一种架空导线用高导电率稀土硬铝单丝材料的制作方法
【专利说明】一种架空导线用高导电率稀土硬铝单丝材料 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电力行业输电线路架空导线，具体讲涉及一种导电率多63.0% IACS，抗拉强度彡165MPa，延伸率彡2.0%的架空导线用高导电率稀土硬铝单丝材料。 【【背景技术】】
[0002] 现有的常规钢芯铝绞线用硬铝导体材料的导电率为61% IACS，其输电线损较高， 而纯铝的极限导电率约为64% IACS，但这种电工纯铝也无法满足目前架空铝导线的市场 需求，且其成本约为普通纯铝锭的1. 5倍之高。
[0003] 现有的63% IACS高导软铝导线在强度和表面硬度等方面存在的缺陷阻碍了推广 使用。通过晶粒细化、铝线冷拉拔工艺的低缺陷控制、敏感元素的精确控制，在保证铝线强 度并满足国家标准GB/T 17048的条件下，又可使铝线导电率达到63% IACS，这种高导电率 钢芯硬铝导线可有效降低输电线路的电阻损耗1. 0%~2. 0%左右，节能效益显著，而其结 构、机械性能及施工条件与普通钢芯铝绞线媲美，直接取代普通钢芯铝绞线。虽然根据目 前制造成本及利润测算，高导电率硬铝导线价格一般高出普通钢芯铝绞线的5%~10%， 但经试点应用例如，江苏省电力公司500KV斗山至常熟南线路、220KV南通西至常青线路以 及示范工程的对比计算分析表明，采用高导电率硬铝导线每年输电损耗的减少所带来的收 益，可在5~10年内即可收回因采用节能导线增加的初期建设投资。 【
【发明内容】
】
[0004] 本发明为克服常规钢芯铝绞线导电率低61% IACS、输电线路损耗大的技术问题， 提供了一种用于电力行业中架空导线用高导电率稀土硬铝单丝材料，通过加入微量合金化 元素优化控制合金的成分，开发出导电率> 63. 0% IACS (20°C )，抗拉强度彡165MPa的硬铝 单丝材料。
[0005] 为实施上述目的本发明采用以下技术方案：
[0006] 本发明提供了一种架空导线用高导电率稀土硬铝单丝材料，由按质量百分比计的 下述成分组成：
[0007] B :0· 002 ~0· 05%、Er :0· 02 ~0· 20%、Y :0· 02 ~0· 20%、Si :0 ~0· 060%、Fe : 0~0.140%、￥+11+0+]\111彡0.01%和余量为铝及不可避免的杂质。
[0008] 本发明提供的硬铝单丝材料由按质量百分比计的下述成分组成：
[0009] B :0· 002 ~0· 05%、Er :0· 02 ~0· 20%、Y :0· 02 ~0· 20%、Si :0· 01 ~0· 060%、 ?6:0.01~0.140%、￥+11+0+]\111彡0.01%和余量为铝及不可避免的杂质。
[0010] 本发明提供的硬铝单丝材料，由按质量百分比计的下述成分组成：
[0011] B ：0. 010 %, Er ：0. 050 %, Y ：0. 050 %, Si ：0. 060 %, Fe ：0. 137 %, Cr+Mn+V+Ti ： 0. 010%和余量为铝及不可避免的杂质元素。
[0012] 本发明还提供了一种制备硬铝单丝材料的方法，包括下述步骤：
[0013] (1)熔炼：于730~750°C的铝熔融物中加入Al-B合金静置30min后加入Al-Y和 Al-Er合金；
[0014] (2)精炼：在720~730°C下通入氮气10~15min，静置30min后扒渣；
[0015] (3)浇铸：于700~720 °C下将铝合金液铸模，得22mm X 22mm X 380mm的铝合金锭； 为减少Fe的带入，模具采用紫铜材质；
[0016] (4)制杆：将步骤（3)制得的铝合金锭在510~530°C下保温Ih后轧制成Φ9. 5mm 的铝合金杆；
