一种稀土铝合金导线及其制造方法
【专利摘要】一种稀土铝合金导线及其制造方法，其成分及质量百分比为：Zr 0.1～0.3%，Mg 0.1～0.3%，Si 0.05～0.15%，Ti 0.005～0.015%，C 0.001～0.003%，Re 0.05～0.15%，其余为Al和不可避免的杂质。其制造方法包括备料、熔炼配制铝合金液、在线细化处理、在线除气和过滤处理、连铸连轧、拉拔和时效处理。本发明所述的稀土铝合金导线具有强度高、塑性好、导电率高和耐热性能优良等特点，可以满足我国城市电网增容扩容改造和长距离大跨越大容量输电工程的建设需要，具有广阔的市场应用前景。
【专利说明】
一种稀土铝合金导线及其制造方法
技术领域
[0001] 本发明属于铝合金导线制造领域，具体是涉及一种稀土铝合金导线及其制造方 法。
【背景技术】
[0002] 随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，对电力的需求急剧增长， 输电线路日益向大容量方向发展，这就要求增大导线的输电容量。目前我国的输电导线主 要还是传统的钢芯铝绞线，这种钢芯铝绞线虽然强度高，但电能损耗大，耐热性差，输电容 量受到很大的限制。
[0003] 耐热铝合金导线是指在温度和载荷的长时间作用下具有抵抗塑性变形和破坏能 力的铝合金导线。耐热铝合金导线的耐热性能通常采用强度保持率大于90%来表征，即经加 热后再恢复到室温下的抗拉强度能够维持在初始值的90%以上。目前我国使用的架空绞线 用耐热铝合金导线主要为铝-锆合金线，其抗拉强度大约在159~245MPa，伸长率在1.5~ 2%，导电率在55~60% IACS，抗拉强度、伸长率和导电率总体仍然较低。随着我国长距离大 跨越及大容量输电线路和城市电网增容扩容改造工程的建设，迫切需要开发新型的高强 度、高导电率的耐热铝合金导线。
[0004] 对现有技术的文献资料检索发现，喻国铭在2009年4月出版的《改革与开发》上发 表了"高强度耐热铝合金管型母线的试验应用"的论文，研制了一种高强度耐热铝合金管型 母线，其化学成分及质量百分比为：0.45~0.65%的Mg、0.2~0.6%的Si、0.1~0.2%的Cu、 0.08~0.2%的Zr、0.07~0.18%的Re、余量为A1，室温抗拉强度为246MPa，伸长率为8%，导电 率为55%1403,250°(：保温1小时退火后的抗拉强度为22010^，强度残存率为89.4%。专利 CN101768688A公开了一种铝合金管型导体及其生产工艺，铝合金管型导体的成分及质量百 分比为：〇 · 5~0· 7%的Mg、0 ·4~0 ·6%的Si、0 · 1 ~0 · 2%的Cu、0 · 15~0 · 25%的Zr、0 · 1 ~0 · 2%的 1^、0.25~0.4%的？6、余量为41，铝合金管型导体的室温抗拉强度2 24610^，伸长率2 10%， 导电率为55%1403,250°(：保温1小时退火后的抗拉强度为22010^，强度残存率为89.4%。专利 CN102554192B公开了一种高导电耐热电极横梁部件的制造方法，合金材料的成分及质量百 分比为：0 · 5~1 · 0% 的 Mg、0 · 4~0 · 8% 的Si、0 · 6~0 · 8% 的 Zr、0 · 05~0 · 1% 的Ce、0 · 03 ~0 · 06% 的 B、余量为A1，导电率达到45%IACS，长期使用温度可达250°C。专利CN101174489A公开了一种 高强度耐热铝合金管型母线，其成分为:0.5~0.75%的Mg、0.3~0.5%的Si、0.2~0.3%的Zr、 以及少量的？