本發(fā)明涉及一種電線電纜用鋁合金導(dǎo)線，具體是指一種大容量輸送電力的高壓架空線路所使用的高導(dǎo)耐熱耐蝕鋁合金導(dǎo)線及其制備工藝和應(yīng)用，屬于電工材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

工業(yè)發(fā)達的沿海地區(qū)，對電力有旺盛需求，但是，在工業(yè)污染和沿海高鹽濕熱兩種惡劣環(huán)境疊加條件下，輸電線路的安全可靠性受到挑戰(zhàn)。以我國東南沿海地區(qū)為例，處于高溫高濕(年平均溫度在20℃以上，平均濕度在70％以上)大氣環(huán)境，空氣中鹽分高，工業(yè)污染嚴(yán)重，輸電線路所處大氣環(huán)境非常惡劣，導(dǎo)線在短期內(nèi)腐蝕及失效現(xiàn)象比較普遍，僅福建泉州和漳州地區(qū)就有50多起因腐蝕導(dǎo)致的輸電導(dǎo)體失效案例，因大氣腐蝕造成的導(dǎo)線斷裂事故時有發(fā)生。為了確保線路的輸電容量、輸送效率及安全可靠性，除了對輸電導(dǎo)線有較高的導(dǎo)電性要求外，還對其有一定耐熱、耐蝕及強度要求。已有專利公開了一種高強特耐熱鋁合金導(dǎo)線及其制備方法，采用0.01-0.18wt.％Sc和0.06-0.5wt.％Zr進行微合金化，獲得的鋁合金導(dǎo)線的抗拉強度達到211MPa，230℃/1h的強度殘存率達到97％，400℃/1h的強度殘存率達到95％，但其電導(dǎo)率只有60％IACS，而且未涉及耐蝕性。另有專利公開了一種耐熱鋁合金導(dǎo)體材料及其制備方法，采用Zr、Er、Fe復(fù)合微合金化，公開的電導(dǎo)率介于59.5～60.5％IACS之間、長期耐熱溫度只有180℃、抗拉強度不高于160MPa，而且也未提及耐蝕性。還有專利公開了一種高強高導(dǎo)耐熱鋁合金線材及制備方法，采用Al、La、Ce、Sc、Fe、Si微合金化，其導(dǎo)線材料的抗拉強度達到255MPa以上，但電導(dǎo)率僅為60.0％IACS，長期耐熱溫度僅為180℃，同樣沒有涉及到耐蝕性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種高導(dǎo)、耐熱、耐蝕的鋁合金導(dǎo)線組分配比及其制備工藝，所制備的導(dǎo)線的電導(dǎo)率大于等于61.8％IACS，230℃/1h的強度殘存率大于90％，長期運行溫度高達210℃，抗拉強度大于等于190MPa。

本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線，包括下述組分，按質(zhì)量百分比組成：

Er 0.05～0.30wt.％

Sc 0.10～0.20wt.％，

Zr 0.05～0.15wt.％，

Si 0.05～0.10wt.％，

不可避免雜質(zhì)Fe含量小于0.03wt.％，Ti、V、Cr、Mn等雜質(zhì)的含量總和小于0.01wt.％，Al為余量。

本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線，所述導(dǎo)線具有核-雙殼結(jié)構(gòu)的納米沉淀相Al₃(Er,Sc,Zr)。

本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線，Zr的質(zhì)量百分比為0.05-0.15％，例如0.06％、0.07％、0.08％、0.09％、0.10％、0.11％、0.12％、0.13％、0.14％等。

本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線，Er的質(zhì)量百分比為：0.05-0.3％，例如0.07％、0.09％、0.11％、0.13％、0.15％、0.17％、0.19％、0.21％、0.23％、0.25％、0.27％、0.29％等。

本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線，Sc的質(zhì)量百分比為：0.1-0.2％，例如0.11％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％、0.16％、0.17％、0.18％、0.19％等。

本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線，Si的質(zhì)量百分比為：0.05-0.10％，例如0.06％、0.07％、0.08％、0.09％等。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線，所述導(dǎo)線以質(zhì)量百分比計包括下述組分：

