Al-Fe-Sr-RE铝合金电缆铜铝过渡端子及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于铜铝过渡端子的技术领域，涉及铝合金电缆用铜铝过渡端子，具体涉及一种Al-Fe-Sr-RE铝合金电缆铜铝过渡端子及其制备方法。本发明的铜铝过渡端子电气性、机械性、抗蠕变性能优异，质量可靠，不存在安全隐患。
【背景技术】
[0002]随着我国经济建设的高速发展，各行业对电力的需求持续增加，电线电缆行业的市场空间巨大。但在电线电缆产品结构中占主要成分的铜、铝导体本身存在着难以克服的缺点，因而需要设计制造铜铝过渡端子。
[0003]现有的铜铝过渡端子主要由铜鼻子和普通的铝连接管组成，其铜鼻子主要采用电工铜，连接管多采用普通铝材，如1350牌铝材，该普通铜铝过渡端子用于铝合金电缆存在以下缺陷:1、普通铝材长期在温度不断变化的作用下易发生蠕变，使其结构尺寸产生不可逆变化。2、圆柱形连接管用于低压电力电缆异形导体(如扇形、瓦型、半圆型)，由于二者形状相差太大，在接头时即使采取整形措施，也难以保证把导体做到圆整的外形，导致导体外表面和连接管内壁之间空隙不均匀，给电缆长期稳定运行带来隐患。3、电缆在使用安全性上主要是受制于端子连接稳定性，目前铝合金电缆主要使用的是铜铝过渡端子，铜鼻子材质为电工铜，连接管为纯铝并不是铝合金材料，这就导致了铝端子与铝合金导体压接后，在使用过程中存在安全隐患，同时铝导体的机械强度偏低，焊接性能差，接触电阻大，在工程项目中推广应用受到限制。4、现有的铜铝过渡端子是铝连接管与铜鼻子的直接焊接成一体结构，由于铝与铜的电阻率、载流能力的不同，由铝直接过渡到铜会引起电气现象，铜铝结合面断裂、易造成触电等危害，这种现有的铜铝过渡端子由铝合金电缆过渡到铝再过渡到铜，强制性、硬转接的过渡方式，存在严重的质量问题和安全隐患。5、目前市场上使用铜铝端子的生产工艺，普遍采用将铜、铝棒先焊接后冲压成型工艺，而铜棒在冲压成接近90°平面时，焊缝处铜截面向受冲压方向拉伸倾斜变形，再由于铝比铜的延展性好，故导致焊缝边上的铝同样往受冲压方向拉伸，使整个焊缝倾斜变形，导致铝截面周边的分子晶体结构变异，出现裂纹、松散等现象，影响整个焊接面的牢固度(DTL类型产品属于直接对焊缝冲压，焊缝影响更为严重)，而铜铝焊接面的牢固度又是整个连接器最为关键的所在。使用焊接不牢固、虚焊及焊接面分子晶体结构受影响的铜铝连接器时，易出现铜铝结合面断裂和电化腐蚀等现象，导致电力中断、触电及发生火灾事故。
[0004]还有的采用铝合金材质的连接管和铜鼻子，该种设计虽然在一定程度上对电力的输出有改善作用，但是该种过渡方式依然存在在结合面电阻增大，易发生短路、过烧和截面断裂的问题，在铜铝过渡区发生电化学反应和瓶颈效应。因而，为铝合金电缆产业的进一步发展，研究并解决铜铝过渡端子的技术方案是目前迫切需要解决的。
【发明内容】
[0005]本发明为解决现有技术中铜铝过渡端子因其电气性、机械性、抗蠕变性能力差，导致铝合金电缆在实际应用连接中存在着极大的质量问题和安全隐患的问题，提供了一种Al-Fe-Sr-RE铝合金电缆铜铝过渡端子及其制备方法。本发明的铜铝过渡端子电气性、机械性、抗蠕变性能优异，在温度不断变化的情况下，也具有可靠地连接性，具有优异的热稳定性和导电性，从铝合金电缆到连接管到铜鼻子的过渡平稳、温和。
[0006]本发明为实现其目的采用的技术方案是:
[0007]Al-Fe-Sr-RE铝合金电缆铜铝过渡端子，包括与电缆导体连接的铝合金连接管、与铝合金连接管另一端连接的铜鼻子，在铝合金连接管与铜鼻子之间设置有铜铝过渡件，所述铜铝过渡件为柱状实心结构的铝合金。
[0008]所述的铜铝过渡件按重量百分比包含:Si 0.015-0.018%,Fe 0.15-1.13%、Cu0.5-1.43%、Mg 0.25-0.33%、Zn 0.09-0.17 %、Mn 0.08-0.11 %、Ti 0.15-0.26%、Co0.08-0.10%、Be 0.05-0.09% ^Ca 0.09-0.16 % ^ Sr 0.25-0.33 %、RE 0.卜 0.6%、Cr0.001-0.003%^Ag 0.01-0.05%、Bi 0.0005-0.0008% ^Sb 0.001-0.0015% ^As 0.001-0.0015%,Ni 0.001-0.0015%,Pb 0.001-0.0015%、余量为铝。该铜铝过渡件化学成分及比例的控制，改善了铜铝过渡区热膨胀系数，提高了抗过载能力，实现了铝合金连接管电流向铜鼻子的平稳过渡。
