所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料塑性加工
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及到一種鋁合金導(dǎo)線及其制備方法，及導(dǎo)線產(chǎn)品應(yīng)用于汽車(chē)線束。
背景技術(shù)：
：近年來(lái)，隨著汽車(chē)和電子工業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)電材料的需求量不斷增加。眾所周知，銅是重要的戰(zhàn)略物資，也一直是生產(chǎn)銅導(dǎo)體的重要原材料。銅導(dǎo)體的廣泛使用和對(duì)銅導(dǎo)體的過(guò)度依賴，致使我國(guó)電子工業(yè)和電力行業(yè)用銅量占到總用銅量的60％以上。對(duì)于電子工業(yè)和電力行業(yè)來(lái)說(shuō)，最明顯的材料替代就是用鋁導(dǎo)體代替銅導(dǎo)體。銅的比重是8.9g/cm3，鋁的比重是2.7g/cm3，銅比鋁重。也就是說(shuō)，在導(dǎo)體規(guī)格相同的情況下，銅導(dǎo)體的重量是鋁導(dǎo)體的3.3倍。但是，鋁的導(dǎo)電率只有銅的61％，即在傳輸電流相同的情況下，鋁導(dǎo)體的截面要比銅導(dǎo)體大61％。所以，從導(dǎo)體重量方面來(lái)說(shuō)，要使兩種導(dǎo)體具有相同的載流量，所需要的銅導(dǎo)體的重量大約是鋁導(dǎo)體的2倍。另外，銅和鋁的價(jià)格比大約是3.5倍左右，因此，等效銅導(dǎo)體的成本是鋁導(dǎo)體的7倍。傳統(tǒng)地，鋁合金主要應(yīng)用于架空導(dǎo)線。由于它的比重是銅的1/3導(dǎo)電率為銅的2/3，從有效利用能量來(lái)說(shuō)，輕量化鋁合金導(dǎo)體是極為有效的，這種優(yōu)勢(shì)在汽車(chē)和電子工業(yè)是可以預(yù)見(jiàn)的。據(jù)美國(guó)德?tīng)柛９?delphialuminumcablesystems)介紹，“與銅相比，德?tīng)柛ｄX導(dǎo)線可將車(chē)身線束總重降低47％，對(duì)一般汽車(chē)而言，可減少約1.8公斤(4磅)的車(chē)重?！?。在現(xiàn)有電子裝備情況下，通常按每臺(tái)汽車(chē)耗銅15～22kg計(jì)算，預(yù)計(jì)我國(guó)未來(lái)汽車(chē)行業(yè)汽車(chē)線束將耗銅約20萬(wàn)噸以上。因此，本領(lǐng)域急需要開(kāi)發(fā)生產(chǎn)可替代純銅的汽車(chē)線束芯用鋁合金導(dǎo)線和生產(chǎn)工藝方法，以減輕汽車(chē)重量、提高燃油經(jīng)濟(jì)性并減少二氧化碳排放和降低汽車(chē)制造成本；另一方面，可以部分解決傳統(tǒng)的電子、電力電工材料中過(guò)渡依賴銅資源的狀況問(wèn)題。目前，鋁合金盤(pán)圓桿料的生產(chǎn)工藝有立式半連續(xù)鑄造－擠壓法、連鑄連軋法和水平連鑄連拉法三種方法。立式半連續(xù)鑄造－擠壓法制備鋁合金線坯的工藝流程：配料→熔化→精煉→立式半連續(xù)鑄造→鑄錠均勻化→鑄錠加熱→熱擠壓→線坯。但這種工藝路線設(shè)備投資較大，工序多，占地面積大，工模具消耗和能耗較高，生產(chǎn)過(guò)程中的幾何廢料也高，產(chǎn)品成品率相對(duì)較低，更為重要的是常規(guī)擠壓產(chǎn)品組織性能十分不均勻，這將嚴(yán)重地影響到最終產(chǎn)品的性能均勻性。