Er 0.10％～0.13wt.％，

Sc 0.12％～0.18wt.％，

Zr 0.05％～0.10wt.％，

Si 0.05％～0.07wt.％，

不可避免雜質(zhì)Fe含量小于0.03wt.％，Ti、V、Cr、Mn等雜質(zhì)的含量總和小于0.01wt.％，Al為余量。

本發(fā)明的制備工藝，是按設(shè)計的材料組分配比，分別選取純度大于99.7％的工業(yè)純鋁錠及Er、Sc、Zr、Si的中間合金，在780℃熔化工業(yè)純鋁后加入中間合金，在730℃～750℃保溫，待中間合金完全熔化后，精煉、爐前快速成分分析及成分調(diào)整，在720℃保溫靜置15～20分鐘，然后鑄造、雙級時效、擠壓、拉拔獲得鋁合金單絲。

本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線的制備工藝，所述鑄造選自普通鑄造、半連續(xù)鑄造和連續(xù)鑄造中的一種；鑄造獲得坯料或線桿，鑄造時的冷卻速率大于等于20℃/s。

本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線的制備工藝，所述的雙級時效為300～330℃進行12～36小時時效，然后將時效溫度提高至400～430℃進行24～48小時時效。

本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線的制備工藝，所述擠壓包括常規(guī)擠壓和連續(xù)擠壓，擠壓溫度在350～500℃之間，擠壓比大于等于80，擠壓變形量大于等于80％。本發(fā)明中所述常規(guī)擠壓為連續(xù)熱擠壓之外的其它擠壓工藝。

本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線的制備工藝，所述拉拔為多道次拉拔，道次延伸系數(shù)為1.2～1.5，累積總延伸系數(shù)為5.5～10.5，最后冷拉拔成直徑為3～5mm的單絲。

本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線的制備工藝，所制備導(dǎo)線的電導(dǎo)率大于等于61.8％IACS，抗拉強度大于等于190MPa，230℃/1h的強度殘存率大于90％，長期耐熱溫度高達210℃，在3.5wt％NaCl溶液中，加載60％屈服強度，應(yīng)力腐蝕1個月不斷裂。在本發(fā)明中，230℃/1h的強度殘存率大于90％是指導(dǎo)線在230℃的工況下，使用1小時后，其強度殘存率大于90％。

本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線的制備工藝，所制備導(dǎo)線的電導(dǎo)率可達62.1％IACS。

本發(fā)明一種高導(dǎo)耐熱耐蝕的鋁合金導(dǎo)線的制備工藝，所制備導(dǎo)線的抗拉強度可達215MPa。

本發(fā)明所設(shè)計和制備的導(dǎo)線能用于惡劣環(huán)境；所述惡劣環(huán)境為工業(yè)污染和/或沿海高鹽濕熱環(huán)境。

所述惡劣環(huán)境包括下述指標(biāo)中的至少一種：

二氧化硫濃度大于8.25ug/m³，氯離子濃度大于0.95mg/m².d，潤濕時間大于5800h/a。

本發(fā)明所設(shè)計和制備的導(dǎo)線用于惡劣環(huán)境時，其使用壽命為現(xiàn)有鋁合金導(dǎo)線的1.2倍甚至更高。

原理和優(yōu)勢

為了提高合金強度和耐熱性，已有專利報道Zr、Er或Zr、Sc二元復(fù)合添加到鋁基體中，由于Er和Zr的擴散速率大小差2個數(shù)量級，率先析出的Al₃Er粒子容易粗化，三元復(fù)合相Al₃(Er,Zr)的形核數(shù)目減少，降低強化效果和熱穩(wěn)定性效果，Sc、Zr二元復(fù)合添加時，Sc和Zr的擴散速率大小差1個數(shù)量級，同樣存在率先析出的Al₃Sc粒子容易粗化的問題，但其粗化速率低于Er、Zr二元復(fù)合添加。本發(fā)明通過適量的Zr、Sc、Er、Si四元復(fù)合添加并輔以特殊的雙級時效工藝，產(chǎn)生充分的誘導(dǎo)脫溶和抑制粗化作用。Er的擴散速率最大，在250℃就能析出Al₃Er粒子，當(dāng)溫度超過300℃時，誘導(dǎo)Sc依附于Al₃Er粒子析出，抑制Al₃Er粒子的粗化，形成高密度的核-殼結(jié)構(gòu)的Al₃(Er,Sc)相，溫度升高至400℃進行第二級時效時，Zr的擴散速率因溫度提高而增加，依附于Al₃(Er,Sc)粒子析出，抑制Al₃(Er,Sc)粒子的粗化，形成了具有核-雙殼結(jié)構(gòu)的納米沉淀相Al₃(Er,Sc,Zr)。本發(fā)明采用的工業(yè)純鋁中，Si含量在0.03～0.05wt.％之間，由于Si易形成粗大相富集在晶界處，影響合金的韌性和耐蝕性，因此，除了鋁硅鑄造合金和以Mg₂Si為強化相的6系鋁合金外，Si均被視為鋁合金中不可避免的雜質(zhì)元素，通常要采取措施將其去除。本發(fā)明反而通過額外加入適量的Si，取代鋁晶格上的部分Al原子，以增加鋁基體的空位濃度，從而增加合金元素尤其是Zr的擴散速率，進而抑制Al₃(Er,Sc)粒子的粗化。