[0017] (5)拉丝：以15m/s的速度、20-25%的变形量，拉丝得直径为3. 05~3. 50mm的硬 铝单丝。本发明提供的制备工艺的特点在于：先进行冶炼，当工业纯铝锭完全熔化后依次放 入各中间合金，合金化温度为730~750°C ;使用搅拌机对铝液进行搅拌，使合金元素充分 均匀化；采用队对铝液进行除气、除渣及覆盖剂防氧化处理，静置30min后进行扒渣及铝合 金液浇铸，采用紫铜材质模具浇铸成22X22X380mm的硬铝合金锭；采用热轧的方式将硬 铝合金锭压制成Φ9. 5mm的圆杆，然后进行拉丝，以15m/s的速度在拉丝机上冷拉丝，使用 钢模经过多道次拉制，最终获得3. 05~3. 50mm的单丝。
[0018] 本发明提供的制备方法中，在步骤（2)精炼过程中加入覆盖剂后静置。
[0019] 本发明提供的制备方法中，覆盖剂的加入量为炉料总量的0. 03%~0. 05%。
[0020] 本发明提供的硬铝单丝材料的导电率彡63. 0% IACS，拉伸强度彡165MPa，延伸率 彡 2. 48% 〇
[0021] 本发明采用的各合金元素的作用及机理如下：
[0022] Er :本发明提供的技术方案加入0. 02~0. 20%铒元素不仅显著提高了铝合金的 强度，且能减少铝合金的枝晶偏析，细化铝合金的晶粒组织。本发明中加入0. 02~0. 20% 的Er元素充分考虑了其对晶粒的细化机理与其添加量间的关系，当Er含量较低时，符合 传统的稀土细化机理；当Er含量超过本发明提供的0. 20%时，由于在熔体中形成了初生 Al3Er质点，在结晶形核时可以作为非均质形核核心，从而显著细化晶粒组织；Er还可以与 铝合金中的部分杂质元素反应，使杂质元素从原子态转变为析出态，从而提高铝合金的导 电率。
[0023] Y :本发明的技术方案中加入0. 02~0. 20%的钇元素对铝合金导电性能的提高作 用主要是由于Y与铝中主要固溶杂质元素 Fe、Si发生强烈的交互作用，Y与杂质原子形成 的稀土化合物在晶界处的析出，降低了 Fe、Si等杂质元素在基体中的固溶度。而杂质元素 在铝中以固溶态存在时对铝导体电阻率的增大作用远大于析出态，Fe、Si等杂质和Y反应 生成化合物在晶界处的析出，减少了固溶的Fe、Si对电子的散射作用，故加入本发明中的 量的Y能使铝合金的导电率提高。但过多的Y会形成杂质影响导电性能，而且Y含量增加 会增强晶粒细化作用，增加了对电子的散射，从而降低了铝导体的导电率。因此本发明的量 的Y可以保证铝导体的导电性能。
[0024] Si :硅主要来自铝矾土中的二氧化硅或硅酸盐，是纯铝中的一种主要杂质元素。本 发明中将Si含量控制在0~0. 065%不仅能够提高铝合金的铸造性能及焊接流动性，还能 使铝合金具有较高的力学性能。但随着Si含量超过0.065%时铝合金的电阻率增加。这主 要是由于Si是半导体，较铝基体的电阻率高得多，故Si含量的增加将减少铝基体的有效导 电截面积，降低铝合金的导电率。因此，为降低硬铝材料的电阻率应尽量减少Si含量。
[0025] Fe :本发明的技术方案中采用Fe :0~0. 140%，铝中含有的一定量的铁是纯铝的 一种主要杂质。因为熔炼与铸造使用的器具主要是钢质或铸铁，Fe元素就会因这些工具的 使用而带入其中，而且在重熔废料时，也会混入铁与铁肩。铁对铸造铝的力学性能是有害 的，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，这在一定程度上 提高了铝的硬度，使铝的塑性降低。本发明提供的技术方案中采用的铁/硅比为1.9~2. 3， 在保证提高铝导体强度的同时又不显著降低其导电性。
[0026] B :铝导体中杂质元素如果以固溶态存在，对导电性能的影响很大，本发明的技术 方案中采用了 B :0. 002~0. 05%，硼化处理能有效降低杂质含量，因为和过渡族杂质元素 Cr、Mn、V、Ti等杂质元素发生反应，使之由固溶态转变为化合态并沉积于熔体底部而净化铝 导体，从而提高铝合金的导电性能。
[0027] Cr、Mn、V、Ti :这四种元素均为电工纯铝中的杂质元素。铝导体中的Cr、Mn、V、Ti杂 质元素以固溶态存在时，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会导致铝导体电阻率的增加。对铝导体导电性能有害而言，每1 % (Cr+Mn+V+Ti)是每1 % Si的5倍。本发明中严格控制杂质元素 V+Ti+Cr+Mn彡0. 01 %，保 证了铝导体的导