一種高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線單絲及其制備方法
【專利說明】一種高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線單絲及其制備方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電力行業(yè)的輸電線路架空導(dǎo)線制造方法，具體講涉及一種架空導(dǎo) 線用硬鋁合金單絲及其制備方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 架空輸電線路一般普遍采用鋼芯鋁絞線作為輸配電用導(dǎo)線，為了解決輸電線路的 節(jié)能改造，降低輸電線損，提高線路壽命，一般采用高導(dǎo)電率硬鋁合金制備的鋼芯鋁絞線實(shí) 現(xiàn)輸電線路的節(jié)能降耗。在輸電線路上采用高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是節(jié)能： 相對于常規(guī)導(dǎo)線導(dǎo)電率，高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線的導(dǎo)電率提高了約3%，降低電阻損耗；二是降 低桿塔投資：由于導(dǎo)線風(fēng)荷載降低約10%，塔重可降低約〇. 5%;三是壓縮走廊寬度：500千 伏同塔雙回路采用等截面型線時(shí)，走廊寬度可減少0. 5米；四是運(yùn)行可靠性強(qiáng)：能相對降低 電暈放電產(chǎn)生的噪聲和線路損耗。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，2010年，有些地方的輸電線路損電量為 1710億千瓦時(shí)；到2015年，若20%輸電線路采用高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線，總損耗可減少10. 26 億千瓦時(shí)。因此，高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線對一些電網(wǎng)升級(jí)改造，提高輸送效率，減少線路損耗及 運(yùn)行成本，有至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)有技術(shù)中高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線制備工藝比較復(fù)雜，產(chǎn)品性能 不穩(wěn)定，產(chǎn)品導(dǎo)電率低，且在煉制過程中均需加入精煉劑，而現(xiàn)有精煉劑的一個(gè)共同點(diǎn)就是 應(yīng)用范圍窄、功能單一，需分別投入幾種不同精煉劑后才能達(dá)到不同的目的。而且往往效果 不顯著，或?qū)θ垠w潔凈度或環(huán)境有害，并程度不等地存在著各種問題。
[0003] 中國專利CN103093855A公開了一種高導(dǎo)電率稀土硬鋁導(dǎo)線，按重量百分比其組 分為：鐵0.0875%~0· 145%，鐵硅比例控制在L 7~2. 5,硼0.01~0· 12%，釓0.01~ 0. 15%，其余為鋁。本發(fā)明還公開了該高導(dǎo)電率稀土硬鋁導(dǎo)線的制備方法，主要是選配鋁 錠，熔煉，再進(jìn)行硼化、精煉等處理，制得導(dǎo)電率63 % IACS，抗拉強(qiáng)度160MPa的硬鋁導(dǎo)線。但 是所述制備方法所加入氟硼酸鉀、氟鋁酸鈉等精煉劑，對環(huán)境污染較大。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 為解決上述不足，本發(fā)明提供的技術(shù)方案中，加入微量合金化元素控制合金中的 雜質(zhì)含量，并用熱處理工藝來調(diào)整合金的微觀組織，得到一種20°C下導(dǎo)電率彡63% IACS、 抗拉強(qiáng)度彡163MPa的硬鋁導(dǎo)線單絲。
[0005] 上述發(fā)明目的是用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線單絲，所述硬鋁導(dǎo)線單絲含按質(zhì)量百分比的下述成分：Zr : 0· 01 ~0· 05%，B :0· 01 ~0· 05%，Sc :0· 05 ~0· 2%，F(xiàn)e :0 ~0· 14%，Si :0 ~0· 07%，V、 Ti、Cr和Mn四種元素質(zhì)量百分比之和為0~0. 012%，其余為Al和不可避免的微量雜質(zhì)。