本發(fā)明在由低溫過渡到高溫的特殊雙級時效處理中，擴散速率處于Zr和Er之間的Sc，在誘導(dǎo)Zr脫溶和抑制富Er相粗化方面扮演著重要角色，而適量Si起到促進合金元素擴散的作用，使固溶態(tài)的Zr、Sc、Er充分脫溶，增加Al₃(Er,Sc,Zr)四元納米析出相的數(shù)目，進而促進高度彌散分布的細(xì)小沉淀相析出。

相比于合金基體，晶界的電化學(xué)電勢電位更負(fù)，F(xiàn)e、Si等元素形成的難熔雜質(zhì)相容易在晶界處富集，導(dǎo)致晶界更容易被侵蝕，合金的晶粒越細(xì)，晶界的相對面積越大，對合金的耐蝕性越不利。本發(fā)明優(yōu)選方案中，Zr的加入量僅為0.05％～0.10％，Er的加入量為0.10％～0.13％，不會出現(xiàn)可成為異質(zhì)核心的Al₃Zr初生相和Al₃Er初生相，可獲得尺寸適宜的鑄態(tài)晶粒，尺寸適宜的鑄態(tài)晶粒能降低晶界的相對面積，從而改善合金的耐蝕性。本發(fā)明Si與納米沉淀粒子間的交互作用抑制了Si在晶界處富集，使晶界有較高的純凈度，對合金韌性和耐蝕性均產(chǎn)生有益影響，但是，過量的Si不僅會損傷合金的韌性和耐蝕性，也會對導(dǎo)電率和耐熱性產(chǎn)生不利影響。此外，由于析出相與基體的電勢電位不同會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，析出相尺寸粗大及分布不均勻則容易導(dǎo)致點蝕，本發(fā)明合金的析出相尺寸細(xì)小，分布彌散，可進一步提高合金的耐蝕性。

本發(fā)明設(shè)計的材料組分配比(尤其是優(yōu)化后的材料組分配比)并輔以特殊的雙級時效工藝，使Er、Sc、Zr、Si產(chǎn)生協(xié)同和揚抑作用，促進沉淀相尺寸減小而數(shù)量增多，產(chǎn)生良好的強化效應(yīng)和熱穩(wěn)定效應(yīng)，同時，因固溶程度降低而使合金的電導(dǎo)率提高，因晶界的相對面積降低、晶界純凈度的提高、析出相細(xì)小且彌散分布而使耐蝕性大大提高，從而使導(dǎo)線的電導(dǎo)率、強度、耐熱性和耐蝕性協(xié)同提高。

總之，本發(fā)明通過適量Zr、Sc、Er、Si的復(fù)合添加并輔以特殊的雙級時效，在其組分和工藝的協(xié)同作用下，獲得了意想不到的優(yōu)異效果。

附圖說明

圖1(a)、(b)分別為實施例二和對比例五合金的鑄態(tài)組織照片。

圖2(a)、(b)分別為實施例二和對比例五合金在3.5wt％NaCl溶液中浸泡1個月后的表面SEM照片。

圖3(a)、(b)、(c)分別為實施例二、對比例一和對比例二時效析出相的STEM-HAADF照片。

由圖1可以看出，實施例二的晶粒尺寸為1～2mm，晶粒較粗大，晶界干凈清晰，這是因為添加的合金元素含量較低，難以在結(jié)晶時形成可作為異質(zhì)核心的初生相，從而獲得較粗大的晶粒，而粗大晶粒有利于提高合金的耐蝕性能及耐熱性能。對比例五的晶粒尺寸在200～300μm，晶粒細(xì)小，這是因為Zr的過量加入，在結(jié)晶過程中形成初生Al₃Zr粒子并產(chǎn)生了晶粒細(xì)化作用所致，此外，可觀察到部分晶界存在連續(xù)或斷續(xù)分布的第二相，經(jīng)分析為雜質(zhì)相或初生相。