6、&1、111、211、1^等，导电率为53~58%1405，连续使用温度200°(：时其抗拉强度 2 210MPa。专利CN102011035A公开了一种耐热全铝合金导线及其制造方法，其成分为:0.4 ~0·8%的Mg、0·05~0·35%的 Si、0·2~0·5%的Zr、0·15~1·0%的Fe、0·001~0·2%的B、0·05~ 0.3%的稀土、余量为A1及不可避免的杂质元素，具有载流量大、强度较高等优点。专利 CN1941222A公开了一种制造高强度耐热铝合金线的方法，铝合金线的成分及质量百分比 为：0·045~0·15%的Zr、0·02~0·12%的Cu、0·2~0·95%的Fe、0·1~0·32%的Si、0·05~0·4% 的稀土，其余为A1及杂质。通过对上述文献资料的分析可看出，现有耐热铝合金导线主要在 铝-锆合金基础上通过添加 La、Ce、Y等轻稀土元素中的一种或几种的混合稀土来提高铝合 金导线的强度、塑性和导电率，但耐热铝合金导线在强度、塑性和导电率上的综合性能仍然 较低，仍然难以满足我国城市电网增容扩容改造，特别是长距离大跨越及大容量输电工程 的建设需要。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种强度高、塑性好、导电率 高、耐热性能优良的稀土铝合金导线及其制造方法。
[0006] 本发明的技术方案是这样实现的： 本发明所述的稀土铝合金导线，其特点是由以下质量百分比的成分组成：Zr 0.1~ 0.3%，Mg0.1~0.3%，Si0.05~0.15%，Ti 0.005~0.015%，C0.001~0.003%，Re0.05~ 0.15%，其余为A1和不可避免的杂质，其中所述Re的成分及质量百分比为:Tb 15~25%，Dy 5 ~10%，H〇 10~15%，Tm 10~15%，Yb 5~10%，Lu 35~45%。
[0007] 其中，最优的成分及质量百分比为：Zr 0.2%，Mg 0.2%，Si 0.1%，Ti 0.01%，C 0.002%，Re 0.1%，其余为A1和不可避免的杂质，其中所述Re的成分及质量百分比为：Tb 19%，Dy 8%，Ho 12%，Tm 13%，Yb 7%，Lu 41%。
[0008] 一种稀土铝合金导线的制造方法，其特点是包括以下步骤： 第一步：选用Al-10Zr合金、Al-5Ti-lC合金杆及纯度为99.7%的铝锭、99.9%的镁锭、 99.9%的速溶硅和99.9%的混合重稀土 Re作为原材料； 第二步:在熔铝炉内于780~800°C将铝锭加热熔化，加入占原材料总重量1~3%的A1- 10Zr合金、0.1~0.3%的镁锭、0.05~0.15%的速溶硅和0.05~0.15%的混合重稀土Re，搅拌 熔化成铝合金液并进行精炼除气除杂处理； 第三步，将铝合金液导入流槽，在流槽中以60~180毫米/分钟的速度加入直径9.5毫米 的Al-5Ti-lC合金杆对铝合金液进行在线晶粒细化处理； 第四步:将铝合金液依次流过设置在流槽上的石墨转子旋转速度为500~600转/分钟、 氩气压力为100~200KPa的除气箱和陶瓷过滤管孔隙度为90~llOppi的过滤箱进行在线除 气过滤处理； 第五步:在结晶轮转动线速度为8~12米/分钟、终乳速度为7~9米/秒的条件下，将铝 合金液连铸连乳成直径为9.5毫米的铝合金圆杆； 第六步:在道次拉拔变形量为6~7%、拉拔速度为7~9米/秒的条件下，将铝合金圆杆拉 拔成直径为2~4毫米的铝合金线； 第七步:将铝合金线在130~150°C时效处理12~16小时，随炉冷却后得到稀土铝合金 导线。
