高導電鋁合金材料及其鋁合金電纜導體的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電纜技術領域，尤其涉及一種電纜導體用鋁合金材料。本發(fā)明還涉及應用該鋁合金材料制作鋁合金電纜導體的工藝方法。
【背景技術】
[0002]我國是世界上用銅量最大的國家，同時又是一個極度缺銅的國家，每年大約有80%的銅產品都是靠進口來滿足國內需求。目前在我國電線電纜制造行業(yè)從某種意義上來說是銅加工行業(yè)，可以說我國五大類電線電纜的生產都離不開銅原料。據統(tǒng)計，2013年電線電纜產值超過1.3萬億元，電纜用銅量已經達到400多萬噸，占國內銅消耗量的近60%。銅資源的快速枯竭致使銅的價格上升，增加了電線電纜制造業(yè)的成本，這對我國電線電纜工業(yè)的發(fā)展極為不利。
[0003]我國鋁土礦產資源相對豐富，價格比銅便宜很多，而且鋁金屬相對銅導線重量也較輕，在相同電阻值的條件下鋁導體質量僅為銅線的50%左右；當鋁表面與空氣接觸時還能形成薄而堅固的氧化層，這種氧化層特別耐受各種形式的腐蝕，使得鋁具有良好的防腐性能；因此人們開始嘗試使用鋁材代替銅材。
[0004]但是，鋁導體的電阻率較銅導體大，鋁線的抗疲勞性、彎曲性能和抗蠕變性等機械性能也相對較差，容易折斷，純鋁導體的電纜在實際工程中難以應用。鋁合金電纜則在電工鋁中加入銅、鐵、鎂等合金元素，同時通過工藝調整，使得鋁合金導體的機械性能得到提高，鋁合金的電阻率介于鋁與銅之間，其電阻率高于銅，而略低于鋁。鋁合金導體在北美地區(qū)已運用近50年，得到美國、澳大利亞和加拿大等發(fā)達國家廣大用戶的認可，北美地區(qū)90%的民用及商業(yè)建筑都使用鋁合金導體電纜。自2006年鋁合金芯電纜在我國推廣應用以來，也得到了廣大電力工程應用商的肯定與好評。目前鋁合金導體電纜已開始應用于機場、軍事基地、鋼鐵石化、商業(yè)娛樂、高速公路、辦公大樓、住宅、酒店、超市、院校、體育場、醫(yī)院、工廠廠房等建設工程。
[0005]隨著鋁合金電纜應用范圍的不斷拓展和延伸，應用條件變得十分多變，人們并不滿足于鋁合金導體一些機械性能的改善，而是希望通過鋁合金組份和制備工藝的綜合創(chuàng)新，在提高其電氣性能的條件下，又能具有較高的抗拉強度、疲勞強度和彎曲強度等機械性能，尤其是抗蠕變性；蠕變對電纜危害極大，若電纜發(fā)生蠕變，其接觸點壓力松弛和減小，使得接觸電阻迅速增大，電流流過后造成接頭處過熱，如果不定期檢修，就會出現(xiàn)安全隱患。尤其是長時間過載和過熱條件下，如何解決鋁合金電纜蠕變問題顯得非常重要。
[0006]然而，鋁合金電纜電氣性能和機械強度的提高，尤其是抗蠕變性能的優(yōu)化具有相當的復雜性，它不僅決定于合金的組成成分，更取決于合金材料的制備步驟和熱處理工藝以及合金在生產過程中造成的缺陷。而現(xiàn)有對鋁合金電纜的研究往往偏重于鋁合金材料組分的研究，忽略鋁合金電纜中鋁合金導體材料的制備工藝及工藝參數的優(yōu)化，很難實現(xiàn)鋁合金電纜綜合性能的提高。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種既具有較高的導電性能和機械強度，又具有較好抗蠕變性能的高導電鋁合金材料。本發(fā)明還要提供一種應用該高導電鋁合金材料制備鋁合金電纜導體的方法。
[0008]為了解決上述技術問題，本發(fā)明的高導電鋁合金材料包括下列組分:Fe:
