高强度铝合金单丝的制备方法及铝合金单丝与流程

1.本技术涉及输电线路领域，尤其涉及抗拉伸强度大于或等于 450mpa的高强度铝合金单丝的制备方法及铝合金单丝。


背景技术：

2.目前，国家电网在各类电压等级输电线路上广泛使用节能导线，在特高压交流工程中规模化采用铝合金芯铝绞线，在降低输电线路损耗、减少二氧化碳排放方面，取得了显著的社会效益和经济效益。对电网建设提出更高的要求，进一步提高输电导线的导电能力，降低线路损耗，助力绿色电网建设。
3.目前国内采用的纳米陶瓷增强铝合金工艺主要采用熔炼时加入原材料原位反应制得，但是由于陶瓷颗粒密度大，在熔炼炉内静置及铸造过程中容易发生聚集沉降，变成粗大夹杂相。另外制备的合金主要是增强机械性能，并没有考虑合金导电性能，因此有必要开发新的纳米陶瓷复合铝合金材料制备工艺，以实现良好的机械性能和导电性能的匹配。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种高强度铝合金单丝的制备方法，包括如下步骤：
5.铝液熔炼：向熔炼炉中加入纯度大于99.7％的铝锭、铝硅合金、铝铜合金、铝铁合金、铝镍合金加热熔化获得铝液，向所获取的铝液中加入镁锭充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制铝液熔体成分在要求的范围内；
6.炉内精炼：将铝液转移至精炼炉，精炼后将铝液表面浮渣扒净；
7.在线添加陶瓷颗粒：通过流槽从精炼炉对铝液进行放流，浇铸开始后，在流槽中喂入含有tib2纳米陶瓷的中间合金，使纳米级 tib2颗粒溶解在铝液中；
8.在线搅拌：利用在线搅拌装置对溶解了tib2纳米颗粒的铝液进行充分的搅拌，使其在铝液中充分的分散，防止tib2纳米颗粒发生沉降或者团聚；
9.连铸连轧：经在线搅拌后的铝液浇入轮式结晶器内进行连续铸造，形成铸坯，对铸坯加工获取杆材；
10.拉拔：用六连拉设备对所述杆材进行拉拔加工，得到直径为5 至6mm的线坯；
11.退火处理：对所述线坯进行固溶处理，加热温度为400至450℃，保温时间为2至3小时；
12.二次拉拔：在滑动式拉丝机上对固溶处理后的合金线坯进行二次拉拔，获得直径为2.0至4.0mm的线材；
13.固溶处理：对拉拔后的所述线材进行固溶处理，加热温度为450 至500℃，保温2至3小时后淬火形成过饱和固溶体；
14.时效处理：对过饱和固溶体进行时效处理，时效温度为150至 180℃，保温时间为5至10小时；时效处理后获得所述高强度铝合金单丝。
15.在一种可能的实施方式中，所述时效处理中，使过饱和固溶体的铝相中溶解的镁
及硅析出并形成β”和β’亚稳强化相。
16.在一种可能的实施方式中，所述高强度铝合金单丝中除β”和β’亚稳强化相外，还形成有tib2纳米陶瓷弥散强化相。
17.在一种可能的实施方式中，所述炉内精炼步骤包括：调整铝液温度至740至750℃，以高纯氮气和颗粒精炼剂对炉内熔体进行精炼，时间为10至15分钟。
18.在一种可能的实施方式中，所述炉内精炼步骤中，所述精炼炉为倾动式保温炉，将铝液转移至倾动式保温炉中，开启炉底电磁搅拌装置对铝液进行充分搅拌；完成扒渣后，将铝液温度调整至720
ꢀ±
10℃静置保温30至40分钟。
19.在一种可能的实施方式中，所述连铸连轧中，搅拌后的铝液直接浇入结晶器进行铸坯的连续铸造，铸坯截面积为2400mm2，铸造温度710
±
10℃、铸造速度8至12m/min、冷却水温度15至40℃、冷却水压0.35至0.5mpa。
20.在一种可能的实施方式中，所述对铸坯加工获取杆材中，铸坯从结晶轮脱离后，通过导入装置送入二辊式连轧机组，控制入轧温度在500至530℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，杆材经在线冷却后收卷。
21.本技术实施例还提供一种铝合金单丝，所述铝合金单丝由前述的高强度铝合金单丝的制备方法制备获得，所述铝合金单丝由按质量百分比计的下述成分组成：mg 0.6至0.8％，si 0.5至0.6％，cu 0.3 至0.5％，fe 0.1至0.2％，ni 0.05至0.3％，tib