[0009] 本发明所述稀土铝合金导线的成分及质量百分比的选择与限定理由如下： Zr:Zr在稀土铝合金导线时效处理过程中可析出细小弥散的Al3Zr相，Al3Zr相在高温 下不分解，具有钉扎位错及晶界的作用，可阻碍晶内的滑移和晶界的滑移，降低裂纹的扩展 速度，提高稀土铝合金导线的耐热性能。但Zr的加入也会引起铝基体的晶体点阵畸变，增加 电子散射从而降低导电率。在保证稀土铝合金导线获得足够的耐热性和导电性的双重要求 下，因此选择添加0.1~0.3%的Zr，最佳含量为0.2%。
[0010] Mg、Si :Mg和Si在稀土错合金导线时效处理过程中可形成Mg2Si强化相，增强稀土 铝合金导线的强度，Mg、Si含量越高，稀土铝合金导线的强度越高，但稀土铝合金导线的导 电率会逐渐降低。为了保证稀土铝合金导线获得足够的强度和导电率，因此Mg含量选择在 0.1~0.3%，最佳含量为0.2%; Si含量选择在0.05~0.15%，最佳含量为0.1%。
[0011] Ti、C:Ti和C是以Al-5Ti-lC合金杆的形式加入到稀土铝合金导线，Al-5Ti-lC合金 杆是目前铝合金的最佳晶粒细化剂，其内部含有大量的TiAl3和TiC粒子相。添加0.1~0.3% 的Al-5Ti-lC合金杆，铝合金导线中含有0.005~0.015%的Ti和0.001~0.003%的C，可显著 细化稀土铝合金的晶粒，改善稀土铝合金的组织均匀性，提高稀土铝合金连铸坯和稀土铝 合金圆杆的塑性，防止稀土铝合金连铸坯和圆杆在随后的连乳机拉拔过程发生断裂，进而 提高稀土铝合金导线的强度和塑性。Al-5Ti-lC合金杆的最佳添加量为0.2%，铝合金导线中 含有0.01%的Ti和0.002%的C。
[0012] Re:Re是含有饥、〇7、!1〇、1'111、￥13和1^共6种重稀土元素的混合稀土。混合重稀土的物 理化学性质活泼，添加微量的混合重稀土，可与铝合金液中的氧、氢、氮、碳、磷、硫、铁、铅等 杂质元素反应生成高熔点的化合物并沉淀，对铝合金液有净化与细化作用，可以消除金属 和非金属杂质元素对稀土铝合金导线导电性、强度和塑性的影响，提高稀土铝合金导线的 导电率、强度、塑性和耐热性能。实验证明，添加混合重稀土比添加一种或几种轻稀土元素 或一种或少数几种重稀土元素对提高稀土铝合金导线的导电率、强度、塑性和耐热性能的 效果都更好。因此，选择添加〇. 05~0.15%的混合重稀土 Re，最佳含量为0.1%。
[0013] 本发明与现有技术相比，具有以下优点： 本发明在优化稀土错合金导线的Zr、Mg、Si主合金元素成分基础上，通过添加0.05~ 0.15%的混合重稀土 Re，对铝合金液进行深度净化和细化处理，消除金属和非金属杂质元素 对稀土铝合金导线导电性能的影响，并通过炉内精炼处理、流槽在线Al-5Ti-lC细化处理、 除气箱和管式过滤箱在线除气过滤处理，使稀土铝合金导线同时具有强度高、塑性好、导电 率高和耐热性能优良等特点，稀土铝合金导线的室温抗拉强度为285.7~305. IMPa，伸长率 为7.1~9.5%，导电率为59.3~61.5%，在310°C持续加热400小时后的强度保持率大于90%， 可以满足我国城市电网增容扩容改造，特别是长距离大跨越及大容量输电工程的建设需 要，具有广阔的市场应用前景。
【具体实施方式】