[0009]所述的铜铝过渡件的直径小于铝合金连接管的直径，该设计主要由于铜铝过渡件的长度小于铝合金连接管的长度，为了保证铝合金连接管的电流向铜铝过渡件的平稳过渡，应保证传输电阻的稳定性，缓慢的降低电阻，故而发明人将铜铝过渡件的直径设计的比铝合金连接管的直径小，进一步优选的，铜铝过渡件的长度为铝合金连接管长度的1/4-1/3，铜铝过渡件的直径为铝合金连接管直径的1/3-1/2。
[0010]铝合金连接管的材质成分与所连接的电缆导体的材质成分相同，该设计使得铝合金连接管与电缆导体的过渡自然平稳，不会造成电流的跳级或大幅度的波动，降低了传输电阻，避免了经过多种媒介质导致的发热现象。
[0011]所述铝合金连接管按重量百分比包含:Si 0.013-0.03%,Fe 0.05-2.3%,Cu0.05-0.13%、Mg 0.15-0.6%、Ζη 0.05-0.27 %、Μη 0.07-0.18% ^Ti 0.15-0.26 %、Co0.06-0.12%、Be 0.05-0.09% ^Ca 0.05-0.28 % ^ Sr 0.25-0.33 %、RE0.卜0.6 %、Cr
0.003-0.005%、余量为铝。本铝合金连接管可以适用于所有的铝合金电缆，本铝合金连接管无需考虑铝合金电缆的化学成分，通过控制本铝合金连接管各元素的比例，可以有效避免由于媒介质不同导致的发热现象，同样可以实现电缆导体和铝合金连接管的自然、平稳过渡，不会造成电流跳级和大幅度波动。
[0012]所述铝合金连接管为堵油型结构。
[0013]所述的铜鼻子的材质为Tl纯铜或T2纯铜。
[0014]所述的铜鼻子为L型，包括与断路器连接的底板和与底板连接的连接柱，连接柱的另一端与铜铝过渡件连接。优选的，连接柱的直径与铜铝过渡件的直径相同。
[0015]一种制备Al-Fe-Sr-RE铝合金电缆铜铝过渡端子的方法，包括以下步骤:
[0016]A、半成品的铸造:取铝合金连接管的原料成分，熔融后浇铸成型，得到铝合金连接管半成品，取铜铝过渡件的原料成分，熔融后浇铸成型，得到铜铝过渡件半成品；
[0017]B、铜鼻子的铸造:取TI纯铜或T2纯铜，熔融后浇铸成型，得铜鼻子；
[0018]C、优化处理:将步骤A得到的半成品依次经过均匀化处理、间歇式退火处理、时效处理，得到铝合金连接管、铜铝过渡件；
[0019]D、铜铝过渡端子的制备:采用摩擦焊接工艺将铝合金连接管、铜铝过渡件、铜鼻子焊接成一体结构，得到铜铝过渡端子。
[0020]步骤C中，优化处理具体操作包括:
[0021]C1、铝合金连接管半成品的优化处理:将铝合金连接管半成品置于480-530°C温度下，均匀化处理12-24h;然后将均匀化处理后的铝合金连接管半成品进行间歇性退火处理，于230-380°C温度下，保温0.5-3h后降温，温度降至120-180°C后保温l_5h，冷却；然后将经过间歇性退火处理的铝合金连接管半成品于电场强度为3-12KV/cm的均匀电场中进行时效处理，控制时效处理的温度为200-310 °C，时效处理的时间为8-24h;
[0022]C2、铜铝过渡件半成品的优化处理:将铜铝过渡件半成品置于490-510°C温度下，均匀化处理14-24h;然后将均匀化处理后的铜铝过渡件半成品进行间歇性退火处理，于250-410°C温度下，保温l_5h后降温，温度降至180-210°C后保温2-3h，冷却；然后将经过间歇性退火处理的铜铝过渡件半成品于电场强度为4-lOKV/cm的均匀电场中进行时效处理，控制时效处理的温度为210-280 0C，时效处理的时间为9-16h。
[0023]本发明的有益效果是:本发明在铜铝过渡端子上设计了铜铝过渡件，当由铝合金连接管过渡到铜鼻子时，由于增设了铜铝过渡件，使得铝合金连接管与铜鼻子之间的过渡更平稳，抗蠕变性增强，电力输出更稳定，同时由于铜铝过渡件的增设，提高了过流能力，消除了输电过程中铜铝过渡区传输的瓶颈效应，解决了铜铝过渡件存在的结构性问题，提高了连接的可靠性、降低了传输电阻、减少发热损耗、延长电力设施的寿命。且本发明的铜铝过渡端子在实际应用中极为灵活方便，具有广泛的适应性。