2 3至5％，其余为al 和不可避免的其它杂质元素，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005％，不可避免的其它杂质元素的总量≤0.05％。
22.在一种可能的实施方式中，所述铝合金单丝的强度大于或等于 450mpa，所述铝合金单丝的导电率大于或等于40％iacs。
23.在一种可能的实施方式中，所述铝合金单丝的伸长率大于或等于3％，所述铝合金单丝的线膨胀系数1.5
×
10-5
至1.6
×
10-5
/℃。
24.相较于现有技术，本技术的高强度铝合金单丝的制备方法所制得的铝合金单丝的抗拉强度大于或等于450mpa，所述铝合金单丝的导电率大于或等于40％iacs，所述铝合金单丝的伸长率大于或等于3％。相比普通的lha1铝合金，所述铝合金单丝抗拉强度由 300mpa左右提升至450mpa，提升至少38.5％，使适配有所述铝合金单丝的铝绞线具有更大的抗拉强度。在保证铝合金铝绞线强度的同时减少铝合金芯的占比，减少出来的空间可由导电率较高的硬铝线芯替换，至少增加61％iacs至62.5％iacs高导电率硬铝线芯，进而提升铝合金绞线的整体导电能力，从而降低线路损耗，对于实现电网的节能减排助力双碳目标的达成具有重要意义。
附图说明
25.图1为本技术实施例提供的高强度铝合金单丝的制备方法的流程示意图。
26.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本技术。
具体实施方式
27.以下描述将参考附图以更全面地描述本技术内容。附图中所示为本技术的示例性实施例。然而，本技术可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于在此阐述的
示例性实施例。提供这些示例性实施例是为了使本技术透彻和完整，并且将本技术的范围充分地传达给本领域技术人员。类似的附图标记表示相同或类似的组件。
28.本文使用的术语仅用于描述特定示例性实施例的目的，而不意图限制本技术。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”，“一个”和“该”旨在也包括复数形式。此外，当在本文中使用时，“包括”和/或“包含”和/或“具有”，整数，步骤，操作，组件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征，区域，整数，步骤，操作，组件和/或其群组。
29.除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本技术所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。此外，除非文中明确定义，诸如在通用字典中定义的那些术语应该被解释为具有与其在相关技术和本技术内容中的含义一致的含义，并且将不被解释为理想化或过于正式的含义。
30.下面参照附图，对本技术的具体实施方式作进一步的详细描述。
31.如图1所示，本技术实施例提供一种高强度铝合金单丝的制备方法，包括如下步骤：
32.铝液熔炼：向熔炼炉中加入纯度大于99.7％的铝锭、铝硅合金、铝铜合金、铝铁合金、铝镍合金加热熔化获得铝液，向所获取的铝液中加入镁锭充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制铝液熔体成分在要求的范围内。
33.炉内精炼：将铝液转移至精炼炉，精炼后将铝液表面浮渣扒净。
34.于一实施例中，所述炉内精炼步骤包括：调整铝液温度至740 至750℃，以高纯氮气和颗粒精炼剂对炉内熔体进行精炼，时间为 10至15分钟。
35.于一实施例中，所述炉内精炼步骤中，所述精炼炉为倾动式保温炉，将铝液转移至倾动式保温炉中，开启炉底电磁搅拌装置对铝液进行充分搅拌；完成扒渣后，将铝液温度调整至720
±
10℃静置保温30至40分钟。
36.在线添加陶瓷颗粒：通过流槽从精炼炉对铝液进行放流，浇铸开始后，在流槽中喂入含有tib2纳米陶瓷的中间合金，使纳米级 tib2颗粒溶解在铝液中。