連鑄連軋工藝是電線電纜行業(yè)生產(chǎn)鋁和軟鋁合金線坯的主要方法，國(guó)內(nèi)主要還是生產(chǎn)電線電纜行業(yè)生產(chǎn)鋁線坯，有少量企業(yè)在開(kāi)發(fā)鋁合金盤(pán)圓桿料。連鑄連軋法制備鋁合金盤(pán)圓桿料的工藝流程：配料→熔化→精煉→連續(xù)鑄造(邊長(zhǎng)為40～50mm菱形截面的坯料)→熱連軋(13道次)→ф9.8mm左右的線坯。這種工藝路線設(shè)備投資適中，產(chǎn)品單重大、成材率高(90％以上)、質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。但控制澆注過(guò)程中進(jìn)入氧化夾雜物和軋制過(guò)程中氧化膜和潤(rùn)滑油的進(jìn)入是相當(dāng)有難度的，這將嚴(yán)重地影響到最終產(chǎn)品的加工性能和成品率。水平連鑄法制備鋁及鋁合金盤(pán)圓桿料的工藝流程：配料→熔化→精煉→水平連鑄連拉(12個(gè)或24個(gè)結(jié)晶器并聯(lián))→ф12mm左右的線坯。水平連鑄法的特點(diǎn)是設(shè)備投資少，線材的成品率高(90％以上)。然而，水平連鑄鋁合金桿坯中不可避免的出現(xiàn)較常見(jiàn)比重偏析、枝晶偏析、晶界偏析和區(qū)域偏析，而這些偏析在后續(xù)拉拔工藝中難以消除它，通?？刹捎脤?duì)水平連鑄鋁合金桿坯進(jìn)行均勻化處理。目前，國(guó)內(nèi)只能采用水平連鑄技術(shù)生產(chǎn)純鋁盤(pán)圓桿料且連續(xù)生產(chǎn)的時(shí)間據(jù)報(bào)導(dǎo)最長(zhǎng)也只有72小時(shí)。水平連鑄技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，最早應(yīng)用于有色金屬生產(chǎn)。但由于開(kāi)發(fā)初期鑄機(jī)技術(shù)性能的局限性和某些技術(shù)難點(diǎn)的存在，其產(chǎn)量與效益均不明顯，因而未能受到重視。隨著科技的進(jìn)步，對(duì)原材料的要求越來(lái)越高，發(fā)展合理的連鑄工藝以確保鑄坯的技術(shù)性能已成為必然。與傳統(tǒng)的鑄錠、開(kāi)坯、軋制的生產(chǎn)方式相比，連鑄技術(shù)在提高生產(chǎn)能力及金屬收得率、簡(jiǎn)化工藝流程、降低能耗、保證產(chǎn)品質(zhì)量等各方面都具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，更能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)大規(guī)模、高速化、連續(xù)化以及節(jié)約能源的要求。水平連鑄是將金屬的熔體均勻地導(dǎo)入通水冷卻的結(jié)晶器中，結(jié)晶器中的金屬熔體將受到結(jié)晶器與底座的冷作用，熔體迅速凝固結(jié)晶，并形成一層較為堅(jiān)固的凝固殼。等到結(jié)晶器中的金屬熔體的水平達(dá)到某一特定高度時(shí)，鑄錠機(jī)的牽引機(jī)構(gòu)便會(huì)帶動(dòng)底座上的凝固殼同時(shí)以特定的速度不斷連續(xù)向下移動(dòng)。當(dāng)前面已凝固的部分脫離結(jié)晶器時(shí)，會(huì)立即受結(jié)晶器下沿處的二次冷卻水的直接冷卻，鑄錠的凝固層也會(huì)隨之連續(xù)地向中心區(qū)域不斷推進(jìn)，并最終完全凝固結(jié)晶。金屬熔體會(huì)不斷地流入結(jié)晶器內(nèi)，鑄錠也會(huì)不斷的形成，再由切割機(jī)切割到所需的長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)鑄錠的連續(xù)生產(chǎn)。