一種含堿土金屬的高導電率耐熱鋁合金的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種含堿土金屬的耐熱的鋁合金材料，屬于電力行業輸電線路架空導線【技術領域】。本發明提供的鋁合金材料由0.01～0.16％的鋯，0.01～0.2％的硅，0.01～0.2％的硼，0.05-0.15％的鐵，0.01～4.0％的堿土金屬元素，余量為鋁和不可避免的雜質組成，制得的鋁合金導電率不低于61.5％IACS，耐熱溫度≥120℃，可用于制造輸電線路架空導線。
【專利說明】—種含堿土金屬的高導電率耐熱鋁合金
【【技術領域】】
[0001]本發明涉及一種輸電線路架空導線材料，具體地講涉及一種含堿土金屬的高導電耐熱鋁合金。
【【背景技術】】
[0002]現有的鋼芯鋁絞線用硬鋁導體材料制成，我國國家標準和IEC標準規定所用硬鋁導線的導電率應≥61% IACS，抗拉強度≥158MPa，延伸率≥1.7%。由于耐熱性的限制，一般規定鋼芯鋁絞線的長期運行溫度為70°C。為擴大輸電系統，城網、農網的改造工程必須增大現有鋼芯鋁絞線的導線截面，重新建造桿塔，居民密集區的電網線路的改造就很難實現。因此，使用耐熱性能的鋁合金導線替換相同截面積的增容導線來加大傳輸容量已成為現行電網線路改造工程中常用的技術手段之一。
[0003]耐熱鋁合金導線是一種性能優良的特種擴容導線，采用大容量耐熱鋁合金導線進行現有線路擴容改造，盡量減少甚至不更換桿塔，不僅能提高電網線路的輸送能力，還能降低工程的整體造價。采用耐熱鋁導線運行溫度可提升至120°C以上，載流量提高40%以上。現有技術中業已采用耐熱鋁合金導線來提高輸電線路的輸送容量，獲得了良好的經濟效益。國內外的應用研究均表明，新建線路采用耐熱鋁合金導線代替同樣規格的普通鋼芯鋁鉸線可節省線路投資5%~8%，同時可增加線路的輸送容量。
[0004]隨著電力需求的日益增大，耐熱鋁合金導線其在輸電線路建設尤其是城網改造中所占的份額將會逐步增加。耐熱鋁合金導線采用的耐熱鋁合金，其導電率一般為60 %IACS(20°C )，較鋼芯鋁絞線用硬鋁導體材料(導電率61% IACS(20°C ))的導電率低I %IACS，造成線路損耗增加1.5%，這是當前耐熱鋁合金導線未能大面積應用的重要因素。因此，在保證較高載流量的同時，如何提高耐熱鋁合金的導電率，減少輸電線損，是目前耐熱鋁合金導線最為迫切的技術需求。
[0005]基于以上研究及應用背景，亟需研發一種能夠用于制造高導電耐熱鋁合金導線的鋁合金原材料，以解決改善鋁合金導線的耐熱性問題。
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【發明內容】
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[0006]為解決因提高輸電線路鋁合金導線耐熱性、及強度的同時而引起導電率降低的技術難題，本發明提供了一種用于電力行業中輸電線路架空導線的高導電率、高耐熱性鋁合金材料，通過控制多元合金含量，使得制得的導線單絲的導電率高于61.5% IACS(20°C )，耐熱溫度≥120°C，強度達到160MPa以上，210°C加熱I小時后強度殘余率大于90%。
[0007]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0008]本發明提供了一種導電率≥61.5% IACS,耐熱溫度≥120°C含堿土金屬的招合金，按質量百分比計，鋁合金包括:
[0009]鋯:0.01 ~0.16%，硅:0.01 ~0.2%，硼:0.01 ~0.2%，鐵:0.05-0.15%，堿土
金屬:0.01~4.0%，余量為鋁和不可避免的雜質。本發明提供的一種含堿土金屬的高導電率耐熱招合金材料，其中堿土金屬元素為1丐、鋇或銀。
[0010]本發明提供的一種含堿土金屬的高導電率耐熱鋁合金，其中堿土金屬元素為鈣、鋇或鍶中的一種或多種元素的任意組合。
[0011]本發明提供的一種含堿土金屬的高導電率耐熱鋁合金中，堿土金屬元素為鈣，其含量為0.1~1.0% ;堿土金屬元素為鋇,其含量為0.1~1.5% ;堿土金屬元素為銀,其含量為0.01~3.5%。