37.于一实施例中，在铝相中引入纳米尺寸的tib2陶瓷颗粒，采用 al-ti-b体系作为反应体系，利用燃烧合成反应在铝基体中制备原位内生纳米尺寸的陶铝复合材料作为铝合金的一种强化剂，其中纳米 tib2陶瓷颗粒分散均匀，可以作为强化剂用于铝合金的强化。采用内生纳米陶瓷颗粒强化铝合金的方法可以使陶瓷颗粒在熔体中分散均匀，有利于铝合金的强化。内生纳米tib2颗粒陶铝复合中的纳米 tib2陶瓷颗粒作为一种纳米级的增强相，在复合中分散均匀，纳米颗粒彼此被金属间隔，不团聚。纳米颗粒在铝合金中可以通过细晶强化、奥罗万强化、钉扎晶界、热错配强化等强化铝合金。通过加入纳米颗粒强化铝合金可以增加铝合金的强韧性，还可以提高铝合金的室温、高温性能，以及抵抗冲击载荷、抗疲劳、抗蠕变等性能。
38.在线搅拌：利用在线搅拌装置对溶解了tib2纳米颗粒的铝液进行充分的搅拌，使其在铝液中充分的分散，防止tib2纳米颗粒发生沉降或者团聚。
39.进一步的，由于tib2陶瓷颗粒密度大，静置及铸造过程中容易发生聚集沉降，变成粗大夹杂相。因此，本技术实施方式中通过在线添加的方式添加含有tib2纳米陶瓷的中间合金，同时，通过在线搅拌装置(例如可以是伸入铝液中的搅拌杆)对铝液进行搅拌，使铝液
中的tib2颗粒充分分散，并在分散后快速浇入铸造机中凝固铸造，解决了在熔炼炉中加入的常规工艺导致的tib2颗粒团聚效应和静置时的沉淀趋势，在铸造时可以形成均匀的组织。
40.连铸连轧：经在线搅拌后的铝液浇入轮式结晶器内进行连续铸造，形成铸坯，对铸坯加工获取杆材。
41.于一实施例中，所述连铸连轧中，搅拌后的铝液直接浇入结晶器进行铸坯的连续铸造，铸坯截面积为2400mm2，铸造温度710
±ꢀ
10℃、铸造速度8至12m/min、冷却水温度15至40℃、冷却水压 0.35至0.5mpa。
42.于一实施例中，所述对铸坯加工获取杆材中，铸坯从结晶轮脱离后，通过导入装置送入二辊式连轧机组，控制入轧温度在500至 530℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，杆材经在线冷却后收卷。
43.拉拔：用六连拉设备对所述杆材进行拉拔加工，得到直径为5 至6mm的线坯。
44.退火处理：对所述线坯进行固溶处理，加热温度为400至450℃，保温时间为2至3小时。
45.于一实施例中，经过退火处理使冷作硬化的线材发生再结晶，改善线坯塑性，便于后序继续进行拉拔加工。
46.二次拉拔：在滑动式拉丝机上对固溶处理后的合金线坯进行二次拉拔，获得直径为2.0至4.0mm的线材。
47.固溶处理：对拉拔后的所述线材进行固溶处理，加热温度为450 至500℃，保温2至3小时后淬火形成过饱和固溶体；
48.时效处理：对过饱和固溶体进行时效处理，时效温度为150至 180℃，保温时间为5至10小时；时效处理后获得所述高强度铝合金单丝。
49.于一实施例中，所述时效处理中，使过饱和固溶体的铝相中溶解的镁及硅析出并形成β”和β’亚稳强化相。
50.于一实施例中，所述高强度铝合金单丝中除β”和β’亚稳强化相外，还形成有tib2纳米陶瓷弥散强化相。
51.进一步的，先在较高温度下(例如450至500℃)对所述线材进行固溶处理，使线材中的少数元素(例如镁、硅、铁、铜、镍) 等充分溶于铝相中形成过饱和的固溶体。随后，再在相对较低的温度下(例如150至180℃)进行保温，使铝相中的镁和硅缓慢析出形成β”和β’亚稳强化相。铝相中同时存在β”和β’亚稳强化相与tib2纳米陶瓷弥散强化相，使所制得的高强度铝合金单丝的抗拉伸强度可突破300mpa，使铝合金单丝的抗拉伸强度大于或等于450mpa。本领域技术人员可以理解的，本技术所指之“高强度铝合金单丝”主要是至该“铝合金单丝”的抗拉伸强度较高(突破300mpa)，该“铝合金单丝”的抗拉伸强度大于或等于450mpa被认为是“高强度”的。
52.通过前述的高强度铝合金单丝的制备方法制得的铝合金单丝由按质量百分比计的下述成分组成：mg 0.6至0.8％，si 0.5至0.6％， cu 0.3至0.5％，fe 0.1至0.2％，ni 0.05至0.3％，tib
2 3至5％，其余为al和不可避免的其它杂质元素，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005％，不可避免的其它杂质元素的总量≤0.05％。
53.于一实施例中，所述铝合金单丝的强度大于或等于450mpa，所述铝合金单丝的导
电率大于或等于40％iacs。
