一種含堿土金屬的高導(dǎo)電率耐熱鋁合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)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(yè)輸電線路架空導(dǎo)線【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)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(zhì)組成，制得的鋁合金導(dǎo)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(dǎo)線。
【專利說明】—種含堿土金屬的高導(dǎo)電率耐熱鋁合金
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及一種輸電線路架空導(dǎo)線材料，具體地講涉及一種含堿土金屬的高導(dǎo)電耐熱鋁合金。
【【背景技術(shù)】】
[0002]現(xiàn)有的鋼芯鋁絞線用硬鋁導(dǎo)體材料制成，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定所用硬鋁導(dǎo)線的導(dǎo)電率應(yīng)≥61% IACS，抗拉強(qiáng)度≥158MPa，延伸率≥1.7%。由于耐熱性的限制，一般規(guī)定鋼芯鋁絞線的長(zhǎng)期運(yùn)行溫度為70°C。為擴(kuò)大輸電系統(tǒng)，城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)的改造工程必須增大現(xiàn)有鋼芯鋁絞線的導(dǎo)線截面，重新建造桿塔，居民密集區(qū)的電網(wǎng)線路的改造就很難實(shí)現(xiàn)。因此，使用耐熱性能的鋁合金導(dǎo)線替換相同截面積的增容導(dǎo)線來加大傳輸容量已成為現(xiàn)行電網(wǎng)線路改造工程中常用的技術(shù)手段之一。
[0003]耐熱鋁合金導(dǎo)線是一種性能優(yōu)良的特種擴(kuò)容導(dǎo)線，采用大容量耐熱鋁合金導(dǎo)線進(jìn)行現(xiàn)有線路擴(kuò)容改造，盡量減少甚至不更換桿塔，不僅能提高電網(wǎng)線路的輸送能力，還能降低工程的整體造價(jià)。采用耐熱鋁導(dǎo)線運(yùn)行溫度可提升至120°C以上，載流量提高40%以上?，F(xiàn)有技術(shù)中業(yè)已采用耐熱鋁合金導(dǎo)線來提高輸電線路的輸送容量，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用研究均表明，新建線路采用耐熱鋁合金導(dǎo)線代替同樣規(guī)格的普通鋼芯鋁鉸線可節(jié)省線路投資5%~8%，同時(shí)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(dǎo)線其在輸電線路建設(shè)尤其是城網(wǎng)改造中所占的份額將會(huì)逐步增加。耐熱鋁合金導(dǎo)線采用的耐熱鋁合金，其導(dǎo)電率一般為60 %IACS(20°C )，較鋼芯鋁絞線用硬鋁導(dǎo)體材料(導(dǎo)電率61% IACS(20°C ))的導(dǎo)電率低I %IACS，造成線路損耗增加1.5%，這是當(dāng)前耐熱鋁合金導(dǎo)線未能大面積應(yīng)用的重要因素。因此，在保證較高載流量的同時(shí)，如何提高耐熱鋁合金的導(dǎo)電率，減少輸電線損，是目前耐熱鋁合金導(dǎo)線最為迫切的技術(shù)需求。
[0005]基于以上研究及應(yīng)用背景，亟需研發(fā)一種能夠用于制造高導(dǎo)電耐熱鋁合金導(dǎo)線的鋁合金原材料，以解決改善鋁合金導(dǎo)線的耐熱性問題。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006]為解決因提高輸電線路鋁合金導(dǎo)線耐熱性、及強(qiáng)度的同時(shí)而引起導(dǎo)電率降低的技術(shù)難題，本發(fā)明提供了一種用于電力行業(yè)中輸電線路架空導(dǎo)線的高導(dǎo)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(dǎo)線單絲的導(dǎo)電率高于61.5% IACS(20°C )，耐熱溫度≥120°C，強(qiáng)度達(dá)到160MPa以上，210°C加熱I小時(shí)后強(qiáng)度殘余率大于90%。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明提供了一種導(dǎo)電率≥61.5% IACS,耐熱溫度≥120°C含堿土金屬的招合金，按質(zhì)量百分比計(jì)，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(zhì)。本發(fā)明提供的一種含堿土金屬的高導(dǎo)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(fā)明提供的一種含堿土金屬的高導(dǎo)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(fā)明提供的一種含堿土金屬的高導(dǎo)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(fā)明提供了一種鋁合金材料的制造方法，將本發(fā)明提供的含堿土金屬的高導(dǎo)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(jīng)除氫、除渣后攪拌，在700~760 °C下保持50~60分鐘。
[0013]本發(fā)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(jìn)行鋁液澆鑄，擠壓成型。
[0014]本發(fā)明采用的各合金元素的作用及機(jī)理如下:
[0015]Zr:要提高導(dǎo)電鋁合金的耐熱性能必須設(shè)法防止合金畸變能的減少，從而防止鋁合金強(qiáng)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(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A13Zr相，它不易聚集長(zhǎng)大，穩(wěn)定性高，抑制再結(jié)晶的發(fā)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。
[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(dòng)性，還能使鋁合金有較高的力學(xué)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(qiáng)化的。
[0017]硅的固溶度比鐵大，在共晶溫度時(shí)(577°C )其固溶度為1.650%，室溫時(shí)也能夠達(dá)到0.05%。一般認(rèn)為以固溶態(tài)存在的雜質(zhì)對(duì)導(dǎo)體電阻率的影響比析出態(tài)的影響大，故作為基本雜質(zhì)元素的硅比鐵對(duì)鋁導(dǎo)體電阻率的影響要大的多，成為影響鋁導(dǎo)體導(dǎo)電性的最主要的雜質(zhì)元素。同時(shí)，由于我國(guó)的鋁礦石自然條件的原因，所生產(chǎn)出來的鋁錠含硅量基本都在
