煤礦電纜用Al-Fe-Cu-Mg-Zr系鋁合金及鋁合金電纜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種煤礦電纜用Al-Fe-Cu-Mg-Zr系鋁合金及鋁合金電纜，其中，鋁合金材料包括的組分及各組分的重量百分比如下：Fe：0.2-1.1％；Mg：0.01-0.4％；Cu：0.01-0.4％；Zr：0.001-0.2％；Si：0-0.1％；B：0-0.2％；微量元素：0.001-0.3％；余量為Al和雜質(zhì)；其中，所述微量元素為Ca、Ni、Ti、Zn中的至少兩種。將上述鋁合金材料通過熔煉、鑄造、軋制工藝得到鋁合金桿，再經(jīng)拉制、束絞、軟化而成鋁合金線芯，再將導(dǎo)體線芯經(jīng)過擠包絕緣、成纜、擠包護套或鎧裝制成鋁合金電纜。提供一種煤礦電纜用Al-Fe-Cu-Mg-Zr系鋁合金，具有高強度、高導(dǎo)電率、彎曲性能良好等特性；由該鋁合金制成的鋁合金電纜能滿足煤礦領(lǐng)域中對電纜性能的要求。
【專利說明】煤礦電纜用Al-Fe-Cu-Mg-Zr系鋁合金及鋁合金電纜

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤礦電纜【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種煤礦電纜用Al-Fe-Cu-Mg-Zr系鋁 合金及鋁合金電纜。

【背景技術(shù)】
[0002] 煤礦用電纜由于使用的環(huán)境復(fù)雜、工作條件惡劣、且移動頻繁，使用壽命不長，瓦 斯積聚的區(qū)域又十分危險，因此不僅對電纜本身安全性要求很高，而且對頻繁移動場合用 電纜的耐磨性、抗外界拉力性能要求很高。因此，煤礦用電纜屬于電纜行業(yè)中技術(shù)含量較高 的產(chǎn)品。
[0003] 普通的電纜采用銅芯導(dǎo)線，隨著對銅資源的過度開采，銅資源日益緊張，且瀕臨匱 乏，因此需要使用其他材料的導(dǎo)線代替銅芯導(dǎo)線，才能滿足市場的需求。金屬材料中，鋁具 有導(dǎo)電效果好、質(zhì)輕、價格低廉等特性，且近年來，出于環(huán)保意識的加強，強烈需要減輕重量 以提高機械燃料利用率，因此，以鋁芯電纜代替銅芯電纜已是大勢所趨?，F(xiàn)有技術(shù)中，已研 制出鋁芯電纜，然而普通鋁芯電纜存在機械性能和抗腐蝕性能較差等缺陷，不具備滿足煤 礦用電纜頻繁移動的良好的彎曲性能；且根據(jù)煤礦用電纜的惡劣環(huán)境，對電纜導(dǎo)體的導(dǎo)電 率和機械強度有較高的要求，而現(xiàn)有普通的鋁芯電纜的導(dǎo)電率和機械強度性能不能滿足煤 礦用電纜的要求。因此，開發(fā)出一種能滿足煤礦業(yè)中使用要求的鋁合金電纜具有十分廣闊 的市場前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服以上缺點，提供一種煤礦電纜用Al-Fe-Cu-Mg-Zr系鋁合金 及鋁合金電纜，該鋁合金具有高強度、高導(dǎo)電率、彎曲性能良好等特性，由該鋁合金制成的 鋁合金電纜能滿足煤礦領(lǐng)域中對電纜性能的要求。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 一種煤礦電纜用Al-Fe-Cu-Mg-Zr系鋁合金，所述鋁合金包括的組分及各組分的 重量百分比如下：
[0007] Fe ：0. 2-1. 1% ；
[0008] Mg ：0. 01-0. 4% ；
[0009] Cu ：0. 01-0. 4% ；
[0010] Zr ：0. 001-0. 2% ；
[0011] Si :0-0.1%;
[0012] B :0-0.2%;
[0013] 微量元素：0· 001-0. 3% ;
[0014] 余量為Al和雜質(zhì)；
[0015] 其中，所述微量元素為Ca、Ni、Ti、Zn中的至少兩種；
[0016] 所述的鋁合金電阻率小于等于0.028264 Ω ·πιπι2/πι，斷裂伸長率大于等于10%，90 度疲勞彎折次數(shù)大于等于30次。
[0017] 進一步地，所述鋁合金還包括稀土元素，所述稀土元素的含量占鋁合金成分總重 量的 0. 1-0. 3%。
[0018] 進一步地，所述稀土元素包括Ce、La,所述Ce和La占稀土元素總量的至少50%。
[0019] 進一步地，所述鋁合金在溫度120°C、壓應(yīng)力120MPa條件下，1-100小時的平均蠕 變速度小于等于IX KT2 (% /h)。