54.于一实施例中，所述铝合金单丝的伸长率大于或等于3％，所述铝合金单丝的线膨胀系数1.5
×
10-5
至1.6
×
10-5
/℃。
55.相较于现有技术，本技术的高强度铝合金单丝的制备方法所制得的铝合金单丝的抗拉强度大于或等于450mpa，所述铝合金单丝的导电率大于或等于40％iacs，所述铝合金单丝的伸长率大于或等于3％。相比普通的lha1铝合金，所述铝合金单丝抗拉强度由 300mpa左右提升至450mpa，提升至少38.5％，使适配有所述铝合金单丝的铝绞线具有更大的抗拉强度，在保证铝绞线强度的同时减少铝合金芯截面占比，减少出来的空间可由高导电率硬铝线芯，至少增加61％iacs-62.5％iacs高导电率硬铝线芯，进而提升铝合金绞线的整体导电能力，从而降低线路损耗，对于实现电网的节能减排助力双碳目标的达成具有重要意义。
56.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
57.实施例1
58.高强度铝合金单丝的制备步骤包括：
59.铝液熔炼：向熔炼炉中加入纯度大于99.7％的铝锭、铝硅合金、铝铜合金、铝铁合金、铝镍合金加热熔化获得铝液，向所获取的铝液中加入镁锭充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制铝液熔体成分在要求的范围内。
60.炉内精炼：将铝液转移至精炼炉，所述精炼炉为倾动式保温炉，将铝液转移至倾动式保温炉中，开启炉底电磁搅拌装置对铝液进行充分搅拌。调整铝液温度至740℃，以高纯氮气和颗粒精炼剂对炉内熔体进行精炼，时间为12分钟。完成扒渣后，将铝液温度调整至 720℃静置保温30分钟。
61.在线添加陶瓷颗粒：通过流槽从精炼炉对铝液进行放流，浇铸开始后，在流槽中喂入含有tib2纳米陶瓷的中间合金，使纳米级 tib2颗粒溶解在铝液中。
62.在线搅拌：利用在线搅拌装置对溶解了tib2纳米颗粒的铝液进行充分的搅拌，使其在铝液中充分的分散，防止tib2纳米颗粒发生沉降或者团聚。
63.连铸连轧：搅拌后的铝液直接浇入结晶器进行铸坯的连续铸造，铸坯截面积为2400mm2，铸造温度712℃、铸造速度9m/min、冷却水温度25℃、冷却水压0.38mpa，形成铸坯。铸坯从结晶轮脱离后，通过导入装置送入二辊式连轧机组，控制入轧温度在510℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，杆材经在线冷却后收卷。
64.拉拔：用六连拉设备对所述杆材进行拉拔加工，得到直径为5 至6mm的线坯。
65.退火处理：对所述线坯进行固溶处理，加热温度为400℃，保温时间为3小时。
66.二次拉拔：在滑动式拉丝机上对固溶处理后的合金线坯进行二次拉拔，获得直径为3.5mm的线材。
67.固溶处理：对拉拔后的所述线材进行固溶处理，加热温度为 500℃，保温2小时后淬火形成过饱和固溶体；
68.时效处理：对过饱和固溶体进行时效处理，时效温度为160℃，保温时间为7小时；时效处理后获得所述高强度铝合金单丝。
69.所制备的高强度铝合金单丝成分为mg 0.66％，si 0.52％，cu 0.4％，fe 0.15％，ni 0.13％，tib
2 3.5％，单丝抗拉强度为455mpa、导电率为42.7％iacs、伸长系数为4.3％、
线膨胀系数为1.58
×
10-5
/℃。
70.实施例2
71.高强度铝合金单丝的制备步骤包括：
72.铝液熔炼：向熔炼炉中加入纯度大于99.7％的铝锭、铝硅合金、铝铜合金、铝铁合金、铝镍合金加热熔化获得铝液，向所获取的铝液中加入镁锭充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制铝液熔体成分在要求的范围内。
73.炉内精炼：将铝液转移至精炼炉，所述精炼炉为倾动式保温炉，将铝液转移至倾动式保温炉中，开启炉底电磁搅拌装置对铝液进行充分搅拌。调整铝液温度至740℃，以高纯氮气和颗粒精炼剂对炉内熔体进行精炼，时间为12分钟。完成扒渣后，将铝液温度调整至 720℃静置保温30分钟。
74.在线添加陶瓷颗粒：通过流槽从精炼炉对铝液进行放流，浇铸开始后，在流槽中喂入含有tib2纳米陶瓷的中间合金，使纳米级 tib2颗粒溶解在铝液中。