[0014] 实施例1: 本发明所述的稀土铝合金导线的成分及质量百分比为:Zr 0.1%，Mg 0.1%，Si 0.05%， Ti 0.005%，C 0.001%，Re 0.05%，其余为A1和不可避免的杂质，其中所述Re的成分及质量百 分比为：Tb 19%，Dy 8%，Ho 12%，Tm 13%，Yb 7%，Lu 41%。该稀土铝合金导线的制造方法如 下： 第一步:选用纯度为99.7%的铝锭、99.9%的镁锭、99.9%的速溶硅、99.9%的混合重稀土 Re以及Al-10Zr合金和Al-5Ti-lC合金杆作为原材料，配料表如下：
第二步：在熔铝炉内于780°C将铝锭加热熔化，加入Al-lOZr合金、镁锭、速溶硅和混合 重稀土 Re，搅拌熔化成铝合金液，然后用六氯乙烷进行精炼除气除杂处理； 第三步，将铝合金液导入流槽，在流槽中以60毫米/分钟的速度加入直径9.5毫米的A1- 5Ti-lC合金杆对错合金液进行在线晶粒细化处理； 第四步:将铝合金液依次流过设置在流槽上的石墨转子旋转速度为500转/分钟、氩气 压力为200KPa的除气箱和陶瓷过滤管孔隙度为90ppi的过滤箱进行在线除气过滤处理； 第五步:在结晶轮转动线速度为12米/分钟、终乳速度为9米/秒条件下，将铝合金液连 铸连乳成直径为9.5毫米的铝合金圆杆； 第六步:在道次拉拔变形量为7%、拉拔速度为9米/秒条件下，将铝合金圆杆拉拔成直径 为2毫米的铝合金线； 第七步:将铝合金线在130°C时效处理16小时，随炉冷却后得到稀土铝合金导线。
[0015] 在稀土铝合金导线上取样，在DNS200型电子拉伸机上进行室温拉伸，拉伸速度是2 mm/min，检测稀土铝合金导线的室温抗拉强度和伸长率，结果如表1所示。在QJ44型直流双 臂电桥上测定稀土铝合金导线的导电率，结果如表1所示。将稀土铝合金导线在310°C持续 加热400小时，然后冷却至室温，在DNS200型电子拉伸机上进行室温拉伸，拉伸速度是2 mm/ min，检测稀土铝合金导线的抗拉强度，用该抗拉强度值与初始值进行比较，检测稀土铝合 金导线的强度保持率，结果如表1所示。
[0016] 实施例2: 本发明所述的稀土铝合金导线的成分及质量百分比为:Zr 0.2%，Mg 0.2%，Si 0.1%，Ti 0.01%，C 0.002%，Re 0.1%，其余为A1和不可避免的杂质，其中所述Re的成分及质量百分比 为:Tb 19%，Dy 8%，Ho 12%，Tm 13%，Yb 7%，Lu 41%。稀土铝合金导线的制造方法如下： 第一步:选用纯度为99.7%的铝锭、99.9%的镁锭、99.9%的速溶硅、99.9%的混合重稀土 Re以及Al-10Zr合金和Al-5Ti-lC合金杆作为原材料，配料表如下：
第二步:在熔铝炉内于790 °C将铝锭加热熔化，加入Al-10Zr合金、镁锭、速溶硅和混合 重稀土 Re，搅拌熔化成铝合金液，然后用六氯乙烷进行精炼除气除杂处理； 第三步，将铝合金液导入流槽，在流槽中以120毫米/分钟的速度加入直径9.5毫米的 Al-5Ti-lC合金杆对铝合金液进行在线晶粒细化处理； 第四步:将铝合金液依次流过设置在流槽上的石墨转子旋转速度为550转/分钟、氩气 压力为150KPa的除气箱和陶瓷过滤管孔隙度为lOOppi的过滤箱进行在线除气过滤处理； 第五步:在结晶轮转动线速度为10米/分钟、终乳速度为8米/秒条件下，将铝合金液连 铸连乳成直径为9.5毫米的铝合金圆杆； 第六步:在道次拉拔变形量为6.5%、拉拔速度为8米/秒条件下，将铝合金圆杆拉拔成直 径为3毫米的铝合金线； 第七步:将铝合金线在140°C时效处理14小时，随炉冷却后得到稀土铝合金导线。