[0020] 一種煤礦用鋁合金電纜，所述鋁合金電纜的加工工藝包括如下步驟：
[0021] a、將上述鋁合金經(jīng)過熔煉、鑄造、乳制得到鋁合金桿；
[0022] b、將步驟a得到的鋁合金桿經(jīng)過拉制、束絞、軟化處理得到鋁合金導(dǎo)體線芯；
[0023] c、將步驟b得到的導(dǎo)體線芯經(jīng)過擠包絕緣、成纜、擠包護套或鎧裝制成鋁合金電 纜。
[0024] 進一步地，所述鋁合金導(dǎo)體線芯由10-2000根直徑分別為0. 2-0. 5mm的單絲束絞 制成，所述單絲由所述鋁合金桿經(jīng)過拉制得到。
[0025] 進一步地，所述鋁合金電纜適用于_40°C -90°C的礦井環(huán)境。
[0026] 進一步地，所述鋁合金電纜適用于額定電壓8. 7/10kV及以下等級的煤礦用移動 類橡套軟電纜。
[0027] 進一步地，所述鋁合金電纜在90°C長期運行情況下，載流量不低于相同截面銅電 纜的80%。
[0028] 進一步地，所述鋁合金電纜經(jīng)過9000次抗彎曲試驗后不短路、不斷路。
[0029] 本發(fā)明提供的煤礦電纜用鋁合金及鋁合金電纜，具有如下優(yōu)點：
[0030] 1、本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金，對鋁合金的元素進行優(yōu)化，從而改善該鋁合金的 性能。本發(fā)明的合金材料中，通過加入Fe元素，可以改善合金的機械強度和拉伸性能，F(xiàn)e還 能明顯的提高高溫抗蠕變性能，以及提高合金的抗疲勞性能。在鋁合金中加入少量的Mg,細(xì) 化鑄造組織。Cu是重要的合金元素，有一定的固溶強化效果，此外時效析出的CuAl 2有著明 顯的時效強化效果，Cu的加入可以提高合金的強度以及高溫蠕變性能，并能改善抗疲勞性 能。
[0031] 在合金中加入鋅，形成強化相MgZn2，對合金產(chǎn)生明顯的強化作用；MgZn 2含量提高 時,可明顯增加抗拉強度和屈服強度。本發(fā)明方案中，在Al-Zn-Mg基礎(chǔ)上加入銅元素，形成 Al-Zn-Mg-Cu系合金，強化相MgZn2強化效果大大提高，在所有鋁合金中最大。
[0032] 鋯和鋁形成ZrAl3化合物，可阻礙再結(jié)晶過程，細(xì)化再結(jié)晶晶粒，由于鋯對淬火敏 感性的影響比鉻和錳的小，因此宜用鋯來代替鉻和錳細(xì)化再結(jié)晶組織，同時，Zn的加入還 可配合抑制晶粒粗化；此外，Zr還可顯著改性合金的抗疲勞彎曲性能，提高電纜的使用壽 命。
[0033] 本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金，選擇在合金中添加少量的Si, Si與Mg形成MgSi強 化相提高再結(jié)晶溫度和改變時效行為，使制品的再結(jié)晶晶粒得以細(xì)化，強度、韌性得以提 高，塑性、耐蝕性得到改善，提高鋁合金的屈服強度及延伸率，避免鋁合金產(chǎn)品的再加工，提 高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明對Si的含量作了限定，過多的Si會導(dǎo)致拉伸性能降低， 影響到電纜的加工性能，并且會降低導(dǎo)體的疲勞彎曲性能，且過多的Si還會降低電性能， 而少量硅的存在，使鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性。
[0034] Ca在鋁合金中固溶度極低，與鋁形成CaAl4化合物，鈣能強化鋁合金的高溫性能， 與Fe等金屬元素配合作用能提高鋁合金的抗蠕變性能，同時微量鈣有利于去除鋁液中的 氫；鈣又是鋁合金的超塑性元素，鈣和硅形成CaSi，不溶于鋁，由于減小了硅的固溶量，可 稍微提高工業(yè)純鋁的導(dǎo)電性能。
[0035] Ni的加入，提高了鋁合金材料的熱處理溫度，使鋁合金的強化相得到充分?jǐn)U散進 基體強化相，進一步提高了強度和導(dǎo)電性能，是對材料抗蠕變性能的補充，提高材料力學(xué)性 能和塑性加工性，可順利地?zé)彳埡屠滠垺?br> [0036] 本發(fā)明還優(yōu)選加入一定量的B，可以改善加工性能，特別是單絲微拉和束絞方面的 加工性能。
[0037] Ti是鋁合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中間合金形式加入。鈦與鋁 形成TiAl2相，成為結(jié)晶時的非自發(fā)核心，起細(xì)化鑄造組織和焊縫組織的作用；Ti的加入不 僅有利于最終產(chǎn)品鋁合金線的機械性能的提高而且一定量的Ti保證了鋁合金的柔韌性。