由圖2可以看出，合金經(jīng)過一個月浸泡后，實施例二的試樣仍保持平整的表面，沒有出現(xiàn)明顯的點蝕坑，屬于均勻腐蝕，而對比例五產(chǎn)生了嚴(yán)重的腐蝕，這是晶界存在較多雜質(zhì)相且晶界相對面積較大所致。

由圖3(a)可以看出，實施例二析出了大量彌散分布的納米相，平均直徑在5nm左右，由局部放大圖可以看出，析出相具有核-殼-殼三層結(jié)構(gòu)，經(jīng)分析為Al₃(Er,Sc,Zr)沉淀相。對比例一采用單級時效，由圖3(b)可以看出，析出相尺寸在15nm左右，尺寸較大且密度相對較低。對比例二只添加了Sc和Zr，由圖3(c)可以看出，核心外只有一層殼，析出相尺寸為20nm左右，比實施例二粗大，且析出相密度也相對較低。析出相尺寸越大、數(shù)目越少，則強化效果越弱，耐熱性也相應(yīng)越低，析出相體積分?jǐn)?shù)越低，則脫溶越不充分，電導(dǎo)率也就越低。

具體實施方式

在本發(fā)明的實施例和對比例中，采用的鋁錠的鋁含量大于等于99.7wt.％，在780℃將其熔化后加入中間合金，其中間合金為Al-2wt.％Sc、Al-5wt.％Er、Al-5wt.％Zr、Al-5wt.％Si中的2～4種，根據(jù)設(shè)計配方確定中間合金加入種類和加入量；待中間合金完全熔化后在740℃保溫，充分?jǐn)嚢?、精煉，通過爐前快速成分分析和調(diào)整，使各元素的質(zhì)量百分比為設(shè)計值，在720℃保溫靜置15～20分鐘，然后鑄造、時效、擠壓、拉拔成單絲。鑄造工藝參數(shù)為：鑄造溫度為720℃，冷卻速率為30℃/s；擠壓工藝參數(shù)為：擠壓溫度為440℃，擠壓比為89.5，擠壓變形量為98.5％；擠壓獲得Φ9.5的圓鋁桿，經(jīng)6道次拉拔成Φ4.0mm的鋁合金單絲。

實施例一

經(jīng)熔煉、精煉、爐前快速分析成分和成分調(diào)整，使各元素的質(zhì)量百分比為：Zr為0.05％，Sc為0.14％，Er為0.10％，Si為0.05％。靜置后鑄造，得到鑄坯，對鑄坯進行300℃/36h+400℃/48h的雙級時效，經(jīng)擠壓、拉拔得到單絲。對單絲進行性能測試，結(jié)果如表1所示。

表1實施例一鋁單絲的綜合性能測試結(jié)果

實施例二

經(jīng)熔煉、精煉、爐前快速分析成分和成分調(diào)整，使各元素的質(zhì)量百分比為：Zr為0.08％，Sc為0.18％，Er為0.12％，Si為0.06％。靜置后鑄造，得到鑄坯，對鑄坯進行310℃/24h+400℃/48h的雙級時效，經(jīng)擠壓、拉拔得到單絲。對單絲進行性能測試，結(jié)果如表2所示。

表2實施例二鋁單絲的綜合性能測試結(jié)果

實施例三

經(jīng)熔煉、精煉、爐前快速分析成分和成分調(diào)整，使各元素的質(zhì)量百分比為：Zr為0.15％，Sc為0.10％，Er為0.20％，Si為0.08％。靜置后鑄造，得到鑄坯，對鑄坯進行330℃/12h+430℃/24h的雙級時效，經(jīng)擠壓、拉拔得到單絲。對單絲進行性能測試，結(jié)果如表3所示。