水平連鑄過(guò)程中的結(jié)晶器相對(duì)于保溫爐或中間包是固定不動(dòng)的，鑄錠拉出的方向會(huì)與地面平行。其主要工藝特點(diǎn)在于：(1)水平連鑄與半連續(xù)鑄造和連鑄連軋相比，結(jié)晶器直接固定在鑄造爐側(cè)壁上，構(gòu)成一個(gè)由鑄造爐到結(jié)晶器一個(gè)密封的鑄造系統(tǒng)，在鑄造過(guò)程中，熔體不與大氣接觸，可免除氧化生渣和氣體混入鑄錠。因此，水平連鑄盤(pán)園桿氧化夾渣物少、含氣量更低，有利于提高和保證鋁合金導(dǎo)體的導(dǎo)電性能；(2)水平連鑄與半連續(xù)鑄造和連鑄連軋相比，結(jié)晶器短，凝固速度極高。因此，桿坯表面質(zhì)量好，外觀尺寸精度高，內(nèi)部組織性能均勻，晶粒度細(xì)小，有利于提高鋁合金導(dǎo)體的力學(xué)和導(dǎo)電性能。但僅僅靠水平連鑄還難以解決搖擺次數(shù)與電學(xué)性能以及強(qiáng)度之間矛盾；這就導(dǎo)致現(xiàn)有鋁導(dǎo)線還很難真正意義上的用作工業(yè)化的汽車(chē)束線。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：：為了解決這一技術(shù)難題，本發(fā)明提供了一種鋁合金導(dǎo)線及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明一種鋁合金導(dǎo)線，各組分按重量百分比計(jì)：fe0.2％～0.6％；cr0.01％～0.15％；zr0.01％～0.10％；si<0.08％；mg<0.001％；mn<0.005％；ti<0.005％；v<0.005％；cu<0.005％；zn<0.1％；其余為鋁及不可避免的雜質(zhì)。優(yōu)選的，本發(fā)明一種鋁合金導(dǎo)線，各組分按重量百分比計(jì)：fe0.3％～0.52％、優(yōu)選為0.31～0.45％、進(jìn)一步優(yōu)選為0.312％～0.432％；cr0.05％～0.10％、優(yōu)選為0.06～0.485％、進(jìn)一步優(yōu)選為0.064～0.081％；zr0.05％～0.08％；si<0.062％；mg<0.003％；mn<0.005％；ti<0.005％；v<0.005％；cu<0.003％；zn<0.05％；其余為鋁及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明一種鋁合金導(dǎo)線的制備方法，包括下述步驟：步驟一：按設(shè)計(jì)組分配各組元，將各組元置于熔煉爐內(nèi)，經(jīng)熔化、除氣、除渣、精煉后采用水平連鑄工藝鑄造成圓線桿；步驟二對(duì)步驟一所得圓線桿進(jìn)行均勻化處理后，進(jìn)行交替拉伸至得到設(shè)定尺寸的半成品；半成品經(jīng)退火處理，得到所述鋁合金導(dǎo)線；所述均勻化處理時(shí)，控制溫度為580-630℃、保溫時(shí)間為8-24小時(shí)；保溫后出爐空冷；所述交替拉伸為：沿a方向拉伸至變形量為b時(shí)，將拉伸方向切換成c，沿c方向拉伸至變形量為d時(shí)，將將拉伸方向切換成a，繼續(xù)拉伸，按a、c拉伸方向循環(huán)拉伸直至得到設(shè)定尺寸的半成品；所述b小于40％、優(yōu)選為小于等于36％、進(jìn)一步優(yōu)選為30-35％、所述d小于40％優(yōu)選為小于等于36％、進(jìn)一步優(yōu)選為30-35％；所述退火處理的溫度為280-400℃、保溫時(shí)間為2-8小時(shí)。保溫后出爐空冷。本發(fā)明通過(guò)控制單方向拉伸變形量小于40％，然后換方向再拉伸，如此交換直到所要的線徑。