0.45wt%-0.60wt% ； Cu:0.15wt%-0.25wt% ； Mg:0.01 wt%-0.03 wt% ； RE:0.02 wt%-0.03wt% ； B:0.01 wt%-0.02 wt% ； S1:0.10 wt%-0.15 wt% ； Zr:0.10wt%- 0.15wt% ； Ag:0.01wt%-0.02 wt% ； N1: 0.01wt%_0.06wt% ;余量為 A1 及不可避免的雜質。
[0009]優(yōu)選地，所述RE為Y或/和Ce。
[0010]優(yōu)選地，所述的雜質總量< 0.15wt%o
本發(fā)明的高導電鋁合金材料中以鋁為基體，添加了適量的多種元素，大大地提高了其導電性能和連接性能。尤其是在合金中添加的鐵元素產生了高強度的抗蠕變性能，在電流過載時鐵發(fā)揮持續(xù)的連接作用，使鋁合金導體不會發(fā)生蠕變，鐵還可以改善鋁合金的抗拉強度等機械性能；在鋁合金的制備過程中，部分Fe以Al3Fe、Al2Fe3及Al4Fe5等形式析出。實際試驗證明，鐵含量過高則會降低鋁合金的電性能與抗疲勞性能，過低的鐵含量又難以達到較好的抗婦變性，本發(fā)明中恰當的選擇Fe的含量為0.45wt%-0.60wt%，達到的招合金電性能和抗蠕變性綜合平衡。本發(fā)明中還添加了適量的稀土元素，在鋁合金成分中的稀土元素能夠起到凈化、提高純度、填補表層缺陷的作用，并細化晶粒，提高晶界結合強度，稀土元素還起到固溶強化和彌散強化的作用，既增強了鋁合金材料的力學性能，又提高了鋁合金電纜的耐腐蝕。本發(fā)明中還添加適量的銅元素，銅與鋁形成Θ相，而Θ相的強化作用，有效地提高了鋁合金的高溫抗疲勞性和抗蠕變性。鋁合金中適量的硅元素，作為還原劑和脫氧劑具有凈化鋁液的作用，硅還能從共晶到過共晶得到最好的流動性，并改善鋁合金的抗拉強度。當鋁合金中加入微量Zr時，Zr會產生細小的彌散的Al2 Zr顆粒，該相粒子強烈釘扎亞晶界和位錯，阻礙晶界的迀移和亞晶粒的長大，顯著抵制合金的再結晶形核和長大，從而大大提高了合金的諸多優(yōu)異性能，如高的韌性和強度，良好的耐蝕性等。鋁合金中微量的Ni元素與Mg元素共同作用，使鋁合金獲得所需要的強度及抗蠕變性能，并且有利于提高鋁合金的熱處理性能。而且Ag元素的添加并限定其含量，顯著提高了鋁合金的抗疲勞性和高溫蠕變性。本發(fā)明基于大量的試驗和性能分析，其獨特的合金配方，并結合特定的制備工藝，其導電性能遠優(yōu)于純鋁，并且具有極好的抗彎曲性能、抗拉強度，以及較好的抗蠕變性能，相對純鋁導體，抗蠕變性能提高3倍以上，有效避免了電纜因接觸點連接壓力的變化而導致的接觸電阻增大，避免了連接穩(wěn)定性差和使用不安全等隱患，具有較好的導電性，力學性能和抗蠕變的綜合效果。
[0011]本發(fā)明還提供了一種應用上述高導電鋁合金材料制備鋁合金電纜導體的方法，該制備方法包括以下步驟:
⑴、熔煉鋁液:烘爐后將10000份(重量份)的重熔鋁錠投入熔煉爐進行階梯式加熱升溫；首先是預熱升溫段，將爐溫從室溫加熱至40(TC，加熱升溫時間為1小時，保溫20分鐘；再進入快速升溫段，將爐溫從400°C升至800°C，升溫時間為40分鐘，保溫10分鐘；最后為熔化段，將爐溫降至750 °C，并將爐溫控制在730 °C -750 °C，靜置保溫時間40分鐘，鋁錠全部熔化為鋁液； ⑵、熔煉鋁合金:將上述熔煉爐中的鋁液放入到精煉保溫爐中，并將精煉保溫爐爐溫升至780°C時添加480-570份(重量份)的AlFelO ;間隔15分鐘且爐溫降至760°C時添加300-350份(重量份)的AlZr4 ;間隔10分鐘且爐溫至750°C添加48-55份(重量份)的AlSi20 ;間隔5分鐘且爐溫至740°C添加180-230份(重量份)的AlCulO ;間隔5分鐘且爐溫至730°C同時添加22-28份(重量份)的A1RE10和35-65份(重量份)的A1B3 ;間隔5分鐘并將爐溫