0.08%以上，這也是我國(guó)生產(chǎn)的鋁線材電阻率總是在IEC標(biāo)準(zhǔn)附近波動(dòng)的緣由之一，因此我們要應(yīng)該嚴(yán)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(zhì)。因?yàn)槿蹮捙c鑄造使用的工具都是鋼的或鑄鐵的，鐵就會(huì)由這些工具帶入鋁中，而且在重熔廢料時(shí)，則可混入鐵與鐵屑。鐵對(duì)鑄造鋁的力學(xué)性能是有害的，因?yàn)槠渫ǔＲ源执蟮囊淮尉w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。最新研究表明，鐵可以提高鋁導(dǎo)體強(qiáng)度，并不顯著降低其導(dǎo)電性。但也有資料表明在實(shí)際生產(chǎn)中，鋁導(dǎo)體中的Fe/Si比應(yīng)為1.3~1.5，過高則會(huì)使其電阻率顯著升高，所以也應(yīng)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(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，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(dǎo)電性能，降低電阻率；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。[0020]B:在鋁導(dǎo)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(huì)對(duì)合金的導(dǎo)電性產(chǎn)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(dǎo)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(huì)對(duì)合金產(chǎn)生晶粒細(xì)化作用，不增加晶界，從而降低了鋯元素對(duì)合金的導(dǎo)電性產(chǎn)生的負(fù)面影響。然而過量硼的加入對(duì)含鋯的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。
[0021]同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0022]I)本發(fā)明由于添加了堿土金屬元素，提高了鋁合金的導(dǎo)電率和強(qiáng)度；
[0023]2)本發(fā)明提供的鋁合金材料采用堿土金屬元素，取代了目前常規(guī)添加的昂貴稀土元素，節(jié)約了成本；
[0024]3)采用常規(guī)制造鋁合金導(dǎo)線的方式而制得的導(dǎo)線可達(dá)160MPa以上，210°C加熱I小時(shí)后強(qiáng)度殘余率大于90%。
[0025]本發(fā)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(dǎo)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(dǎo)電耐熱鋁合金導(dǎo) 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，從而滿足大容量輸電線路及城市擴(kuò)容改造的建設(shè)需求。本發(fā)明提供的技術(shù)方案無需熱處理，節(jié)約了成本；本發(fā)明通過合金間的彌散強(qiáng)化，制得的導(dǎo)線導(dǎo)電率高，能夠降低輸電線路的損耗。
【【具體實(shí)施方式】】
[0026]所有實(shí)施方式都是采用現(xiàn)有的冶煉及擠壓設(shè)備，按照前面所敘述的步驟進(jìn)行:
[0027]實(shí)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(shí)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(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700°C~760°C，保持50~60分鐘；對(duì)圓柱形低碳鋼模具進(jìn)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(jìn)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(guī)的鋁單絲制備工藝，通過擠壓機(jī)對(duì)鋁合金桿進(jìn)行擠壓，將擠成的桿材，依次配模，在高速拉絲機(jī)上進(jìn)行冷拉絲。在210°C加熱I小時(shí)后測(cè)試強(qiáng)度殘余率。對(duì)各樣品制得的鋁合金單絲測(cè)試結(jié)果見表2。
[0033]表2各樣品測(cè)試結(jié)果
[0034]
【權(quán)利要求】
1.一種導(dǎo)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(zhì)量百分比計(jì)，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(zhì)。
2.如權(quán)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(quán)利要求1所述的一種含堿土金屬的高導(dǎo)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(quán)利要求3所述的一種含堿土金屬的高導(dǎo)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(quán)利要求3所述的一種含堿土金屬的高導(dǎo)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(quán)利要求3所述的一種含堿土金屬的高導(dǎo)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(quán)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(jīng)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(quán)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(jìn)行鋁液澆鑄，擠壓成型。
【文檔編號(hào)】C22C1/02GK103952601SQ201410178710
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】韓鈺, 陳新, 楊富堯, 馬光, 祝志祥 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 華北電力大學(xué), 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司