作為進(jìn)一步的優(yōu)選方案，本發(fā)明中a方向與b方向呈180度。作為優(yōu)選，本發(fā)明一種鋁合金導(dǎo)線的制備方法，步驟一中，按設(shè)計(jì)組分配取鋁源、鋯源、鉻源、鐵源；將配取的鋁源、鋯源、鉻源、鐵源置于熔煉爐內(nèi)，經(jīng)熔化、除氣、除渣、精煉后采用水平連鑄工藝鑄造成圓線桿；所述鋁源為純鋁和/或鋁合金；所述鋯源為鋁鋯合金、所述鉻源為鋁鉻合金、所述鐵源為鋁鐵合金；所述鋁合金由鋁鋯合金、鋁鉻合金、鋁鐵合金組成。工業(yè)上應(yīng)用時(shí)，所述純鋁為純度大于等于99.7％的工業(yè)級(jí)純鋁。所述鋁鋯合金為al-5zr中間合金、所述鋁鉻合金為al-5cr中間合金、所述鋁鐵合金al-10fe中間合金。本發(fā)明一種鋁合金導(dǎo)線的制備方法，所述步驟一中，水平連鑄工藝的鑄造溫度為690－710℃,鑄造速度為800－1200mm/分，所獲得圓線桿直徑為8－12mm。本發(fā)明一種鋁合金導(dǎo)線的制備方法，所述步驟二中，所述交替拉伸工藝為單道次拉伸變形量控制在5-20％。為了進(jìn)一步的優(yōu)化工藝，單方向多道次變形拉升時(shí)，第i道次的變形量大于第i+1次的變形量；最優(yōu)選擇為第i道次的變形量大于第i+1次的變形量的2-5倍。這樣有利于提升鋁合金導(dǎo)線的搖擺次數(shù)。本發(fā)明一種鋁合金導(dǎo)線的制備方法，所述步驟二中，所述通過(guò)交替拉伸工藝進(jìn)行粗拉、中拉、細(xì)拉成規(guī)格為ф0.22mm的鋁合金線材。本發(fā)明一種鋁合金導(dǎo)線的制備方法，所制備的導(dǎo)線，其力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和搖擺次數(shù)主要技術(shù)性能在于：a)單線抗拉強(qiáng)度105-120mpa；b)單線延伸率20－35％；c)單線20℃導(dǎo)電率為61.0－61.8％iacs；d)線束搖擺次數(shù)為500－700次。本發(fā)明一種鋁合金導(dǎo)線的制備方法的應(yīng)用，包括其經(jīng)絞線成線束后作為汽車(chē)線束。本發(fā)明的有益效果：研究發(fā)現(xiàn)：多晶體金屬或合金塑性變形時(shí)，各個(gè)晶?；频耐瑫r(shí)，也伴隨著晶體取向相對(duì)于外力有規(guī)律的轉(zhuǎn)動(dòng)。盡管由于晶界的聯(lián)系，這種轉(zhuǎn)動(dòng)受到一定的約束，但當(dāng)變形量較大時(shí)，原來(lái)為任意取向的各個(gè)晶粒也會(huì)逐漸調(diào)整，引起多晶體中晶粒取向大體趨于一致的過(guò)程叫做“擇優(yōu)取向”。具有擇優(yōu)取向的晶體組織稱為“變形織構(gòu)”。塑性加工方式不同，可出現(xiàn)不同類型的織構(gòu)。金屬經(jīng)拉拔變形后其特定晶向平行于最大主變形方向(即拉拔方向)。形成絲織構(gòu)。發(fā)明人在研發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)拉絲后的鐵、鋁、鎢等金屬具有<110>絲織構(gòu)。變形程度越大，變形狀態(tài)越均勻，則織構(gòu)表現(xiàn)的也越明顯。因此，如果采用傳統(tǒng)的鋁及鋁合金線材拉伸工藝，會(huì)在拉伸方向上產(chǎn)生明顯的絲織構(gòu)，而這種織構(gòu)雖然有利于鋁合金線材強(qiáng)度的提高，但大大降低了線材的塑性和韌性，從而影響到線束的搖擺次數(shù)?