[0017] 采用实施例1的方法检测本实施例稀土铝合金导线的室温抗拉强度、伸长率、导电 率和强度保持率，结果如表1所不。
[0018] 实施例3: 本发明所述的稀土铝合金导线的成分及质量百分比为:Zr 0.3%，Mg 0.3%，Si 0.15%， Ti 0.015%，C 0.003%，Re 0.15%，其余为A1和不可避免的杂质，其中所述Re的成分及质量百 分比为:Tb 19%，Dy 8%，Ho 12%，Tm 13%，Yb 7%，Lu 41%。稀土铝合金导线的制造方法如下： 第一步:选用纯度为99.7%的铝锭、99.9%的镁锭、99.9%的速溶硅、99.9%的混合重稀土 Re以及Al-10Zr合金和Al-5Ti-lC合金杆作为原材料，配料表如下：
第二步:在熔铝炉内于800 °C将铝锭加热熔化，加入Al-1 OZr合金、镁锭、速溶硅和混合 重稀土 Re，搅拌熔化成铝合金液，然后用六氯乙烷进行精炼除气除杂处理； 第三步，将铝合金液导入流槽，在流槽中以180毫米/分钟的速度加入直径9.5毫米的 Al-5Ti-lC合金杆对铝合金液进行在线晶粒细化处理； 第四步:将铝合金液依次流过设置在流槽上的石墨转子旋转速度为600转/分钟、氩气 压力为lOOKPa的除气箱和陶瓷过滤管孔隙度为llOppi的过滤箱进行在线除气过滤处理； 第五步:在结晶轮转动线速度为8米/分钟、终乳速度为7米/秒条件下，将铝合金液连铸 连乳成直径为9.5毫米的铝合金圆杆； 第六步:在道次拉拔变形量为6%、拉拔速度为7米/秒条件下，将铝合金圆杆拉拔成直径 为4毫米的铝合金线； 第七步:将铝合金线在150°C时效处理12小时，随炉冷却后得到稀土铝合金导线。
[0019] 采用实施例1的方法检测本实施例稀土铝合金导线的室温抗拉强度、伸长率、导电 率和强度保持率，结果如表1所不。
[0020] 对比例： 铝合金导线的成分及质量百分比为:Zr 0.2%，Mg 0.2%，Si 0.1%，Ti 0.01%，C 0.002%， 其余为A1和不可避免的杂质。铝合金导线的制造方法如下： 第一步：选用纯度为99.7%的铝锭、99.9%的镁锭、99.9%的速溶硅以及Al-10Zr合金和 Al-5Ti-lC合金杆作为原材料，配料表如下：
第二步:在熔铝炉内于790 °C将铝锭加热熔化，加入Al-10Zr合金、镁锭和速溶硅，搅拌 熔化成铝合金液，然后用六氯乙烷进行精炼除气除杂处理； 第三步，将铝合金液流入流槽，在流槽中以120毫米/分钟的速度加入直径9.5毫米的 Al-5Ti-lC合金杆对铝合金液进行在线晶粒细化处理； 第四步:将铝合金液依次流过设置在流槽上、石墨转子旋转速度为550转/分钟、氩气压 力为150KPa的除气箱和陶瓷过滤管孔隙度为lOOppi的过滤箱进行在线除气过滤处理； 第五步:在结晶轮转动线速度为10米/分钟、终乳速度为8米/秒条件下，将铝合金液连 铸连乳成直径为9.5毫米的铝合金圆杆； 第六步:在道次拉拔变形量为6.5%、拉拔速度为8米/秒条件下，将铝合金圆杆拉拔成直 径为3毫米的铝合金线； 第七步:将铝合金线在140°C时效处理14小时，随炉冷却后得到铝合金导线。
[0021] 采用实施例1的方法检测本对比例铝合金导线的室温抗拉强度、伸长率、导电率和 强度保持率，结果如表1所示。
[0022] 表1实施例和对比例铝合金导线的室温抗拉强度、伸长率、导电率和强度保持率