75.在线搅拌：利用在线搅拌装置对溶解了tib2纳米颗粒的铝液进行充分的搅拌，使其在铝液中充分的分散，防止tib2纳米颗粒发生沉降或者团聚。
76.连铸连轧：搅拌后的铝液直接浇入结晶器进行铸坯的连续铸造，铸坯截面积为2400mm2，铸造温度710℃、铸造速度9m/min、冷却水温度20℃、冷却水压0.4mpa，形成铸坯。铸坯从结晶轮脱离后，通过导入装置送入二辊式连轧机组，控制入轧温度在512℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，杆材经在线冷却后收卷。
77.拉拔：用六连拉设备对所述杆材进行拉拔加工，得到直径为5 至6mm的线坯。
78.退火处理：对所述线坯进行固溶处理，加热温度为400℃，保温时间为3小时。
79.二次拉拔：在滑动式拉丝机上对固溶处理后的合金线坯进行二次拉拔，获得直径为3.5mm的线材。
80.固溶处理：对拉拔后的所述线材进行固溶处理，加热温度为 500℃，保温2小时后淬火形成过饱和固溶体；
81.时效处理：对过饱和固溶体进行时效处理，时效温度为160℃，保温时间为7小时；时效处理后获得所述高强度铝合金单丝。
82.所制备的高强度铝合金单丝成分为mg 0.72％，si 0.56％，cu 0.45％，fe 0.15％，ni 0.23％，tib
2 4.2％，单丝抗拉强度为482mpa、导电率为40.5％iacs、伸长系数为3.2％、线膨胀系数为1.52
×
10-5
/℃。
83.实施例3
84.高强度铝合金单丝的制备步骤包括：
85.铝液熔炼：向熔炼炉中加入纯度大于99.7％的铝锭、铝硅合金、铝铜合金、铝铁合金、铝镍合金加热熔化获得铝液，向所获取的铝液中加入镁锭充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制铝液熔体成分在要求的范围内。
86.炉内精炼：将铝液转移至精炼炉，所述精炼炉为倾动式保温炉，将铝液转移至倾动式保温炉中，开启炉底电磁搅拌装置对铝液进行充分搅拌。调整铝液温度至740℃，以高纯氮气和颗粒精炼剂对炉内熔体进行精炼，时间为12分钟。完成扒渣后，将铝液温度调整至 720℃静置保温30分钟。
87.在线添加陶瓷颗粒：通过流槽从精炼炉对铝液进行放流，浇铸开始后，在流槽中喂
入含有tib2纳米陶瓷的中间合金，使纳米级 tib2颗粒溶解在铝液中。
88.在线搅拌：利用在线搅拌装置对溶解了tib2纳米颗粒的铝液进行充分的搅拌，使其在铝液中充分的分散，防止tib2纳米颗粒发生沉降或者团聚。
89.连铸连轧：搅拌后的铝液直接浇入结晶器进行铸坯的连续铸造，铸坯截面积为2400mm2，铸造温度710℃、铸造速度9m/min、冷却水温度28℃、冷却水压0.37mpa，形成铸坯。铸坯从结晶轮脱离后，通过导入装置送入二辊式连轧机组，控制入轧温度在520℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，杆材经在线冷却后收卷。
90.拉拔：用六连拉设备对所述杆材进行拉拔加工，得到直径为 5.5mm的线坯。
91.退火处理：对所述线坯进行固溶处理，加热温度为420℃，保温时间为2小时。
92.二次拉拔：在滑动式拉丝机上对固溶处理后的合金线坯进行二次拉拔，获得直径为3.8mm的线材。
93.固溶处理：对拉拔后的所述线材进行固溶处理，加热温度为 500℃，保温2小时后淬火形成过饱和固溶体；
94.时效处理：对过饱和固溶体进行时效处理，时效温度为155℃，保温时间为8小时；时效处理后获得所述高强度铝合金单丝。
95.所制备的高强度铝合金单丝成分为mg 0.68％，si 0.55％，cu 0.42％，fe 0.16％，ni 0.25％，tib
2 3.8％，单丝抗拉强度为462mpa、导电率为41.2％iacs、伸长系数为3.5％、线膨胀系数为1.55
×
10-5
/℃。
96.上文中，参照附图描述了本技术的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本技术的范围的情况下，还可以对本技术的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本技术所限定的范围内。