一種高導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力行業(yè)輸電線路架空導(dǎo)線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高導(dǎo)電率耐熱鋁 合金單絲材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 耐熱鋁合金導(dǎo)線具有低弧垂、增容等特性，可在避免更換桿塔的前提下進(jìn)行線路 改造，運(yùn)行溫度可提升至120°C以上，載流量提高40%以上，尤其適合新建大容量輸電線路 及居民密集區(qū)老舊線路的增容改造。耐熱鋁合金導(dǎo)線采用的耐熱鋁合金材料，在20°C時(shí)的 導(dǎo)電率<60% IACS(International Annealing Copper Standard，國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)），輸 電線損較高，且制造時(shí)大多采用純度較高的電工鋁原料，另外一般還需添加價(jià)格昂貴的Er、 Y、Sc等稀土元素進(jìn)行微合金化改性，生產(chǎn)使用成本較高，在一定程度上也制約了其大規(guī)模 發(fā)展及應(yīng)用。
[0003] 自1949年Harringtond首次在錯(cuò)材中添加 Zr提高錯(cuò)材耐熱性能以來(lái)，研宄者們 對(duì)耐熱鋁合金導(dǎo)線開(kāi)展了大量研宄，到20世紀(jì)末，耐熱鋁合金導(dǎo)線的導(dǎo)電率提高至60% IACS，導(dǎo)線長(zhǎng)期使用溫度達(dá)到210°C。但隨著耐熱鋁合金耐熱溫度的提高，其導(dǎo)電率降低明 顯，輸電線損增大，這與發(fā)展可持續(xù)節(jié)能經(jīng)濟(jì)背道而馳。因此，在保證較高載流量的前提下， 如何提高耐熱鋁合金的導(dǎo)電率、降低線損并有效控制成本成為當(dāng)前耐熱鋁合金導(dǎo)線亟待解 決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種高導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲材料，解決常規(guī)60% IACS耐 熱鋁合金導(dǎo)線導(dǎo)電率低輸電線損大的技術(shù)難題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，采取以下技術(shù)方案：
[0006] 一種高導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲材料，所述合金由按質(zhì)量百分比計(jì)的以下原料組 成：B 0· 002 ~0· 03%，Sn 0· 02 ~0· 10%，Zr 0· 018 ~0· 030%，Si 0· 001 ~0· 06%，F(xiàn)e 0· 001 ~0· 15%，（V+Ti+Cr+Mn)彡 0· 01%，余量為鋁。
[0007] 所述的高導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲材料的第一優(yōu)選方案，所述合金由按質(zhì)量百分 比計(jì)的以下原料組成：B 0· 015 ~0· 025%，Sn 0· 05 ~0· 10%，Zr 0· 018 ~0· 030%，Si 0· 001 ~0· 06%，F(xiàn)e 0· 001 ~0· 15%，（V+Ti+Cr+Mn)彡 0· 01%，余量為鋁。
[0008] 所述的高導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲材料的第二優(yōu)選方案，所述合金由按質(zhì)量百 分比計(jì)的以下原料組成：B 0.02%，Sn 0.05%，Zr 0.026%，Si 0.048%，F(xiàn)e 0.128%， (V+Ti+Cr+Mn) 0· 009 %，余量為鋁。
[0009] 所述的高導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲材料的制備方法，包括以下步驟：
[0010] 1)冶煉：于730~750°C下熔煉工業(yè)純鋁錠和Al-B中間合金靜置30min后扒渣， 再于750°C下，熔化Al-Zr合金和純度為99. 95%的Sn ;
[0011] 2)精煉：用精煉劑精煉鋁液15min，靜置40min后扒渣；
[0012] 3)澆鑄：于700~720°C下將鋁合金液澆入紫銅質(zhì)鑄模具中，制得鋁合金錠；
[0013] 4)制桿：將步驟3)制得的鋁合金錠于510~530°C下保溫Ih后軋制成Φ9. 5mm 的鋁合金圓桿；
[0014] 5)拉絲：以10~15m/s的速率對(duì)步驟4)制得的鋁合金圓桿拉絲，以每道次6~ 10 %的變形量拉制得到單絲。
[0015] 所述的高導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲材料的制備方法的第一優(yōu)選技術(shù)方案，步驟2所 述精煉的溫度為720~730 °C。
[0016] 所述的高導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲材料的制備方法的第二優(yōu)選技術(shù)方案，步驟3所 述鋁合金錠的尺寸為22 X 22 X 380mm。
[0017] 所述的高導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲材料的制備方法的第三優(yōu)選技術(shù)方案，步驟5所 述拉絲的溫度為30~50°C ;所述單絲的直徑為3. 5~3. 99mm。
[0018] 所述的高導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲材料在架空導(dǎo)線中的應(yīng)用。
[0019] 各合金元素的作用及機(jī)理如下：
