高导电铝合金材料及其铝合金电缆导体的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电缆技术领域，尤其涉及一种电缆导体用铝合金材料。本发明还涉及应用该铝合金材料制作铝合金电缆导体的工艺方法。
【背景技术】
[0002]我国是世界上用铜量最大的国家，同时又是一个极度缺铜的国家，每年大约有80%的铜产品都是靠进口来满足国内需求。目前在我国电线电缆制造行业从某种意义上来说是铜加工行业，可以说我国五大类电线电缆的生产都离不开铜原料。据统计，2013年电线电缆产值超过1.3万亿元，电缆用铜量已经达到400多万吨，占国内铜消耗量的近60%。铜资源的快速枯竭致使铜的价格上升，增加了电线电缆制造业的成本，这对我国电线电缆工业的发展极为不利。
[0003]我国铝土矿产资源相对丰富，价格比铜便宜很多，而且铝金属相对铜导线重量也较轻，在相同电阻值的条件下铝导体质量仅为铜线的50%左右；当铝表面与空气接触时还能形成薄而坚固的氧化层，这种氧化层特别耐受各种形式的腐蚀，使得铝具有良好的防腐性能；因此人们开始尝试使用铝材代替铜材。
[0004]但是，铝导体的电阻率较铜导体大，铝线的抗疲劳性、弯曲性能和抗蠕变性等机械性能也相对较差，容易折断，纯铝导体的电缆在实际工程中难以应用。铝合金电缆则在电工铝中加入铜、铁、镁等合金元素，同时通过工艺调整，使得铝合金导体的机械性能得到提高，铝合金的电阻率介于铝与铜之间，其电阻率高于铜，而略低于铝。铝合金导体在北美地区已运用近50年，得到美国、澳大利亚和加拿大等发达国家广大用户的认可，北美地区90%的民用及商业建筑都使用铝合金导体电缆。自2006年铝合金芯电缆在我国推广应用以来，也得到了广大电力工程应用商的肯定与好评。目前铝合金导体电缆已开始应用于机场、军事基地、钢铁石化、商业娱乐、高速公路、办公大楼、住宅、酒店、超市、院校、体育场、医院、工厂厂房等建设工程。
[0005]随着铝合金电缆应用范围的不断拓展和延伸，应用条件变得十分多变，人们并不满足于铝合金导体一些机械性能的改善，而是希望通过铝合金组份和制备工艺的综合创新，在提高其电气性能的条件下，又能具有较高的抗拉强度、疲劳强度和弯曲强度等机械性能，尤其是抗蠕变性；蠕变对电缆危害极大，若电缆发生蠕变，其接触点压力松弛和减小，使得接触电阻迅速增大，电流流过后造成接头处过热，如果不定期检修，就会出现安全隐患。尤其是长时间过载和过热条件下，如何解决铝合金电缆蠕变问题显得非常重要。
[0006]然而，铝合金电缆电气性能和机械强度的提高，尤其是抗蠕变性能的优化具有相当的复杂性，它不仅决定于合金的组成成分，更取决于合金材料的制备步骤和热处理工艺以及合金在生产过程中造成的缺陷。而现有对铝合金电缆的研究往往偏重于铝合金材料组分的研究，忽略铝合金电缆中铝合金导体材料的制备工艺及工艺参数的优化，很难实现铝合金电缆综合性能的提高。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是提供一种既具有较高的导电性能和机械强度，又具有较好抗蠕变性能的高导电铝合金材料。本发明还要提供一种应用该高导电铝合金材料制备铝合金电缆导体的方法。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明的高导电铝合金材料包括下列组分: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% ;余量为 A1 及不可避免的杂质。
[0009]优选地，所述RE为Y或/和Ce。
[0010]优选地，所述的杂质总量< 0.15wt%o
本发明的高导电铝合金材料中以铝为基体，添加了适量的多种元素，大大地提高了其导电性能和连接性能。尤其是在合金中添加的铁元素产生了高强度的抗蠕变性能，在电流过载时铁发挥持续的连接作用，使铝合金导体不会发生蠕变，铁还可以改善铝合金的抗拉强度等机械性能；在铝合金的制备过程中，部分Fe以Al3Fe、Al2Fe3及Al4Fe5等形式析出。实际试验证明，铁含量过高则会降低铝合金的电性能与抗疲劳性能，过低的铁含量又难以达到较好的抗婦变性，本发明中恰当的选择Fe的含量为0.45wt%-0.60wt%，达到的招合金电性能和抗蠕变性综合平衡。本发明中还添加了适量的稀土元素，在铝合金成分中的稀土元素能够起到净化、提高纯度、填补表层缺陷的作用，并细化晶粒，提高晶界结合强度，稀土元素还起到固溶强化和弥散强化的作用，既增强了铝合金材料的力学性能，又提高了铝合金电缆的耐腐蚀。本发明中还添加适量的铜元素，铜与铝形成Θ相，而Θ相的强化作用，有效地提高了铝合金的高温抗疲劳性和抗蠕变性。铝合金中适量的硅元素，作为还原剂和脱氧剂具有净化铝液的作用，硅还能从共晶到过共晶得到最好的流动性，并改善铝合金的抗拉强度。当铝合金中加入微量Zr时，Zr会产生细小的弥散的Al2 Zr颗粒，该相粒子强烈钉扎亚晶界和位错，阻碍晶界的迀移和亚晶粒的长大，显著抵制合金的再结晶形核和长大，从而大大提高了合金的诸多优异性能，如高的韧性和强度，良好的耐蚀性等。铝合金中微量的Ni元素与Mg元素共同作用，使铝合金获得所需要的强度及抗蠕变性能，并且有利于提高铝合金的热处理性能。而且Ag元素的添加并限定其含量，显著提高了铝合金的抗疲劳性和高温蠕变性。本发明基于大量的试验和性能分析，其独特的合金配方，并结合特定的制备工艺，其导电性能远优于纯铝，并且具有极好的抗弯曲性能、抗拉强度，以及较好的抗蠕变性能，相对纯铝导体，抗蠕变性能提高3倍以上，有效避免了电缆因接触点连接压力的变化而导致的接触电阻增大，避免了连接稳定性差和使用不安全等隐患，具有较好的导电性，力学性能和抗蠕变的综合效果。
[0011]本发明还提供了一种应用上述高导电铝合金材料制备铝合金电缆导体的方法，该制备方法包括以下步骤:
⑴、熔炼铝液:烘炉后将10000份(重量份)的重熔铝锭投入熔炼炉进行阶梯式加热升温；首先是预热升温段，将炉温从室温加热至40(TC，加热升温时间为1小时，保温20分钟；再进入快速升温段，将炉温从400°C升至800°C，升温时间为40分钟，保温10分钟；最后为熔化段，将炉温降至750 °C，并将炉温控制在730 °C -750 °C，静置保温时间40分钟，铝锭全部熔化为铝液； ⑵、熔炼铝合金:将上述熔炼炉中的铝液放入到精炼保温炉中，并将精炼保温炉炉温升至780°C时添加480-570份(重量份)的AlFelO ;间隔15分钟且炉温降至760°C时添加300-350份(重量份)的AlZr4 ;间隔10分钟且炉温至750°C添加48-55份(重量份)的AlSi20 ;间隔5分钟且炉温至740°C添加180-230份(重量份)的AlCulO ;间隔5分钟且炉温至730°C同时添加22-28份(重量份)的A1RE10和35-65份(重量份)的A1B3 ;间隔5分钟并将炉温