[0007] 優(yōu)選的，所述B的質(zhì)量百分比為0.03~0.05%。
[0008] 如上所述的一種高導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線單絲的制備方法，包括下述步驟：
[0009] (1)冶煉：將純度彡99. 7%的鋁錠在720~750°C熔化后，在730~750°C下加入 B、Zr、Sc、Fe、Si、V、Ti、Cr和Mn的中間合金，待中間合金完全熔化后攪拌鋁合金液；
[0010] (2)精煉：通入N2除氣、除渣10~20分鐘后，在730~750°C下精煉鋁合金液，靜 置30~60分鐘；
[0011] (3)澆鑄：在700~720°C將步驟（2)所得鋁合金液澆鑄到預(yù)熱至200~250°C保 溫的圓柱型模具內(nèi)，得到硬鋁圓棒；
[0012] (4)制桿：硬鋁圓棒在400~500°C保溫0· 5~2h后，擠壓成鋁合金桿，同時(shí)向擠 壓出的鋁合金桿噴灑冷水；
[0013] (5)拉絲：用拉絲機(jī)將鋁合金桿以15m/s的速度冷拉拔，用鋼模經(jīng)10~20道次拉 制，優(yōu)選的拉制次數(shù)為15次，得硬鋁單絲；
[0014] (6)退火：將硬鋁單絲退火，取出后空冷至室溫。
[0015] 優(yōu)選的，步驟（1)中加入中間合金的順序?yàn)樵?30~750°C下加入Al-B中間合金 硼化，靜置30min后，再于750°C加入Al-Zr、Al-Sc中間合金。
[0016] 更優(yōu)選的，步驟（4)中噴灑室溫的水1~3分鐘。
[0017] 另一優(yōu)選的，步驟（6)中硬鋁單絲于140~180°C下退火3~6h。
[0018] 本發(fā)明的技術(shù)方案中的各合金元素的作用及機(jī)理如下：
[0019] Zr:鋯原子半徑比鋁原子半徑略大，鋯在鋁中以置換方式擴(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Al3Zr相不易聚集長大，較高的穩(wěn)定性，能防止再結(jié)晶的產(chǎn) 生，從而有效釘扎位錯(cuò)與晶界，阻礙變形與晶內(nèi)及晶界的滑移，使強(qiáng)度得以提高。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，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；
[0020] B :雜質(zhì)元素如果以固溶狀態(tài)存在，對導(dǎo)電性能的影響很大，而硼化處理能有效降 低雜志含量，即在錯(cuò)合金中加入一定量的B元素后，能夠和過渡族雜質(zhì)元素 Cr、Μη、V、Ti等 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，從而提高鋁合金的導(dǎo)電性能；
[0021] Sc:鈧對鋁具有很好的彌散強(qiáng)化作用，是鋁合金優(yōu)異的晶粒細(xì)劑和良好再結(jié)抑制。 在錯(cuò)合金中添加微量鈧元素，可以形成大量彌散、共格的次生Al 3Sc相質(zhì)點(diǎn)，這些質(zhì)點(diǎn)一方 面能夠強(qiáng)烈地釘扎位錯(cuò)和亞晶界，對形變組織中的亞結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定作用，使合金在 變形過程所形成的由纏結(jié)位錯(cuò)構(gòu)成的胞狀組織在隨后的退火處理過程中發(fā)生回復(fù)形成亞 晶界，并且許多亞晶界由二維的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，能夠?qū)辖鹌鸬綇?qiáng)烈的亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化作用；另 一方面這些彌散、共格的次生Al 3Sc相細(xì)小質(zhì)點(diǎn)，能強(qiáng)烈釘扎位錯(cuò)，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，大大提 高位錯(cuò)滑移所需切應(yīng)力，從而引起合金強(qiáng)化。同時(shí)，鈧元素能夠和鋁合金中的一些雜質(zhì)元素 反應(yīng)形成第二相，從而使鋁合金的導(dǎo)電率提高；