[0020] Sn :在現(xiàn)代工業(yè)中Sn元素是不可或缺的稀有金屬，我國(guó)錫礦資源十分豐富，是世 界上錫礦探明儲(chǔ)量最多的國(guó)家。Sn元素以微量形式加入鋁合金中能夠明顯改善鋁合金的 微觀組織和其力學(xué)性能。加入Sn后形成的富Sn粒子或者快速冷卻所形成位錯(cuò)環(huán)能夠直 接或間接起到促進(jìn)非均勻形核的作用。加熱時(shí)，Sn元素會(huì)以Sn原子的形式析出，從而對(duì)鋁 合金起到強(qiáng)化作用。Sn再恪體中能夠形成Al 9Sn7、Al6Sn5、AI5SivFPI Al 35]14等多種合金化合 物，形成高溫強(qiáng)化相，提高鋁合金運(yùn)行的熱穩(wěn)定性和高溫抗蠕變性能，并且可以有效改善鋁 合金室溫或高溫條件下的抗腐蝕性能。
[0021] 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Al 3Zr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。
[0022] B :鋁導(dǎo)體中雜質(zhì)元素如果以固溶態(tài)存在，對(duì)導(dǎo)電性能的影響很大，而硼化處理能 有效降低雜質(zhì)含量，即在電工錯(cuò)中加入一定量的B元素后，能夠和過(guò)渡族雜質(zhì)元素 Cr、Μη、 V、Ti等雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)，使之由固溶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛蠎B(tài)并沉積于熔體底部而凈化鋁導(dǎo)體， 從而提高鋁合金的導(dǎo)電性能。與此同時(shí)，在鋁導(dǎo)體加入適量的Zr能明顯改善合金的耐熱性 能，但Zr的加入也會(huì)對(duì)合金的導(dǎo)電性產(chǎn)生不利影響。有研宄表明在含Zr的鋁合金中加入 適量的B，能在保證合金耐熱性的前提下保證其導(dǎo)電性。一般認(rèn)為，控制含Zr耐熱鋁合金 材料中加入的B在Zr :B = 1 :2的范圍內(nèi)，添加的B與合金中的Zr形成ZrB2化合物，由于 化合物彌散分布且顆粒較小，ZrB 2F能作為Al原子的形核中心，因此它不會(huì)對(duì)合金產(chǎn)生晶 粒細(xì)化作用，不會(huì)增加晶界，從而降低了 Zr元素對(duì)合金的導(dǎo)電性產(chǎn)生的負(fù)面影響。然而過(guò) 量B的加入對(duì)含Zr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。
[0023] Si :硅主要來(lái)自鋁礬土中的二氧化硅或硅酸鹽，是純鋁中的一種主要雜質(zhì)元素 。Si 能提高鋁合金的鑄造性能及焊接流動(dòng)性，還能使鋁合金具有較高的力學(xué)性能。但隨著Si含 量增加，鋁合金的電阻率增加。這主要是由于Si是半導(dǎo)體，較鋁基體的電阻率高得多，故Si 含量的增加將減少鋁基體的有效導(dǎo)電截面積，降低鋁合金的導(dǎo)電率。因此，降低硬鋁材料的 電阻率應(yīng)盡量減少Si含量。
[0024] Fe :錯(cuò)中含有一定量的鐵，是純鋁中的一種主要雜質(zhì)。因?yàn)槿蹮捙c鑄造使用的工具 主要是鋼質(zhì)或鑄鐵，F(xiàn)e元素就會(huì)因這些工具帶入鋁中，而且在重熔廢料時(shí)，則可混入鐵與鐵 肩。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或Al-Fe-Si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。最新研宄表明，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(guò)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。
[0025] Cr、Mn、V、Ti :均為電工純鋁中的雜質(zhì)元素。鋁導(dǎo)體中的Cr、Mn、V、Ti雜質(zhì)元素以 固溶態(tài)存在時(shí)，很容易吸收導(dǎo)體材料內(nèi)的自由電子而填充它們不完整的電子層。這種傳導(dǎo) 電子數(shù)目的減少會(huì)導(dǎo)致鋁導(dǎo)體電阻率的增加。研宄表明，每1% (Cr+Mn+V+Ti)的有害作用 為每1% Si對(duì)鋁導(dǎo)體導(dǎo)電性能有害作用的5倍。由此可以看出嚴(yán)格控制Cr、Mn、V、Ti雜質(zhì) 元素的含量對(duì)保證鋁導(dǎo)體的導(dǎo)電性能具有重要作用。
[0026] 與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下效果：
[0027] 1)本發(fā)明由于在鋁合金中添加了微量的B、Zr、Sn元素，既能夠降低鋁合金雜質(zhì)含 量，又可形成高溫強(qiáng)化相提高鋁合金的熱穩(wěn)定性和高溫抗蠕變性能，從而保證鋁合金材料 具有高導(dǎo)電率的同時(shí)具有良好的力學(xué)性能和耐熱性能；
[0028] 2)制備出的耐熱鋁合金單絲材料無(wú)需對(duì)圓桿或單絲進(jìn)行熱處理，從而簡(jiǎn)化了高導(dǎo) 電率耐熱鋁合金單絲材料的制備工藝，降低了生產(chǎn)成本；
[0029] 3)本發(fā)明制備的耐熱鋁合金單絲材料的導(dǎo)電率彡61.2% IACS，抗拉強(qiáng)度 彡165MPa，延伸率> 2. 0%，耐熱溫度彡150°C，于230°C下加熱Ih后強(qiáng)度殘余率大于90%。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 所有實(shí)施例均采用現(xiàn)有的冶煉及軋制設(shè)備。
[0031] 實(shí)施例1
[0032] 一種高導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲材料，組分及其質(zhì)量百分比為：
[0033] B 0.015% Zr 0.018% Sn 0.05% Cr+Mn+V+Ti 0.01% Fe 0.138%
[0034] Si 0.053% Al 余量
[0035] 上述高導(dǎo)電率耐熱鋁合金單絲材料的制備方法，包括以下步驟：
[0036] 1)冶煉：于730°C下熔煉工業(yè)純鋁錠和Al-B中間合金靜置30min后扒渣，再于 750°C下，熔化Al-Zr合金和純度為99. 95 %的Sn ;
[0037] 2)精煉：于720°C下用精煉劑精煉鋁液15min，靜置40min后扒渣；
[0038] 3)澆鑄：于700°C下將鋁合金液澆入紫銅質(zhì)鑄模具