煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金及铝合金电缆及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金，Fe含量为0.2～1.1％；Cu含量为0.01～0.4％；Mg含量为0.01～0.4％；Si含量为0～0.1％；B含量为0～0.2％；其余为Al和杂质，其中铝合金电阻率不大于0.028264Ω·mm2/m，断裂伸长率不低于10％，且90度疲劳弯折次数大于或等于30次，将上述铝合金材料通过熔炼、铸造、轧制工艺得到铝合金杆，再经拉制、束绞、软化而成铝合金线芯，再将线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆，制得铝合金电缆具有高强度、高导电率、弯曲性能良好等特性，能满足煤矿领域中对电缆性能的要求。
【专利说明】煤矿电缆用A卜Fe-Cu-Mg铝合金及铝合金电缆及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及煤矿电缆【技术领域】，具体涉及一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg系铝合金 及铝合金电缆。
【背景技术】
[0002] 煤矿用电缆由于使用的环境复杂、工作条件恶劣、且移动频繁，使用寿命不长，瓦 斯积聚的区域又十分危险，因此不仅对电缆本身安全性要求很高，而且对频繁移动场合用 电缆的耐磨性、抗外界拉力性能要求很高。因此，煤矿用电缆属于电缆行业中技术含量较高 的产品。
[0003] 普通的电缆采用铜芯导线，随着对铜资源的过度开采，铜资源日益紧张，且濒临匮 乏，因此需要使用其他材料的导线代替铜芯导线，才能满足市场的需求。金属材料中，铝具 有导电效果好、质轻、价格低廉等特性，且近年来，出于环保意识的加强，强烈需要减轻重量 以提高机械燃料利用率，因此，以铝芯电缆代替铜芯电缆已是大势所趋。现有技术中，已研 制出铝芯电缆，然而普通铝芯电缆存在机械性能和抗腐蚀性能较差等缺陷，不具备满足煤 矿用电缆频繁移动的良好的弯曲性能；且根据煤矿用电缆的恶劣环境，对电缆导体的导电 率和机械强度有较高的要求，而现有普通的铝芯电缆的导电率和机械强度性能不能满足煤 矿用电缆的要求。因此，开发出一种能满足煤矿业中使用要求的铝合金电缆具有十分广阔 的市场前景。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提供了一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金及铝合金 电缆，该铝合金具有高强度、高导电率、弯曲性能良好等特性，由该铝合金制成的铝合金电 缆能满足煤矿领域中对电缆性能的要求。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] -种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金，其特征在于，铝合金的各成份及重量百分 比分别为：
[0007] Fe 含量为 0· 2 ?I. 1 % ;
[0008] Cu 含量为 0· 01 ?0· 4% ;
[0009] Mg 含量为 0· 01 ?0· 4% ;
[0010] 含量为0. 001?0. 3%的选自Zr、Mn、Cr和Ag所组成的组合物中的两种或两
[0011] 种以上；
[0012] Si 含量为 0 ?0.1%;
[0013] B 含量为 0 ?0.2%;
[0014] 其余为Al和杂质，
[0015] 其中铝合金电阻率不大于0.028264Ω ·πιπι2/πι，断裂伸长率不低于10%，且90度 疲劳弯折次数大于或等于30次。
[0016] 进一步地,所述错合金中还包括稀土元素,所述稀土元素的含量占错合金重量的 0· 1-0. 3%。
[0017] 进一步地,所述稀土元素包括Ce、La,所述Ce和La的重量占稀土元素总重量的至 少 50%。
[0018] 进一步地，所述铝合金在温度120°C、压应力120MPa条件下、1?100小时的平均 蠕变速度为小于或等于IX KT2 (% /h)。