[0024]本发明的制备方法简单、易操作，制备的铜铝过渡端子成品率高、稳定性好，质量可靠。本制备方法的关键在于对铝合金连接管半成品和铜铝过渡件半成品的优化处理，通过优化处理解决了铝合金浇铸凝固时的枝晶偏析状况，消除了在晶界和晶内各组元分布不均匀的现象。通过均匀化处理促进了合金中共晶相溶解，使合金化学成分分布趋于均匀，组织达到会接近平衡状态，改善合金中所成相的形状和分布，提高合金的塑性，并提高合金元素(除铝以外的其他元素)在基体(铝)中的固溶度从而提高合金的强度，最终改善合金的加工性能和最终使用性能;本发明中均匀化处理的时间和温度是发明热经过长期的创造性研究总结得到的，在该均匀化处理时间和温度的情况下，实现了合金元素的扩散，枝晶偏析消除，从晶界至晶内的分布趋于平稳，晶界上的残留相也基本溶解。通过间歇式退火处理，降低了变形抗力，避免了过热、过烧现象，提高了铝合金的耐蚀性能，防止层状组织的生成，减弱成分间的各项异性，进一步提高铝合金的强度和塑性，消除了机械加工过程中产生的内应力和对微观结构的损伤，优化晶体结构，恢复线材的电性能，优化机械性能，使材料的拉伸性能、柔韧性能和抗疲劳性能保持较好的匹配；由于铝合金连接管半成品和铜铝过渡件半成品中含有Cr、Mn、Ti元素，经过间歇式退火处理，在本发明给出的退火条件下，形成A17Cr、A16Mn、A13T i金属间化合物，他们可以稳定位错、亚晶界等亚结构，大幅提高了位错滑移所需的切应力，阻碍位错运动，有利于实现高温形变热处理，可促进时效过程中第二相分布均匀，为铜铝合金端子在应用过程中温度变化下可稳定作用提供保障。再将退火处理后的铝合金在均匀电场中进行时效处理，通过时效处理可以使整个材料的性能达到均匀分布，各项性能综合指标达到倶佳的匹配；由于铜元素的存在，在时效处理的过程中，可以强化铜与铝形成的Θ相的固溶强化作用和弥散强化作用，提高了铝合金的拉伸强度和屈服强度，进一步改善了铝合金的机械性能。
[0025]本发明铝合金连接管和铜铝过渡件中各合金元素的性能分析如下:
[0026]本发明以铝为基，添加了微量的铁，铝能与铁形成Al3Fe,析出的Al3Fe弥散粒子抑制了合金的蠕变变形，部分Fe还与RE形成AlFeRE化合物析出，析出相AlFeRE能增强合金的抗疲劳性能和高温运行的耐热性能，且稀土化合物析出相还能提高屈服极限强度；添加的铜元素与铝形成Θ相，而Θ相起固溶强化和弥散强化作用，提高了铝合金的拉伸强度和屈服强度;锌与Al形成REAhZrw、Fe3AhZn等多种金属化合物，起到改善合金的抗拉性能，且在一定程度有效的改善铝合金的高温防腐蚀性能;锶在熔体中能够形成AhSr8、Al4Sr3、AlSr2和AlSr3等多种合金元素，能起到高温强化作用，提高高温蠕变性能;稀土元素作为表面活性元素，可集中分布在晶界上，降低相与相之间的拉力，从而使晶粒细化。硅能够促进Al3Zr的析出，提高抗拉强度，娃还能与镁形成Mg-Si金属化合物，改善招合金的热性能。猛与招作用得到MnAl4与铝具有相同的电位，可以有效地改善合金的抗腐蚀性和焊接性；同时锰作为高温强化相，具有提高再结晶温度，抑制再结晶粗化的作用，能够实现对合金的固溶强化、补充强化和提高耐热性能。1丐在合金中与招反应形成Al4Ca、AhCa3、AlCa2等金属化合物，能够强化铝合金的高温性能，增强铝合金的耐热性能和抗疲劳性能。铍在合金中形成α、β弥散性高温强化相，可防止合金元素的氧化、烧损和吸气，提高合金的冶炼质量及表面氧化膜的致密度。铍还能使杂质铁由针状变为团粒状，可防止浇铸时砂型铸件与模型反冲。由于铍对氧和氮有高度亲和力，所以它在熔体脱气时是高效的，从而能够得到表面光洁度较好，强度较高，以及延展性得到改善的优质铸件。另一方面，合金中加入铍能使脆性的铁金属间晶体由大的针状形和层状形转变成小的等轴晶体，改善合金的强度和延展性，并能够允许铝合金中有较高的铁含量。铍能改善铝合金的流动性，使熔体的流动性增加，并能提高铝合金中抗拉强度和屈服极限。