表3實施例三鋁單絲的綜合性能測試結(jié)果

對比例一

經(jīng)熔煉、精煉、爐前快速分析成分和成分調(diào)整，使各元素的質(zhì)量百分比為：Zr為0.08％，Sc為0.18％，Er為0.12％，Si為0.06％。靜置后鑄造，得到鑄坯，對鑄坯進行400℃/72h的單級時效，經(jīng)擠壓、拉拔得到單絲。對單絲進行性能測試，結(jié)果如表4所示。

表4對比例一鋁單絲的綜合性能測試結(jié)果

通過實施例二和對比例一可以看出：適量Zr、Sc、Er、Si的四元復(fù)合添加和特殊雙級時效工藝的協(xié)同作用，使所得單絲的導(dǎo)電性、耐熱性、耐蝕性及強度協(xié)同提高，當(dāng)組分配方完全一致時，采用單級時效工藝則達不到采用特殊雙級時效所取得的相應(yīng)效果。

對比例二

經(jīng)熔煉、精煉、爐前快速分析成分和成分調(diào)整，使各元素的質(zhì)量百分比為：Zr為0.15％，Sc為0.10％。靜置后鑄造，得到鑄坯，對鑄坯進行330℃/12h+430℃/24h的雙級時效，經(jīng)擠壓、拉拔得到單絲。對單絲進行性能測試，結(jié)果如表5所示。

表5對比例二鋁單絲的綜合性能測試結(jié)果

對比例二只添加了Zr、Sc，而沒有添加Er，即使采用與實施例三相同的雙級時效工藝，其所得單絲的電導(dǎo)率、強度和耐熱性能指標(biāo)均低于實施例三。

對比例三

經(jīng)熔煉、精煉、爐前快速分析成分和成分調(diào)整，使各元素的質(zhì)量百分比為：Zr為0.15％，Er為0.20％。靜置后鑄造，得到鑄坯，對鑄坯進行330℃/12h+430℃/24h的雙級時效，經(jīng)擠壓、拉拔得到單絲。對單絲進行性能測試，結(jié)果如表6所示。

表6對比例三鋁單絲的綜合性能測試結(jié)果

對比例三只添加了Zr、Er，而沒有添加Sc，即使采用與實施例三相同的雙級時效工藝，其所得單絲的電導(dǎo)率、強度和耐熱性能指標(biāo)均低于實施例三。

對比例四

經(jīng)熔煉、精煉、爐前快速分析成分和成分調(diào)整，使各元素的質(zhì)量百分比為：Zr為0.32％，Sc為0.25％，Er為0.35％，Si為0.08％。靜置后鑄造，得到鑄坯，對鑄坯進行300℃/36h+400℃/48h的雙級時效，經(jīng)擠壓、拉拔得到單絲。對單絲進行性能測試，結(jié)果如表7所示。

表7對比例四鋁單絲的綜合性能測試結(jié)果

通過實施例一和對比例四可以看出，當(dāng)所設(shè)計的導(dǎo)線組分不在本發(fā)明所限定范圍內(nèi)時，其所得單絲的導(dǎo)電性和耐蝕性明顯低于本發(fā)明，反映出本發(fā)明適量Zr、Sc、Er、Si的四元復(fù)合添加和特殊雙級時效工藝的協(xié)同作用，才能在保證一定強度和耐熱性的基礎(chǔ)上，使導(dǎo)電性能和耐蝕性能得到顯著提高。

對比例五

經(jīng)熔煉、精煉、爐前快速分析成分和成分調(diào)整，使各元素的質(zhì)量百分比為：Zr為0.28％，Sc為0.18％，Er為0.12％，Si為0.06％。靜置后鑄造，得到鑄坯，對鑄坯進行310℃/24h+400℃/48h的雙級時效，經(jīng)擠壓、拉拔得到單絲。對單絲進行性能測試，結(jié)果如表8所示。

表8對比例五鋁單絲的綜合性能測試結(jié)果

通過實施例二和對比例五可以看出，在所設(shè)計的導(dǎo)線組分中，即便只是某一組元超出本發(fā)明所限定范圍時，其所得單絲的導(dǎo)電性和耐蝕性均顯著低于本發(fā)明，反映出本發(fā)明適量Zr、Sc、Er、Si的四元復(fù)合添加和特殊雙級時效工藝的協(xié)同作用，才能在保證導(dǎo)線在具有一定強度和耐熱性的基礎(chǔ)上，其導(dǎo)電性能和耐蝕性能得到顯著提高，產(chǎn)生了意想不到的優(yōu)異效果。