从表1可看到，本发明稀土铝合金导线的室温抗拉强度为285.7~305. IMPa，伸长率为 7.1~9.5%，导电率为59.3~61.5%，在310°C持续加热400小时后的强度保持率大于90%。从 表1还可看到，本发明稀土铝合金导线的室温抗拉强度、伸长率为、导电率和强度保持率都 大于未添加混合重稀土 Re的铝合金导线的室温抗拉强度、伸长率为、导电率和强度保持率， 说明本发明通过添加混合重稀土 Re可以进一步提高稀土铝合金导线的室温抗拉强度、伸长 率为、导电率和强度保持率，使铝合金导线同时具有强度高、塑性好、导电率高和耐热性能 好的优点。
[0023] 本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所 公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于 本发明权利要求限定的范围之内。
【主权项】
1. 一种稀土铝合金导线，其特征在于由以下质量百分比的成分组成:Zr 0.1~0.3%，Mg 0.1 ~0.3%，Si 0.05~0.15%，Ti 0.005~0.015%，C 0.001 ~0.003%，Re 0.05~0.15%，其余 为A1和不可避免的杂质，其中所述Re的成分及质量百分比为：Tb 15~25%，Dy 5~10%，H〇 10~15%，Tm 10~15%，Yb 5~10%，Lu 35~45%。2. 根据权利要求1所述的稀土铝合金导线，其特征在于由以下质量百分比的成分组成： Zr 0.2%，Mg 0.2%，Si 0.1%，Ti (h01%，C 0.002%，Re 0.1%，其余为A1 和不可避免的杂质，其 中所述Re的成分及质量百分比为:Tb 19%，Dy 8%，Ho 12%，Tm 13%，Yb 7%，Lu 41%。3. -种稀土铝合金导线的制造方法，该方法用于制造如上述任一权利要求所述的稀土 铝合金导线，其特征在于包括以下步骤： 第一步：选用Al-10Zr合金、Al-5Ti-lC合金杆及纯度为99.7%的铝锭、99.9%的镁锭、 99.9%的速溶硅和99.9%的混合重稀土 Re作为原材料； 第二步:在熔铝炉内于780~800°C将铝锭加热熔化，加入占原材料总重量1~3%的A1-10Zr合金、0.1~0.3%的镁锭、0.05~0.15%的速溶硅和0.05~0.15%的混合重稀土Re，搅拌 熔化成铝合金液并进行精炼除气除杂处理； 第三步，将铝合金液导入流槽，在流槽中以60~180毫米/分钟的速度加入直径9.5毫米 的Al-5Ti-lC合金杆对铝合金液进行在线晶粒细化处理； 第四步:将铝合金液依次流过设置在流槽上的石墨转子旋转速度为500~600转/分钟、 氩气压力为100~200KPa的除气箱和陶瓷过滤管孔隙度为90~llOppi的过滤箱进行在线除 气过滤处理； 第五步:在结晶轮转动线速度为8~12米/分钟、终乳速度为7~9米/秒的条件下，将铝 合金液连铸连乳成直径为9.5毫米的铝合金圆杆； 第六步:在道次拉拔变形量为6~7%、拉拔速度为7~9米/秒的条件下，将铝合金圆杆拉 拔成直径为2~4毫米的铝合金线； 第七步:将铝合金线在130~150°C时效处理12~16小时，随炉冷却后得到稀土铝合金 导线。
【文档编号】C22C21/00GK105838929SQ201610196496
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】牛艳萍, 王顺成, 郑开宏, 唐维学
【申请人】广东省材料与加工研究所, 广东省工业分析检测中心（中国有色金属工业华南产品质量监督检验中心）