降至740°C，然后將鋁液倒入模具內(nèi)，形成鋁合金錠，通過(guò)擠壓機(jī)對(duì)鋁合金桿進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為150°C。將擠成的桿材，依次配模，在高速拉絲機(jī)上進(jìn)行冷拉絲，拉絲速度為15m/s，每次截面收縮率為15%左右，最終獲得Φ2.1mm的耐熱鋁合金單絲。經(jīng)檢測(cè)，耐熱鋁合金絲的抗拉強(qiáng)度為195MPa，導(dǎo)電率為61. 8% IACS，在180°C下保溫I小時(shí)，測(cè)試殘余強(qiáng)度為178MPa，大于原強(qiáng)度的90%。
實(shí)施例4
在中頻感應(yīng)熔煉爐中加入純度為99. 8%的純鋁錠，將溫度保持在720°C前將純鋁熔化，待溫度升至730°C時(shí)，開(kāi)始以中間合金的方式，按B、S1、Fe、Mn、V、T1、Cr、Zr、Er的順序，依次加入各合金元素，使它們的最終含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)O. 07%的Zr，O. 10%的Er， O. 12% 的 Υ，0· 15% 的 Β，0· 15% 的 Si，0. 21% 的 Fe，0. 12% 的 V，0. 05% 的 Ti，0. 14% 的 Cr 及 O. 5%的Mn，其中稀土元素是以中間合金的形式加入，其余合金元素是以中間合金的形式加入，經(jīng)攪拌，精煉、除渣，在750°C下，保溫50min后進(jìn)行澆鑄。澆鑄前將低碳鋼模具加熱至 2000C，保溫30min，將鋁液溫度降至740V，然后將鋁液倒入模具內(nèi)，形成鋁合金錠，通過(guò)擠壓機(jī)對(duì)鋁合金桿進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為150°C。將擠成的桿材，依次配模，在高速拉絲機(jī)上進(jìn)行冷拉絲，拉絲速度為15m/s，每 次截面收縮率為15%左右，最終獲得Φ2. 2mm的耐熱鋁合金單絲。經(jīng)檢測(cè)，耐熱鋁合金絲的抗拉強(qiáng)度為196MPa，導(dǎo)電率為61. 5% IACS，在180°C下保溫I小時(shí)，測(cè)試殘余強(qiáng)度為179MPa，大于原強(qiáng)度的90%。
實(shí)施例5
在中頻感應(yīng)熔煉爐中加入純度為99. 8%的純鋁錠，將溫度保持在720°C前將純鋁熔化，待溫度升至725°C時(shí)，開(kāi)始以中間合金的方式，按B、S1、Fe、Mn、V、T1、Cr、Zr、Y的順序， 依次加入各合金元素，使它們的最終含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)O. 07%的Zr，O. 10%的Er，O. 12%的 Y, O. 15% 的 B，O. 15% 的 Si，O. 21% 的 Fe，O. 12% 的 V，O. 05% 的 Ti，O. 14% 的 Cr 及 O. 5% 的 Mn，其中稀土元素是以中間合金的形式加入，其余合金元素是以中間合金的形式加入，經(jīng)攪拌，精煉、除渣，在755°C下，保溫50min后進(jìn)行澆鑄。澆鑄前將低碳鋼模具加熱至200°C，保溫30min，將鋁液溫度降至740°C，然后將鋁液倒入模具內(nèi)，形成鋁合金錠，通過(guò)擠壓機(jī)對(duì)鋁合金桿進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為150°C。將擠成的桿材，依次配模，在高速拉絲機(jī)上進(jìn)行冷拉絲，拉絲速度為15m/s，每次截面收縮率為15%左右，最終獲得Φ2. 3mm的耐熱鋁合金單絲。經(jīng)檢測(cè)，耐熱鋁合金絲的抗拉強(qiáng)度為193MPa，導(dǎo)電率為61. 2% IACS，在180°C下保溫I 小時(shí)，測(cè)試殘余強(qiáng)度為177MPa，大于原強(qiáng)度的90%。
權(quán)利要求
1.一種高導(dǎo)中強(qiáng)耐熱鋁合金單絲，其特征在于所述鋁合金導(dǎo)線由下述重量百分比的元素組成Zr :0. Ol O. 1%，B 0. 01 O. 2%，Si 0. 01 O. 2%，F(xiàn)e 0. 05 O. 3%，Mn :O.2 O. 5%, Er 0. 01 O. 15%和 / 或 Y :0. 01 O. 15%，還含有 V、T1、Cr 中任意 2 種或3種元素，其余為Al和不可避免的微量雜質(zhì)；所述 V 0.1 O. 15%, Ti 0. 01 O. 05%, Cr 0.1 O. 15%。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高導(dǎo)中強(qiáng)耐熱鋁合金單絲，其特征在于所述Er和Y的含量之和≤ O. 25%。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高導(dǎo)中強(qiáng)耐熱鋁合金單絲，其特征在于所述V、T1、Cr中任意2種或3種元素的含量之和< O. 3%。
4.一種制備如權(quán)利要求1所述的一種高導(dǎo)中強(qiáng)耐熱鋁合金單絲的方法，包括下述步驟 1)冶煉選取純度>99. 8 %的鋁錠熔化后在720 780 V下按順序加入所述合金元素，得鋁液； 2)合金化攪拌上述鋁液，除氫、除渣，在720 780°C下合金化25 50min； 3)澆鑄制桿將模具預(yù)熱至200 220°C后保溫，將步驟2)所得鋁液溫度降至740V’澆鑄到模具內(nèi)制得鋁錠，經(jīng)熱擠壓后制得尺寸為Φ10 60，80 400mm長(zhǎng)的鋁合金桿； 4)拉絲將步驟3)制得鋁合金桿進(jìn)行拉絲得Φ2 3mm的單絲。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述合金元素的加入順序?yàn)锽、S1、Fe、Mn、V、T1、Cr元素在溫度升至740°C時(shí)加入，并保溫lOmin，Zr、Er、Y元素在740 780°C范圍加入，保溫15 35min。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于步驟3)中所述鋁液的澆鑄溫度在740°C。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述模具預(yù)熱保溫的時(shí)間為10 30min。
8.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟I)中加入的合金元素為單質(zhì)或中間合金
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述最后加入的合金元素的加入溫度不超過(guò)780℃
全文摘要
本發(fā)明涉及電力行業(yè)輸電線路架空導(dǎo)線技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供了一種高導(dǎo)中強(qiáng)耐熱鋁合金單絲及其制備方法，鋁合金導(dǎo)線由Zr0.01～0.1％，B0.01～0.2％，Si0.01～0.2％，F(xiàn)e0.05～0.3％，Mn0.2～0.5％，Er0.01～0.15％和/或Y0.01～0.15％，V、Ti、Cr中任意2種或3種元素，其余為Al和不可避免的微量雜質(zhì)組成，其中V0.1～0.15％，Ti0.01～0.05％、Cr0.1～0.15％。本發(fā)明制備的鋁合金單絲導(dǎo)電率高、耐熱性好，抗拉強(qiáng)度大。
文檔編號(hào)H01B1/02GK103045915SQ201210544420
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者楊富堯, 韓鈺, 馬光, 陳新, 祝志祥 申請(qǐng)人:國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司