一种高导电率硬铝导线单丝及其制备方法
【专利说明】一种高导电率硬铝导线单丝及其制备方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电力行业的输电线路架空导线制造方法，具体讲涉及一种架空导 线用硬铝合金单丝及其制备方法。 【【背景技术】】
[0002] 架空输电线路一般普遍采用钢芯铝绞线作为输配电用导线，为了解决输电线路的 节能改造，降低输电线损，提高线路寿命，一般采用高导电率硬铝合金制备的钢芯铝绞线实 现输电线路的节能降耗。在输电线路上采用高导电率硬铝导线具有以下优点：一是节能： 相对于常规导线导电率，高导电率硬铝导线的导电率提高了约3%，降低电阻损耗；二是降 低杆塔投资：由于导线风荷载降低约10%，塔重可降低约〇. 5%;三是压缩走廊宽度：500千 伏同塔双回路采用等截面型线时，走廊宽度可减少0. 5米；四是运行可靠性强：能相对降低 电晕放电产生的噪声和线路损耗。据有关方面统计，2010年，有些地方的输电线路损电量为 1710亿千瓦时；到2015年，若20%输电线路采用高导电率硬铝导线，总损耗可减少10. 26 亿千瓦时。因此，高导电率硬铝导线对一些电网升级改造，提高输送效率，减少线路损耗及 运行成本，有至关重要的作用。现有技术中高导电率硬铝导线制备工艺比较复杂，产品性能 不稳定，产品导电率低，且在炼制过程中均需加入精炼剂，而现有精炼剂的一个共同点就是 应用范围窄、功能单一，需分别投入几种不同精炼剂后才能达到不同的目的。而且往往效果 不显着，或对熔体洁净度或环境有害，并程度不等地存在着各种问题。
[0003] 中国专利CN103093855A公开了一种高导电率稀土硬铝导线，按重量百分比其组 分为：铁0.0875%~0· 145%，铁硅比例控制在L 7~2. 5,硼0.01~0· 12%，钆0.01~ 0. 15%，其余为铝。本发明还公开了该高导电率稀土硬铝导线的制备方法，主要是选配铝 锭，熔炼，再进行硼化、精炼等处理，制得导电率63 % IACS，抗拉强度160MPa的硬铝导线。但 是所述制备方法所加入氟硼酸钾、氟铝酸钠等精炼剂，对环境污染较大。 【
【发明内容】
】
[0004] 为解决上述不足，本发明提供的技术方案中，加入微量合金化元素控制合金中的 杂质含量，并用热处理工艺来调整合金的微观组织，得到一种20°C下导电率彡63% IACS、 抗拉强度彡163MPa的硬铝导线单丝。
[0005] 上述发明目的是用以下技术方案实现的：
[0006] -种高导电率硬铝导线单丝，所述硬铝导线单丝含按质量百分比的下述成分：Zr : 0· 01 ~0· 05%，B :0· 01 ~0· 05%，Sc :0· 05 ~0· 2%，Fe :0 ~0· 14%，Si :0 ~0· 07%，V、 Ti、Cr和Mn四种元素质量百分比之和为0~0. 012%，其余为Al和不可避免的微量杂质。
[0007] 优选的，所述B的质量百分比为0.03~0.05%。
[0008] 如上所述的一种高导电率硬铝导线单丝的制备方法，包括下述步骤：
[0009] (1)冶炼：将纯度彡99. 7%的铝锭在720~750°C熔化后，在730~750°C下加入 B、Zr、Sc、Fe、Si、V、Ti、Cr和Mn的中间合金，待中间合金完全熔化后搅拌铝合金液；
[0010] (2)精炼：通入N2除气、除渣10~20分钟后，在730~750°C下精炼铝合金液，静 置30~60分钟；
[0011] (3)浇铸：在700~720°C将步骤（2)所得铝合金液浇铸到预热至200~250°C保 温的圆柱型模具内，得到硬铝圆棒；
[0012] (4)制杆：硬铝圆棒在400~500°C保温0· 5~2h后，挤压成铝合金杆，同时向挤 压出的铝合金杆喷洒冷水；
[0013] (5)拉丝：用拉丝机将铝合金杆以15m/s的速度冷拉拔，用钢模经10~20道次拉 制，优选的拉制次数为15次，得硬铝单丝；
[0014] (6)退火：将硬铝单丝退火，取出后空冷至室温。
[0015] 优选的，步骤（1)中加入中间合金的顺序为在730~750°C下加入Al-B中间合金 硼化，静置30min后，再于750°C加入Al-Zr、Al-Sc中间合金。
[0016] 更优选的，步骤（4)中喷洒室温的水1~3分钟。
[0017] 另一优选的，步骤（6)中硬铝单丝于140~180°C下退火3~6h。
[0018] 本发明的技术方案中的各合金元素的作用及机理如下：
[0019] Zr:锆原子半径比铝原子半径略大，锆在铝中以置换方式扩散，其扩散激活能高， 向亚结晶晶粒边界析出细微的Al3Zr相不易聚集长大，较高的稳定性，能防止再结晶的产 生，从而有效钉扎位错与晶界，阻碍变形与晶内及晶界的滑移，使强度得以提高。同时，锆的 加入可以改善铝合金的抗蠕变性能，使铝合金在高温下也只有很小的蠕变伸长，因此，能够 使架空输电线在输电塔杆之间的间距增大，并且保持铝合金导线较小的悬垂度；