[0012]本發明提供了一種鋁合金材料的制造方法，將本發明提供的含堿土金屬的高導電率耐熱鋁合金材料按配比的各元素加入到熔化的純鋁錠中，經除氫、除渣后攪拌，在700~760 °C下保持50~60分鐘。
[0013]本發明提供了一種鋁合金制備單絲的方法為:將模具加熱至200°C~250°C保溫20分鐘后進行鋁液澆鑄，擠壓成型。
[0014]本發明采用的各合金元素的作用及機理如下:
[0015]Zr:要提高導電鋁合金的耐熱性能必須設法防止合金畸變能的減少，從而防止鋁合金強度不至于因溫度升高而下降。適量鋯的加入能明顯改善鋁合金的耐熱性能，主要由于鋯原子半徑比鋁原子 半徑略大，鋯在鋁中以置換方式進行擴散，其擴散激活能高，向亞結晶晶粒邊界析出細微的A13Zr相，它不易聚集長大，穩定性高，抑制再結晶的發生，在較高的溫度下仍可有效的釘扎位錯與晶界，阻礙變形與晶內及晶界滑移，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，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，因此，能夠使架空輸電線在輸電塔桿之間的間距增大，并且保持鋁合金導線較小的懸垂度。
[0016]S1:硅主要來自鋁礬土中的二氧化硅或硅酸鹽，是鋁合金的最普通的合金元素之一，硅能提高鋁合金的鑄造性能及焊接流動性，還能使鋁合金有較高的力學性能，由于其在合金中能形成一些化合物，使合金成為可熱處理強化的。
[0017]硅的固溶度比鐵大，在共晶溫度時(577°C )其固溶度為1.650%，室溫時也能夠達到0.05%。一般認為以固溶態存在的雜質對導體電阻率的影響比析出態的影響大，故作為基本雜質元素的硅比鐵對鋁導體電阻率的影響要大的多，成為影響鋁導體導電性的最主要的雜質元素。同時，由于我國的鋁礦石自然條件的原因，所生產出來的鋁錠含硅量基本都在
0.08%以上，這也是我國生產的鋁線材電阻率總是在IEC標準附近波動的緣由之一，因此我們要應該嚴格控制電工鋁錠中硅的含量。
[0018]Fe:鋁中含有一定量的鐵，是高純鋁中的一種主要雜質。因為熔煉與鑄造使用的工具都是鋼的或鑄鐵的，鐵就會由這些工具帶入鋁中，而且在重熔廢料時，則可混入鐵與鐵屑。鐵對鑄造鋁的力學性能是有害的，因為其通常以粗大的一次晶體出現，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。最新研究表明，鐵可以提高鋁導體強度，并不顯著降低其導電性。但也有資料表明在實際生產中，鋁導體中的Fe/Si比應為1.3~1.5，過高則會使其電阻率顯著升高，所以也應該注意控制鐵的含量。
[0019]Ca、Ba、Sr:堿土金屬元素Ca、Ba、Sr的添加可以和Fe、Si元素反應生成細小彌散的化合物，一方面由于Al中的Fe、Si被置換出來，使Fe、Si以析出相的形式而不是固溶的形式存在，將顯著改善鋁合金的導電性能，降低電阻率；另一方面由于析出相細小均勻的分布，可以起到細化晶粒的作用，保證鋁桿延伸率較高的同時，提高鋁合金的強度。[0020]B:在鋁導體鋯的加入能明顯改善合金的耐熱性能，但是鋯的加入也會對合金的導電性產生不利影響，有研究表明在含鋯的鋁合金中加入適量的硼，能在保證合金耐熱性的前提下提高其導電性。硼與鋁合金中的鋯形成ZrB2化合物，由于化合物彌散分布且顆粒較小，因此ZrB2不能作為Al原子的形核中心，不會對合金產生晶粒細化作用，不增加晶界，從而降低了鋯元素對合金的導電性產生的負面影響。然而過量硼的加入對含鋯的鋁合金有一定的晶粒細化效果，但它會使合金高溫強度降低，使合金耐熱性變差。
[0021]同現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0022]I)本發明由于添加了堿土金屬元素，提高了鋁合金的導電率和強度；
[0023]2)本發明提供的鋁合金材料采用堿土金屬元素，取代了目前常規添加的昂貴稀土元素，節約了成本；
[0024]3)采用常規制造鋁合金導線的方式而制得的導線可達160MPa以上，210°C加熱I小時后強度殘余率大于90%。