；诖耍l(fā)明人通過(guò)組分調(diào)整以及相應(yīng)熔煉工藝、均勻化處理工藝、交替拉伸工藝以及退火工藝的優(yōu)化，通過(guò)組分與制備工藝的協(xié)同作用，得到了延伸率高、搖擺次數(shù)高、導(dǎo)電性能優(yōu)良、抗拉強(qiáng)度適中的鋁合金。該鋁合金用作汽車(chē)線束時(shí)，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)由于同類鋁產(chǎn)品。具體實(shí)施方案實(shí)施例和對(duì)比例中：搖擺次數(shù)在zy-817線束搖擺試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的鋁合金化學(xué)成份范圍，采用99.7％al錠、al-10％fe中間合金、al-5％cr中間合金和al-5％zr中間合金，按設(shè)計(jì)重量比例配制鋁合金，在500kg容量燃?xì)馊蹮挔t內(nèi)熔化，經(jīng)除氣除渣精煉后，采用光譜直讀方法對(duì)溶體取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，實(shí)施過(guò)程的三種合金實(shí)測(cè)化學(xué)成分見(jiàn)表1。經(jīng)保溫過(guò)濾后采用帶結(jié)晶器的水平連鑄工藝鑄造成直徑為ф10mm的圓線桿，澆注溫度控制在705-710℃，水平連鑄速度800mm/min。將直徑為ф10mm的圓線桿在90kw箱式電阻爐內(nèi)加熱至600℃保溫12小時(shí)進(jìn)行均勻化處理，然后采用交替拉伸工藝進(jìn)行粗拉、中拉、細(xì)拉成規(guī)格為ф0.22mm的鋁合金線材,每道配模拉伸變形量平均為10％，單次同一方向總的拉伸變形量為30-32％。將線材在300℃保溫4小時(shí)后對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能和導(dǎo)電性能測(cè)試。同時(shí)，為了對(duì)比本發(fā)明的交替拉伸工藝對(duì)線材性能的影響，采用傳統(tǒng)拉伸工藝，將直徑9.5mm的工業(yè)純鋁線和實(shí)例1－3的鋁合金連鑄連軋桿，經(jīng)過(guò)32道次同方向一直拉伸到直徑0.22mm的鋁合金線，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。最后將17根鋁合金導(dǎo)線經(jīng)絞線并制成線束，測(cè)量線束性能并與17根銅芯汽車(chē)線束進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯觯罕景l(fā)明的鋁合金線芯，其力學(xué)性能和導(dǎo)電性能與銅芯汽車(chē)線束相當(dāng)，雖然搖擺次數(shù)有一定差距，但仍然滿足了汽車(chē)線束搖擺次數(shù)大于500次的技術(shù)要求。表1本發(fā)明鋁合金的實(shí)測(cè)化學(xué)成份(重量百分比，％)合金fesicumgmncrznzrti實(shí)例10.3120.0620.0050.0010.0040.0810.0680.0680.002實(shí)例20.4320.0580.0020.0020.0050.0640.0590.0620.003實(shí)例30.5160.0660.0030.0020.0040.0590.0720.0560.003表2本發(fā)明鋁合金單線性能檢驗(yàn)結(jié)果表3本發(fā)明17/0.22鋁合金線束與17/0.16銅線束性能檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(試驗(yàn)條件：吊重300g,吊距300mm，前后各搖擺45，搖擺頻率25次/分)當(dāng)前第1頁(yè)12