[0020] B :杂质元素如果以固溶状态存在，对导电性能的影响很大，而硼化处理能有效降 低杂志含量，即在错合金中加入一定量的B元素后，能够和过渡族杂质元素 Cr、Μη、V、Ti等 发生反应，使之由固溶态转变为化合态并沉积于熔体底部，从而提高铝合金的导电性能；
[0021] Sc:钪对铝具有很好的弥散强化作用，是铝合金优异的晶粒细剂和良好再结抑制。 在错合金中添加微量钪元素，可以形成大量弥散、共格的次生Al 3Sc相质点，这些质点一方 面能够强烈地钉扎位错和亚晶界，对形变组织中的亚结构具有很强的稳定作用，使合金在 变形过程所形成的由缠结位错构成的胞状组织在随后的退火处理过程中发生回复形成亚 晶界，并且许多亚晶界由二维的位错网络构成，能够对合金起到强烈的亚结构强化作用；另 一方面这些弥散、共格的次生Al 3Sc相细小质点，能强烈钉扎位错，阻碍位错的运动，大大提 高位错滑移所需切应力，从而引起合金强化。同时，钪元素能够和铝合金中的一些杂质元素 反应形成第二相，从而使铝合金的导电率提高；
[0022] Fe :铝中含有一定量的铁，是纯铝中的一种主要杂质。因为熔炼与铸造使用的工具 都是钢的或铸铁的，铁就会由这些工具带入铝中，而且在重熔废料时，则可混入铁与铁肩。 铁对铸造铝的力学性能有害，因为其通常以粗大的一次晶体出现，或以Al-Fe-Si化合物形 式存在，它们一定程度上都提高了铝的硬度，但使铝的塑性降低。最新研究表明，铁可以提 高铝导体强度，并不显著降低其导电性。但也有资料表明在实际生产中，铝导体中的Fe/Si 比应为1. 3~1. 5,过高则会使其电阻率显著升高，所以也应该注意控制铁的含量；
[0023] Si :硅元素是纯铝中的一种主要杂质元素。随着Si含量升高，合金的电导率下降。 这是由于提高合金中Si含量，铝基体中游离Si数量增加，Si是半导体，较铝基体的电阻率 高得多，所以Si含量的提高减少铝基体的有效导电截面积，降低合金的电导率。因此，在硬 错合金中应尽量减小Si含量；
[0024] Cr、Mn、V和Ti均为合金中的杂质元素。这几种元素具有细化晶粒，提高铝合金室 温抗拉强度及改善耐热性的效果，但是它们在铝导体中以固溶态存在时，很容易吸收导体 材料内的自由电子而填充它们不完整的电子层，这种传导电子数目的减少导致了铝导体导 电性的降低。研究表明，每1% (Cr+Mn+V+Ti)的有害作用为每l%Si对铝导电性有害作用 的5倍。所以需严格控制这几种兀素的含量。
[0025] 本发明提供的非热处理型耐热铝合金单丝的制备方法中，先冶炼，当纯铝锭完全 恪化后依次放入各合金元素，其中B与Al有共晶反应，合金元素较容易溶解，在恪炼过程 中可直接加入铝熔液中；Zr、Sc元素由于熔点较高，溶解很慢，需要较大的过热才能完全溶 解。用搅拌机对铝液进行搅拌，使合金元素充分均匀化；采用氮气对铝液进行除氢、除渣处 理。对模具进行加热，防止模具温度与铝液温度相差过大引起铝液浇铸过程中引起缩孔，模 具加热至200~250°C保温60~90min，然后进行铝液浇铸，浇铸成Φ45Χ IOOmm的硬铝圆 棒。采用热挤压的方式将其挤成Φ9. 5mm的圆铝杆，然后进行拉丝。以15m/s的速度在拉 丝机上冷拉丝，通过钢模多道次拉制，最终获得Φ3. 05mm的单丝。通过140~180°C退火处 理3~6h调整合金的性能。
[0026] 和最接近的现有技术比，本发明的有益效果：本发明提供的技术方案，由于在硬铝 合金中添加了微量Sc元素，既能够降低杂质含量又具有晶粒细化作用，在保证硬铝合金具 有高导电率的同时铝合金具有较好的力学性能；本发明的技术方案由于采用了热挤压时用 冷水急冷硬铝圆杆的方法，避免了具有析出相的出现；本发明的技术方案中只采用了吹入 队除气除渣，无需加入精炼剂，从而简化了硬铝合金的制备工艺，由此制备出的电线电缆导 体可以提高导电率（63% IACS，20°C )和增大工作强度（抗拉强度彡163MPa)。 【【具体实施方式】】
[0027] 另有说明除外，所有实施方式都是采用现有的冶炼及挤压设备。
[0028] 实施例1
[0029] 制备下述组分及其质量百分比的63% IACS导电率硬铝导线单丝，：
[0030] Zr 0.05% B 0.03% Sc 0.15% Cr+Mn+￥+Ti 0Λ11% Fe: 0,135% Si 0.069% Al 余量。、
[0031] 在中频感应熔炼炉中将纯度为99. 7%的铝锭，在720°C下熔化，升至730°C时，以 中间合金的方式，加入铝硼中间合金硼化，静置30分钟后，在750°C下，加入Zr、Sc合金元 素，使分别达其最终含量，合金元素是以中间合金的形式加入，待中间合金完全熔化后充分 搅拌；通入N2除气、除渣10分钟，在750°C下精炼铝合金液，静置40min后浇铸。浇铸前将 圆柱型低碳钢模具放入箱式炉内加热至200°C，保温20min，并将铝液温度降至720°C，然后 将铝液倒入模具内，制备出尺寸为Φ45Χ300πιπι长的硬铝圆棒。硬铝圆棒在450°C保温1小 时后，在挤压机上挤压成Φ9.