[0038] 本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金，還優(yōu)選添加一定量的稀土元素 RE，其中Ce、La占稀 土元素總含量的至少50%，稀土元素不僅可以顯著提高合金的電性能，還能起到提高合金 抗疲勞彎曲性能的效果，延長了電纜的使用壽命。優(yōu)選Ce和La,是因為這兩種元素在本發(fā) 明中效果較其他稀土元素改善效果更明顯。
[0039] 本發(fā)明通過優(yōu)化選擇合金成分和合理調(diào)整合金成分的含量，制定合金配方，既可 以改善合金的性能，又不會因過多的量會惡化合金的性能，特別是電性能和延伸性能。本發(fā) 明提供的鋁合金材料，通過合理的合金成分配比來保障合金的性能。
[0040] 本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金材料，通過熔煉、鑄造、固溶與時效處理、乳制工藝后， 得到的鋁合金的電阻率小于等于0. 028264Ω · mm2/m，電導(dǎo)率大于等于61% IACS，斷裂伸 長率不低于10%，溫度120°C、120MPa壓應(yīng)力條件下，1-100小時的平均蠕變速度小于等于 I X KT2 (% /h)，90度疲勞彎折次數(shù)大于等于30次，且單絲直徑最小可拉到0. 2mm。
[0041] 2、本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金電纜，由本發(fā)明提供的鋁合金制成，得到的煤礦用 鋁合金電纜不僅具有很好的導(dǎo)電性能、拉伸性能、抗蠕變性能和抗疲勞性能，特別是抗彎曲 性能也達(dá)到了煤礦用銅芯的技術(shù)要求；同時，煤礦用鋁合金電纜由于柔韌性好，且重量較銅 輕很多，因而作為煤礦用軟電纜使用起來更加方便，有效的降低了煤礦用電纜的成本，提高 了工作效率，具有非常好技術(shù)經(jīng)濟效益。本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金電纜，適用于煤礦用移 動類橡套軟電纜、額定電壓8. 7/10kV及以下煤礦用橡套軟電纜，在90°C長期運行條件下， 載流量不低于相同截面銅電纜的80% ;且本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金電纜經(jīng)9000次抗彎 曲試驗后不短路、不斷路，其中，9000次抗彎曲試驗按MT818. 1規(guī)定的試驗方法進行。

【具體實施方式】
[0042] 下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范 圍。
[0043] 本發(fā)明中，煤礦用鋁合金電纜所用的鋁合金導(dǎo)體線芯的制備方法，包括以下步 驟：
[0044] a、通過對熔融鋁合金進行鑄造得到鑄造材料：按比例加入本發(fā)明中提到的鋁合金 成分，在700-80(TC條件下進行熔煉工藝，然后在650-680°C條件下進行鑄造，得到鑄錠；
[0045] b、將步驟a得到的鑄錠在460-550°C范圍內(nèi)固溶處理2-6h，然后在20-KKTC的冷 卻水中快速淬火；
[0046] c、將步驟b得到的鑄錠在150-250°C范圍內(nèi)時效處理6-10h，再升溫至300-400°C， 乳制成合金桿；
[0047] d、在280-300°C范圍內(nèi)，將步驟c軋制成的合金桿進行拉制處理，使截面積縮小至 步驟c中合金桿截面積的50-60%，得到鋁合金線；
[0048] e、在形成鋁合金核的溫度條件下，將步驟d得到的鋁合金線再次進行拉制處理， 使截面積縮小至步驟d中鋁合金線截面積的70-100%，得到鋁合金導(dǎo)體單絲；
[0049] f、將若干根步驟e得到的鋁合金導(dǎo)體單絲絞合，在230-320°C條件下進行第一次 熱處理3-6h，然后在300-400°C條件下將再次熱處理8-14h，得到鋁合金導(dǎo)體線芯。