[0022] Fe :鋁中含有一定量的鐵，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 都是鋼的或鑄鐵的，鐵就會(huì)由這些工具帶入鋁中，而且在重熔廢料時(shí)，則可混入鐵與鐵肩。 鐵對鑄造鋁的力學(xué)性能有害，因?yàn)槠渫ǔＲ源执蟮囊淮尉w出現(xiàn)，或以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。最新研究表明，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；
[0023] Si :硅元素是純鋁中的一種主要雜質(zhì)元素。隨著Si含量升高，合金的電導(dǎo)率下降。 這是由于提高合金中Si含量，鋁基體中游離Si數(shù)量增加，Si是半導(dǎo)體，較鋁基體的電阻率 高得多，所以Si含量的提高減少鋁基體的有效導(dǎo)電截面積，降低合金的電導(dǎo)率。因此，在硬 錯(cuò)合金中應(yīng)盡量減小Si含量；
[0024] Cr、Mn、V和Ti均為合金中的雜質(zhì)元素。這幾種元素具有細(xì)化晶粒，提高鋁合金室 溫抗拉強(qiáng)度及改善耐熱性的效果，但是它們在鋁導(dǎo)體中以固溶態(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)目的減少導(dǎo)致了鋁導(dǎo)體導(dǎo) 電性的降低。研究表明，每1% (Cr+Mn+V+Ti)的有害作用為每l%Si對鋁導(dǎo)電性有害作用 的5倍。所以需嚴(yán)格控制這幾種兀素的含量。
[0025] 本發(fā)明提供的非熱處理型耐熱鋁合金單絲的制備方法中，先冶煉，當(dāng)純鋁錠完全 恪化后依次放入各合金元素，其中B與Al有共晶反應(yīng)，合金元素較容易溶解，在恪煉過程 中可直接加入鋁熔液中；Zr、Sc元素由于熔點(diǎn)較高，溶解很慢，需要較大的過熱才能完全溶 解。用攪拌機(jī)對鋁液進(jìn)行攪拌，使合金元素充分均勻化；采用氮?dú)鈱︿X液進(jìn)行除氫、除渣處 理。對模具進(jìn)行加熱，防止模具溫度與鋁液溫度相差過大引起鋁液澆鑄過程中引起縮孔，模 具加熱至200~250°C保溫60~90min，然后進(jìn)行鋁液澆鑄，澆鑄成Φ45Χ IOOmm的硬鋁圓 棒。采用熱擠壓的方式將其擠成Φ9. 5mm的圓鋁桿，然后進(jìn)行拉絲。以15m/s的速度在拉 絲機(jī)上冷拉絲，通過鋼模多道次拉制，最終獲得Φ3. 05mm的單絲。通過140~180°C退火處 理3~6h調(diào)整合金的性能。
[0026] 和最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的技術(shù)方案，由于在硬鋁 合金中添加了微量Sc元素，既能夠降低雜質(zhì)含量又具有晶粒細(xì)化作用，在保證硬鋁合金具 有高導(dǎo)電率的同時(shí)鋁合金具有較好的力學(xué)性能；本發(fā)明的技術(shù)方案由于采用了熱擠壓時(shí)用 冷水急冷硬鋁圓桿的方法，避免了具有析出相的出現(xiàn)；本發(fā)明的技術(shù)方案中只采用了吹入 隊(duì)除氣除渣，無需加入精煉劑，從而簡化了硬鋁合金的制備工藝，由此制備出的電線電纜導(dǎo) 體可以提高導(dǎo)電率（63% IACS，20°C )和增大工作強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度彡163MPa)。 【【具體實(shí)施方式】】
[0027] 另有說明除外，所有實(shí)施方式都是采用現(xiàn)有的冶煉及擠壓設(shè)備。
[0028] 實(shí)施例1
[0029] 制備下述組分及其質(zhì)量百分比的63% IACS導(dǎo)電率硬鋁導(dǎo)線單絲，：
[0030] Zr 0.05% B 0.03% Sc 0.15% Cr+Mn+￥+Ti 0Λ11% Fe: 0,135% Si 0.069% Al 余量。、
[0031] 在中頻感應(yīng)熔煉爐中將純度為99. 7%的鋁錠，在720°C下熔化，升至730°C時(shí)，以 中間合金的方式，加入鋁硼中間合金硼化，靜置30分鐘后，在750°C下，加入Zr、Sc合金元 素，使分別達(dá)其最終含量，合金元素是以中間合金的形式加入，待中間合金完全熔化后充分 攪拌；通入N2除氣、除渣10分鐘，在750°C下精煉鋁合金液，靜置40min后澆鑄。澆鑄前將 圓柱型低碳鋼模具放入箱式爐內(nèi)加熱至200°C，保溫20min，并將鋁液溫度降至720°C，然后 將鋁液倒入模具內(nèi)，制備出尺寸為Φ45Χ300πιπι長的硬鋁圓棒。硬鋁圓棒在450°C保溫1小 時(shí)后，在擠壓機(jī)上擠壓成Φ9.