[0019] 一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金电缆的制作方法，，铝合金电缆的加工工艺 包括如下步骤：
[0020] a、通过对权利要求1-4的任一项的铝合金熔融，再进行铸造得到铸造材料：按 比例加入本发明中提到的铝合金成分，在700°C或以上温度条件下进行熔炼工艺，然后在 680°C或以下温度条件下进行铸造，得到铸锭；
[0021] b、将步骤a得到的铸锭在460-550°C范围内固溶处理2-6h，然后在20-KKTC的冷 却水中快速淬火；
[0022] c、将步骤b得到的铸锭在150_250°C范围内时效处理6-10h，再升温至300°C以上 乳制成合金杆；
[0023] d、在300°C或以下温度条件下，将步骤c轧制成的合金杆进行拉制处理，使截面积 缩小至步骤c中合金杆截面积的50-60%，得到铝合金线；
[0024] e、在形成铝合金核的温度条件下，将步骤d得到的铝合金线再次进行拉制处理， 使截面积缩小至步骤d中铝合金线截面积的70-100%，得到铝合金导体单丝；
[0025] f、将若干根步骤e得到的铝合金导体单丝绞合，在230-320°C条件下进行第一次 热处理3-6h，然后在300-400°C条件下将再次热处理8-14h，得到铝合金的线芯；
[0026] g、将步骤f得到的线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆。
[0027] -种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg错合金电缆，其特征在于，由权利要求1-4任一项的 铝合金制成该铝合金电缆的线芯，且该铝合金电缆包括由动力线芯、接地线芯、控制线芯三 种线芯绞合而成的缆芯，线芯之间设有填芯层，缆芯外设置有外护套层。
[0028] 进一步地，所述绝缘层和外护套层采用聚氯乙烯、交联聚乙烯、聚氯乙烯-丁腈聚 合物、聚酰胺、氟化乙丙烯、氯化聚乙烯或聚丙烯中的至少一种。
[0029] 进一步地，所述线芯由数量为10?2000根，直径为0. 2mm?0. 5mm单丝束绞而成， 所述单丝由所述铝合金制成。
[0030] 进一步地，所述铝合金电缆在9000次抗弯曲试验后不短路、不断路，且在90°C长 期运行情况下，载流量不低于相同截面铜电缆的80 %。
[0031] 进一步地，所述铝合金电缆适用于额定电压8. 7/10kV及以下等级的煤矿用移动 类橡套软电缆。
[0032] 本发明的有益效果为：
[0033] 1、本发明提供的煤矿用铝合金，对铝合金的元素进行优化，从而改善该铝合金的 性能。本发明提供的煤矿用铝合金，选用Al-Fe-Cu-Mg系列，通过加入Fe元素，可以改善合 金的机械强度和拉伸性能，Fe还能明显提高高温抗蠕变性能，以及提高合金的抗疲劳性能； 铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的CuAl 2有着明显的时效强化 效果。Cu的加入可以提高合金的强度以及高温蠕变性能，并能改善抗疲劳性能；在铝合金 中加入少量的Mg细化铸造组织，形成MgSi强化相提高再结晶温度和改变时效行为，使制品 的再结晶晶粒得以细化，强度、韧性得以提高，塑性、耐蚀性得到改善，提高铝合金的屈服强 度及延伸率，避免铝合金产品的再加工，提高生产效率，降低生产成本。锆和铝形成ZrAl 3化 合物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒，由于锆对淬火敏感性的影响比铬和锰的小，因 此宜用锆来代替铬和锰细化再结晶组织，Zr还可显著改性合金的抗疲劳弯曲性能，提高电 缆的使用寿命。Ag的加入可以促进时效过度相的形成，改善合金时效硬化特性，使合金力学 性能得到较大提高，同时还可显著改性合金的抗疲劳弯曲性能、耐热和耐酸碱腐蚀性，能承 受严格的工作要求，虽然Ag的加入会使导电率小幅减小，但同时微量Ag即能改善电缆多方 面性能，从而提高矿用电缆的使用寿命，如果在银中加入稀土元素，性能就更加优良。铬在 铝中形成（CrFe)Al 7金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，从而可以获得较少粗精 环的超细合金，使合金力学性能得到较大提高，特别是合金的延伸率，还能改善合金韧性和 降低应力腐蚀开裂敏感性，显著改性合金的抗疲劳弯曲性能，提高电缆的使用寿命。适量的 铬以抵消铜对抗蚀性的不利影响。但过量的Cr的加入会增加淬火敏感性，使阳极氧化膜呈 黄色，因此本发明Cr的控制在0.01?0.4wt%之内。