[0050] 上述鋁合金導(dǎo)體線芯的制備方法中，鑄造步驟中，加熱應(yīng)當(dāng)緩慢，再加入多種合金 錠時，應(yīng)在300°C以下裝爐，以保證鑄件加熱均勻，在盡可能高的溫度下（接近于共晶的熔 點）通過較長時間的固容熱處理使合金元素與第二相溶于基體，由于微量合金元素的融 入，使基體成為亞飽和狀態(tài)，通過固容處理可以大幅提高合金的強度和塑性，改善合金的耐 腐蝕性能；在固溶后快速冷卻（從鑄件吊起到鑄件完全浸入冷卻介質(zhì)中時間不宜超過15s， 以使鑄件淬火均勻）提高鑄件的拉伸性能和柔韌性；在時效開始階段，基體飽和度很大，鑄 件的硬度會大幅提高，隨著時效時間的增加，基體和析出物之間的濃度達(dá)到平衡，此時析出 物析出開始變慢，此時在經(jīng)過較短的保溫時間，可以抑制晶粒生長，從而得到較少粗精的鋁 合金，由此獲得優(yōu)良的力學(xué)性能即較高的強度，良好的塑性和韌性；步驟f中兩次退火處理 可以最大限度的鋁合金絞線的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定合金線的電學(xué)性能，穩(wěn)定尺寸減少變形，大大提 高合金線的拉伸性和彎曲性。
[0051] 以下將針對本發(fā)明提供的鋁合金及鋁合金電纜的技術(shù)方案分別進行詳細(xì)闡述：
[0052] 實施例1
[0053] -種煤礦電纜用Al-Fe-Cu-Mg-Zr系鋁合金，組分及各組分的重量百分比如下（總 重量：1T):
[0054]

【權(quán)利要求】
1. 一種煤礦電纜用Al-Fe-Cu-Mg-Zr系鋁合金，其特征在于，所述鋁合金包括的組分及 各組分的重量百分比如下： Fe ：0. 2-1. 1% ； Mg ：0. 01-0. 4% ； Cu ：0. 01-0. 4% ； Zr ：0. 001-0. 2% ； Si ：0-0. 1% ； B ：0-0. 2% ； 微量元素：0.001-0. 3% ; 余量為A1和雜質(zhì)； 其中，所述微量元素為Ca、Ni、Ti、Zn中的至少兩種； 所述的鋁合金電阻率小于等于0.028264 Ω ·πιπι2/πι，斷裂伸長率大于等于10%，90度疲 勞彎折次數(shù)大于等于30次。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金，其特征在于，所述鋁合金還包括稀土元素，所述稀土 元素的含量占錯合金成分總重量的〇. l-o. 3%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁合金，其特征在于，所述稀土元素包括Ce、La，所述Ce和La 占稀土元素總量的至少50%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的鋁合金，其特征在于，所述鋁合金在溫度 120°C、壓應(yīng)力120MPa條件下，1-100小時的平均蠕變速度小于等于1Χ1(Γ 2(% /h)。
5. -種煤礦用鋁合金電纜，其特征在于，所述鋁合金電纜的加工工藝包括如下步驟： a、 將權(quán)利要求1至4中任一項所述的鋁合金經(jīng)過熔煉、鑄造、乳制得到鋁合金桿； b、 將步驟a得到的鋁合金桿經(jīng)過拉制、束絞、軟化處理得到鋁合金導(dǎo)體線芯； c、 將步驟b得到的導(dǎo)體線芯經(jīng)過擠包絕緣、成纜、擠包護套或鎧裝制成鋁合金電纜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤礦用鋁合金電纜，其特征在于，所述鋁合金導(dǎo)體線芯由 10-2000根直徑分別為0. 2-0. 5mm的單絲束絞制成，所述單絲由所述鋁合金桿經(jīng)過拉制得 到。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤礦用鋁合金電纜，其特征在于，所述鋁合金電纜適用 于-40°C -90°C的礦井環(huán)境。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤礦用鋁合金電纜，其特征在于，所述鋁合金電纜適用于額 定電壓8. 7/10kV及以下等級的煤礦用移動類橡套軟電纜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤礦用鋁合金電纜，其特征在于，所述鋁合金電纜在90°C長 期運行情況下，載流量不低于相同截面銅電纜的80 %。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤礦用鋁合金電纜，其特征在于，所述鋁合金電纜經(jīng)過9000 次抗彎曲試驗后不短路、不斷路。
【文檔編號】C22C21/08GK104294095SQ201410469545
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】林澤民 申請人:安徽欣意電纜有限公司