一种含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料加工技术领域，特别涉及一种含有纳米相的铝-镁-硅系合金 线的制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济规模的快速增长，对于能源的需要越来越旺盛，能源消费所带来的 环境问题日益突出。因此，实现"节能减排"已经成为全社会面临的一项非常艰巨的任务。根 据2013年8月国务院发布的《节能减排"十二五"规划》，明确提出2015年电网综合线损率较 2010年下降0.23个百分点达到6.3%，作为全国电力行业节能约束性指标。
[0003] 架空输电导线是国家电网的重要组成部分，是从发电端到受电端输送电流的必要 载体。我国电力资源分布并不均衡，大型煤电基地大部分都集中在中西部和北部，主要用电 工业城市、工商业中心却集中在东部沿海地区。面对这样不平衡的电力生产和消费分布特 点，必须通过长距离输电线路来实现电力的输出和供给，解决电力生产和消费不平衡问题。 长距离输电产生的能耗不容小觑，因而降低长距离输电损耗是实现节能环保的重要措施。
[0004] 考核架空导线用铝-镁-硅系合金线(包括铝合金芯铝绞线用高强铝合金线和全铝 合金绞线用中强铝合金线）性能的关键指标是抗拉强度和导电率。实现铝-镁-硅系合金线 强度和导电率同步提升对导线安全服役和实现节能减排将有重大贡献。该领域必须面对一 个重大的基础科学问题是强度和导电率相互制约，即提升铝-镁-硅系合金线的强度往往会 造成导电率地损失。反之，亦然。如果单独追求导电率的提升，导线的强度就无法达到令人 满意，面临全球异常气候带来的风载、冰载等环境因素的影响，其断线的风险会极大的增 加，同时在建设过程中需要增加塔杆数量并降低档距，致线路建设使成本上升。铝-镁-硅系 合金线强度和导电率相互制约是获得高强高导铝-镁-硅系合金线所面临的关键技术障碍。 因此，通过导线加工工艺的改进或变革，同步提升铝-镁-硅系合金导线的强度和导电率成 为急待解决的关键技术难题。
[0005] 目前广泛应用的架空导线主要有三类：钢芯铝绞线、铝合金芯铝绞线和全铝合金 绞线。这三类架空导线主要用到三类铝或铝合金线，包括工业纯铝线、高强铝合金线和中强 铝合金线。这三类线用到的导体材料主要是工业纯铝（铝含量2 99.60 % )和Al-Mg-Si合金 以及部分采用La/Ce混合稀土进行改性的Al-Mg-Si合金(混合稀土含量0-1 .Owt. % )。根据 GB/T 23308-2009和JB/T 8134-1997规定：铝合金芯铝绞线用高强铝合金线（<Φ3.5mm)， 强度：2 300MPa;导电率：2 52.0% IACS。在行业中，全铝合金绞线用中强铝合金线(直径< Φ3·5ι?πι)，强度：2 240MPa;导电率：2 58.5%IACS。
[0006] 表1高强铝合金线和中强铝合金线技术参数
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[0008] 世界上广泛采用的传统铝合金导线加工工艺主要包括:铝合金熔炼、铝合金棒料 锻造、铝合金棒固溶处理、铝杆乳制、铝线拉丝和后时效热处理六个主要工艺环节。最终生 产出满足GB/T 23308-2009或JB/T 8134-1997要求的铝-镁-硅系合金线。
[0009] 文献中针对当前世界上较传统的生产工艺进行了报道，工艺流程图如图2所示。当 前世界上普遍采用的铝-镁-硅系合金线生产工艺中铝合金线的强化方式是固溶强化，其中 一个非常重要的环节是对铝棒进行560°C/6h固溶处理。固溶处理可以显著提高最终道次 铝-镁-硅合金线的抗拉强度。固溶强化的科学原理是:大量原子扩散进入铝基体晶格中，弓丨 起晶格畸变，晶格畸变直接影响变形过程中的位错运动，增加了位错运动阻力，从而提高了 铝-镁-硅合金的强度，但是这种晶格畸变会导致铝-镁-硅合金导电率的下降，因为晶格畸 变会造成电子散射，增加电子的弛豫时间，从而提高了材料的电阻率。技术缺陷:在铝_镁_ 硅系合金线生产工艺中采用固溶强化无法打破铝-镁-硅系合金线强度和导电率的制约关 系，无法进一步提高铝-镁-硅系合金线的强度和导电率。