[0034] 该铝合金材料以Mn元素的加入改变抗腐蚀性，并且可以有效的降低铝合金的热 导率和比热容，从而减小铝合金的热膨胀系数，提高铝合金电缆的连接性能和安全性能。Mn 能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细 化主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。同时Mn元素还可以 很好的屏蔽杂质Si,减少Si的有害作用，同时与稀土起合金化作用，可显著改性合金的抗 疲劳弯曲性能，提高电缆的使用寿命。
[0035] 本发明提供的煤矿用铝合金，本发明对Si的含量作了限定，是因为过多的Si会导 致拉伸性能降低，影响到电缆的加工性能，并且可能会降低导体的疲劳弯曲性能，且过多的 Si还会降低电性能。本发明还优选加入一定量的B，可以改善加工性能，特别是单丝微拉和 束绞方面的加工性能。本发明提供的煤矿用铝合金，通过将适量的B作为铝合金成分，既可 以改善合金的性能，又不会因过多的量会恶化合金的性能，特别是电性能和延伸性能。本发 明提供的铝合金材料，通过合理的合金成分配比来保障合金的性能。
[0036] 本发明提供的煤矿用铝合金，还优选添加一定量的稀土元素 （Rare Earth，简称 RE),其中Ce、La占稀土元素总含量的至少50%，稀土元素不仅可以显著提高合金的电性 能，高了合金室温强度、耐热强度和熔体流动性，还能起到提高合金抗疲劳弯曲性能的效 果，延长了电缆的使用寿命。优选Ce和La,是因为这两种元素在本发明中效果较其他稀土 元素改善效果更明显。
[0037] 本发明提供的煤矿用铝合金材料，通过熔炼、铸造、固溶与时效处理、乳制工艺后， 得到的铝合金的电阻率小于等于0. 028264Ω · mm2/m，电导率大于等于61% IACS，断裂伸 长率不低于10%，温度120°C、120MPa压应力条件下，1-100小时的平均蠕变速度小于等于 I X 10-2 (% /h)，90度疲劳弯折次数大于等于30次，且单丝直径最小可拉到0. 2mm。
[0038] 2、本发明提供的煤矿用铝合金电缆，由本发明提供的铝合金制成，得到的煤矿用 铝合金电缆不仅具有很好的导电性能、拉伸性能、抗蠕变性能和抗疲劳性能，特别是抗弯曲 性能也达到了煤矿用铜芯的技术要求；同时，煤矿用铝合金电缆由于柔韧性好，且重量较铜 轻很多，因而作为煤矿用软电缆使用起来更加方便，有效的降低了煤矿用电缆的成本，提高 了工作效率，具有非常好技术经济效益。本发明提供的煤矿用铝合金电缆，适用于煤矿用移 动类橡套软电缆、额定电压8. 7/10kV及以下煤矿用橡套软电缆，在90°C长期运行条件下， 载流量不低于相同截面铜电缆的80% ;且本发明提供的煤矿用铝合金电缆经9000次抗弯 曲试验后不短路、不断路，其中，9000次抗弯曲试验按MT818. 1规定的试验方法进行。
【具体实施方式】
[0039] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范 围。
[0040] 实施例1 :
[0041] 一种煤矿电缆用铝合金，组分及各组分的重量百分比如下（总重量：1T):
[0042]
【权利要求】
1. 一种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金，其特征在于，铝合金的各成份及重量百分比 分别为： Fe含量为0· 2?L 1 % ; Cu含量为0· 01?0· 4% ; Mg含量为0· 01?0· 4% ; Si含量为0?0. 1% ; B含量为0?0. 2% ; 其余为A1和杂质， 其中铝合金电阻率不大于〇. 028264Ω ·πιπι2/πι，断裂伸长率不低于10%，且90度疲劳 弯折次数大于或等于30次。