[0025]本發明采用微合金化，控制多種合金元素含量，并采用堿土金屬改性，制造具有導電率> 61.5% IACS的耐熱鋁合金單絲，通過以堿土金屬代替稀土來降低成本，為制備高導電耐熱鋁合金導 提供原料基礎，使耐熱鋁合金導線達到提高輸送容量、降低輸電線路損耗的目的，從而滿足大容量輸電線路及城市擴容改造的建設需求。本發明提供的技術方案無需熱處理，節約了成本；本發明通過合金間的彌散強化，制得的導線導電率高，能夠降低輸電線路的損耗。
【【具體實施方式】】
[0026]所有實施方式都是采用現有的冶煉及擠壓設備，按照前面所敘述的步驟進行:
[0027]實施例1
[0028]鋁合金材料，組分配比見表1。
[0029]表1組分含量配比
[0030]
~[#^2~[#^3~[#^4~j樣品 5j樣品 6~[#^7
Zr0.08%~ 0.07%~ 0.15%~ 0.04%~ 0.53%0.6% 0.07%
Si0.03%~ 0.1% 0.05%~ 0.04%~ 0.07%0.09%~ 0.06%
B0.05%~ 0.15%~ 0.08%~ 0.03%~ 0.02%0.01%~ 0.06%
Fe0.05%~ 0.12%~ 0.07%~ 0.06%~ 0.09%0.13%~ 0.08%
Ca0.45%~ 0.45%~ 0.85%~—1.0%~~~
Sr1.3% 3%—1.5% —1.2% —
Ba——0.3% 0.4% ——2.4%
Al 余量余量余量余量余量余量余量
[0031]實施例2制備鋁合金單絲[0032]純度為99.7%的純鋁錠熔化，加入各合金元素，使它們的最終含量如上所示，合金元素是以中間合金的形式加入。采用鋁液精煉劑對鋁液進行除氫、除渣進行精煉，并使用攪拌機對鋁液進行攪拌，使合金元素充分均勻化，合金化溫度為700°C~760°C，保持50~60分鐘；對圓柱形低碳鋼模具進行加熱，防止模具溫度與鋁液溫度相差過大引起鋁液澆鑄過程中引起縮孔，模具加熱至200°C~250°C保溫20分鐘，然后進行鋁液澆鑄，澆鑄成Φ80~200_的柱錠，最后擠壓成Φ9.5_的圓鋁桿。采用常規的鋁單絲制備工藝，通過擠壓機對鋁合金桿進行擠壓，將擠成的桿材，依次配模，在高速拉絲機上進行冷拉絲。在210°C加熱I小時后測試強度殘余率。對各樣品制得的鋁合金單絲測試結果見表2。
[0033]表2各樣品測試結果
[0034]
【權利要求】
1.一種導電率≥61.5% IACS,耐熱溫度≥120°C含堿土金屬的招合金,其特征在于:按質量百分比計，所述鋁合金包括: 鋯:0.01 ~0.16%，硅:0.01 ~0.2%，硼:0.01~0.2%，鐵:0.05-0.15%，堿土金屬:0.01~4.0%，余量為鋁和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的鋁合金，其特征在于:所述堿土金屬元素為鈣、鋇或鍶。
3.如權利要求1所述的一種含堿土金屬的高導電率耐熱鋁合金，其特征在于:所述堿土金屬元素為鈣、鋇或鍶中的一種或多種元素的任意組合。
4.如權利要求3所述的一種含堿土金屬的高導電率耐熱鋁合金，其特征在于:所述堿土金屬元素為鈣；所述鈣的含量為0.1~1.0%。
5.如權利要求3所述的一種含堿土金屬的高導電率耐熱鋁合金，其特征在于:所述堿土金屬元素為鋇；所述鋇的含量為0.1~1.5%。
6.如權利要求3所述的一種含堿土金屬的高導電率耐熱鋁合金，其特征在于:所述堿土金屬元素為銀；所述銀的含量為0.01~3.5%。
7.—種如權利要求1所述的鋁合金的制造方法，其特征在于:所述方法為:將所述各元素加入到熔化的純 鋁錠中，經除氫、除渣后攪拌，在700~760°C下保持50~60分鐘。
8.一種利用如權利要求1所述合金制備單絲的方法，其特征在于:所述方法為:將模具加熱至200°C~250°C保溫20分鐘后進行鋁液澆鑄，擠壓成型。
【文檔編號】C22C1/02GK103952601SQ201410178710
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】韓鈺, 陳新, 楊富堯, 馬光, 祝志祥 申請人:國家電網公司, 國網智能電網研究院, 華北電力大學, 國網河南省電力公司