[0010] 传统生产工艺中的技术难点为，因强度和导电率相互制约无法同步提高铝-镁-硅 系合金线的强度和导电率:传统的生产工艺中铝-镁-硅系合金线采用固溶强化的方法提高 线材的强度，在生产工艺中具体措施是对铝棒进行560°C/6h固溶处理。固溶处理会导致铝 基体晶格发生严重畸变，给位错运动带来阻力，抑制滑移，起到了提高铝-镁-硅系合金线强 度的效果，但是这一强化方式会导致铝-镁-硅系合金线导电率的下降。采用传统工艺生产 的高强铝-镁-硅系合金线强度和导电率能够达到：315MPa和52.5% IACS(GB/T 23308-2009)，但进一步提高强度和导电率难度较大，同时强度和导电率也不稳定（时高时低）。由 于固溶强化导致铝-镁-硅系合金线强度和导电率的相互制约，因而它已成为进一步提高 铝-镁-硅系合金线的强度和导电率的技术障碍。
[0011]综上所述，实现长距离输电线路的节能降耗，需要制备出兼具高强度和高导电率 的铝合金线。获得兼具高强度和高导电率铝合金线的前提是从技术上突破铝合金线在制备 过程中面临的强度和导电率相互制约关系问题。经过长期的基础理论研究，通过理论计算， 最终找到了突破铝合金线强度和导电率制约关系的理论基础并指导开发出了一种新的工 艺，实现了兼具高强度和高导电性能铝-镁-硅系合金线生产工艺的突破。
【发明内容】
[0012] 针对现有技术的不足，本发明提供一种含纳米强化相的高强高导铝-镁-硅系合金 线的制备方法。本发明的铝-镁-硅系合金线是一种新型架空输电导线单线，用于生产铝合 金芯铝绞线和全铝合金绞线，所述的两种绞线是长距离架空输电线路常用的电流传输载 体。
[0013] 本发明的制备方法:在制备工艺上改进铝-镁-硅系合金线的强化方式，基于新的 强化机理发明一种新的铝-镁-硅系合金线生产工艺，打破铝合金导线强度和导电率的制约 关系，制备出兼具高强度和高导电率的铝合金线，进一步提高铝-镁-硅合金的强度和导电 率。
[0014] 本发明的含纳米相的铝-镁-硅系合金线的制备方法，技术方案的理论基础为，纳 米析出相沉淀强化：
[0015] (1)传统生产工艺中铝-镁-硅系合金线的强化理论依据:在传统铝合金线制备过 程中一个非常重要的环节是铝合金棒料的固溶处理。固溶处理是指将合金加热至第二相能 全部或最大限度地溶入固溶体的温度，保温一段时间后，以快于第二相从固溶体中析出的 速度冷却，获得过饱和固溶体的过程。合金原子固溶到铝基体中后会导致晶格发生畸变，晶 格的畸变有利于增大位错运动阻力，抑制变形过程中滑移的进行，从而提高金属的强度。固 溶过程是原子扩散到基体中的过程，它因引起晶格畸变阻碍位错运动实现金属基体强化， 但是晶格畸变带来基体强化的同时却破坏了原子排列的有序性，在电子传输过程中，晶格 畸变引起电子散射，增加电子的弛豫时间，这会增加金属的电阻率。
[0016] (2)本发明制备方法中铝-镁-硅系合金线的强化理论依据:铝-镁-硅系合金线中 合金原子以析出相的形式析出后，因原子固溶造成的晶格畸变会恢复。原子从基体中以第 二相的形式析出会直接带来晶体的净化，从而改善金属材料的导电性能，降低电阻率，但却 存在导致金属基体强度下降的可能。合金原子以沉淀相形式析出能否强化基体成为新工艺 的关键。经过理论计算发现：当析出相半径小于临界值r CTltlc；al时，铝-镁-硅合金的强度随着 析出相尺寸的增加而增加，强化效果不断提升；当析出相半径大于临界值r CTltlc；al时，铝_镁_ 硅合金的强度随着析出相尺寸的增加而减小，强化效果下降。计算结果还表明：析出相的临 界半径r CTltlc；al ? 0.8nm，即合金元素以纳米相析出不但可以提高铝-镁-硅系合金线的强度， 同时还可以提高铝-镁-硅系合金线的导电率，纳米析出相的颗粒半径对铝-镁-硅系合金线 的强度和导电率的影响曲线如图1所示，图中横坐标为铝-镁-硅合金线中析出的纳米相颗 粒尺寸，左侧纵坐标为导电率，右侧纵坐标为抗拉强度。铝-镁-硅合金线的强度随着纳米相 颗粒尺寸的增大先上升后下降；铝-镁-硅合金线导电率随着纳米相颗粒尺寸的增加而增 加。在纳米颗粒对铝-镁-硅合金线强度影响方面，纳米相颗粒尺寸存在临界值，纳米相颗粒 尺寸