2. 如权利要求1所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金，其特征在于，该铝合金还包括 重量百分比含量为〇. 001?〇. 3%的选自Zr、Mn、Cr和Ag所组成的组合物中的两种或两种 以上。
3. 如权利要求1或2所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金，其特征在于，所述铝合金 中还包括稀土元素，所述稀土元素的含量占错合金重量的0. 1-0. 3%。
4. 如权利要求3所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金，其特征在于，所述稀土元素包 括Ce、La,所述Ce和La的重量占稀土元素总重量的至少50%。
5. 如权利要求1至4任一项所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金，其特征在于，所 述铝合金在温度120°C、压应力120MPa条件下、1?100小时的平均蠕变速度为小于或等于 1Χ1(Γ 2(% /h)。
6. -种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金电缆的制作方法，其特征在于，铝合金电缆的 加工工艺包括如下步骤： a、 通过对权利要求1-5的任一项的铝合金熔融，再进行铸造得到铸造材料：按比例加 入本发明中提到的铝合金成分，在700°C或以上温度条件下进行熔炼工艺，然后在680°C或 以下温度条件下进行铸造，得到铸锭； b、 将步骤a得到的铸锭在460-550°C范围内固溶处理2-6h，然后在20-KKTC的冷却水 中快速淬火； c、 将步骤b得到的铸锭在150-250°C范围内时效处理6-10h，再升温至300°C以上轧制 成合金杆； d、 在300°C或以下温度条件下，将步骤c轧制成的合金杆进行拉制处理，使截面积缩小 至步骤c中合金杆截面积的50-60%，得到铝合金线； e、 在形成铝合金核的温度条件下，将步骤d得到的铝合金线再次进行拉制处理，使截 面积缩小至步骤d中铝合金线截面积的70-100%，得到铝合金导体单丝； f、 将若干根步骤e得到的铝合金导体单丝绞合，在230-320°C条件下进行第一次热处 理3-6h，然后在300-400°C条件下将再次热处理8-14h，得到铝合金的线芯； g、 将步骤f得到的线芯经过挤包绝缘、成缆、挤包护套或铠装制成铝合金电缆。
7. -种煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金电缆，其特征在于，由权利要求1-4任一项的铝 合金制成该铝合金电缆的线芯，且该铝合金电缆包括由动力线芯、接地线芯、控制线芯三种 线芯绞合而成的缆芯，线芯之间设有填芯层，缆芯外设置有外护套层。
8. 如权利要求7所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金电缆，其特征在于，所述绝缘层 和外护套层采用聚氯乙烯、交联聚乙烯、聚氯乙烯-丁腈聚合物、聚酰胺、氟化乙丙烯、氯化 聚乙烯或聚丙烯中的至少一种。
9. 如权利要求7所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金电缆，其特征在于，所述线芯由 数量为10?2000根，直径为0. 2mm?0. 5mm单丝束绞而成，所述单丝由所述错合金制成。
10. 如权利要求7所述的煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg铝合金电缆，其特征在于，所述铝合 金电缆在9000次抗弯曲试验后不短路、不断路，且在90°C长期运行情况下，载流量不低于 相同截面铜电缆的80%，所述铝合金电缆适用于额定电压8. 7/10kV及以下等级的煤矿用 移动类橡套软电缆。
【文档编号】H01B1/02GK104294093SQ201410469529
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】林泽民 申请人:安徽欣意电缆有限公司