一种纳米晶铝单线、制备方法及铝杆成型设备与流程

1.本发明属于输电线路导线制造领域，具体涉及一种纳米晶铝单线、制备方法及铝杆成型设备。


背景技术：

2.电力是现代经济发展不可或缺的重要能源，随着经济的持续高速发展，对电力的需求大幅度攀升。输电线路导线是电力供应的重要组成部分，是把发电厂的电能输送到千家万户的纽带，是输电线路的核心组成。导线材料的机械强度关系到输电线路的安全以及建设成本，其导电性直接和电能的损耗相关，追求强度高且导电性好的导线是输电线路安全和低耗的发展方向，导线的物理性能直接决定了输电电缆的整理力学和电学性能，提高导线单线的力学强度有助于提升整个输电线路的承载能力，进而提高输电线路的安全性。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提高输电导线的承载能力和安全性。
4.本发明的目的是采取下述技术方案来实现的：
5.一种纳米晶铝单线，所述纳米晶铝单线是通过对纳米晶铝粉进行烧结、挤压成型和多次拉拔成型制造而成。
6.优选的，所述纳米晶铝单线的内部晶粒尺寸的统计平均值小于170纳米。
7.基于同一发明构思本发明还提供了一种纳米晶铝单线制备方法，用于生产所述的一种纳米晶铝单线，所述方法包括：将铝粉通过低温研磨获得纳米晶铝粉；通过对所述纳米晶铝粉加热烧结和挤压成形获得纳米晶铝杆；对所述纳米晶铝杆进行多次拉拔成形得到纳米晶铝单线。
8.优选的，所述将铝粉通过低温研磨获得纳米晶铝粉包括：把铝粉和钢球装入研磨箱体；通过真空泵把所述研磨箱体抽成真空环境；在研磨箱体里加入液氮，形成-196摄氏度的超低温环境；旋转研磨箱体以使得铝粉在钢球的不断撞击下形成纳米晶铝粉。
9.优选的，所述通过对所述纳米晶铝粉加热烧结和挤压成形获得纳米晶铝杆包括：把所述纳米晶铝粉放置在压力烧结箱里，将所述压力烧结箱加热至150摄氏度以上；
10.将加热后的纳米晶铝粉经所述压力烧结箱的活塞压入成型模具成型为纳米晶铝杆。
11.优选的，所述铝粉包括纯度大于99％粒径为5-20微米的铝粉。
12.优选的，所述真空环境的气压为0.1-0.5帕斯卡。
13.优选的，所述研磨箱体的转速为300-600圈每分钟。
14.优选的，所述活塞的压力为2mpa-20mpa。
15.基于同一发明构思本发明还提供了一种铝杆成型设备，其用于生产所述的纳米晶铝杆，所述设备包括：用于加热和调节温度的温度控制箱、安装于所述温度控制箱内的压力烧结箱、贯通所述压力烧结箱的一侧用于挤压所述纳米晶铝粉的活塞、与所述活塞对应设
置于贯通所述压力烧结箱另一侧壁的用于成型所述纳米晶铝杆的挤出模具；所述挤出模具的出口位于所述温度控制箱外部。所述活塞与外部的压力提供装置连接。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
17.本发明提供一种纳米晶铝单线，所述纳米晶铝单线是通过对纳米晶铝粉进行烧结、挤压成型和多次拉拔成型制造而成。本发明通过烧结对纳米晶铝粉加热；通过挤压成型使得加热后的纳米晶铝粉聚集粘合，实现了对晶格的尺寸控制；通过继续挤压将挤压粘合后的纳米晶铝粉进一步挤压成为纳米晶铝杆；通过多次拉拔成型将所述纳米晶铝杆成型为纳米晶铝单线。检测表明，本发明所提供的纳米晶铝单线的导电性不低于61.0％iacs(国际标准态退火铜的导电性)，在不增加电阻率的前提下，所得纳米单线的抗拉破断力提高了13.8％，使得输电导线的承载能力和安全性均得到了提高。
附图说明
18.图1为本发明纳米晶铝单线的制备方法流程示意图；
19.图2为纳米量铝粉的显微镜观测图；
20.图3为纳米晶铝杆的显微组织结构图；
21.图4为纳米晶铝单线显微组织结构图。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施例对技术方案做进一步说明，以助于理解本发明的内容。
23.实施例1
24.在材料学领域，金属材料的屈服强度与其内部的晶粒尺寸大小相关，该关系称为霍尔佩奇关系，即晶粒尺寸越小，金属材料的屈服强度就越高。如果能把霍尔佩奇的基础理论引入到导线单线的制备过程中，制备出晶粒尺寸细小的铝单线，从而可提升铝单线的强度，进而提高架空导线的承载力和输电线路的安全性。
25.本发明基于上述技术背景，提出了一种新型的单线制备方法，利用纳米晶材料强度高的技术原理提升铝单线的强度，从而制备出承载能力更高的铝导线，提升整个输电线路的安全性。
26.为了减小铝单线的晶粒尺寸，本发明做出如下三方面的改进：1)改变现有的熔炼、浇铸及拉拔制备铝杆的工艺，采用粉体研磨和压力烧结相结合的制备工艺(超低温研磨和高温压力烧结)生产铝杆以控制晶格尺寸达到纳米级；2)突破现有的铝单线制备工艺中的晶粒尺寸极限，把铝单线的晶粒尺寸从微米量级降至纳米量级；3)本发明的如图4所示的显微组织结构的铝单线内部晶粒尺寸在170纳米(此数据为统计出来的晶粒尺寸平均值)以下，铝单线强度超过250兆帕，实现了纳米晶铝单线的生产制造。
27.本发明公开一种纳米晶铝单线，所述纳米晶铝单线是通过对纳米晶铝粉进行烧结、挤压成型和多次拉拔成型制造而成。
28.所述纳米晶铝单线的内部晶粒尺寸的统计平均值小于170纳米。
29.如图1所示，本发明技术方案的总体分为三个过程：纳米晶铝杆制造过程、多道次拉拔成形过程和单线绞合成导线过程。多道次拉拔成形过程和单线绞合成导线过程按照现
有的生产工艺进行，本发明主要是对铝杆的制造过程进行了变革，改变了现行的自上而下(铝块熔炼和连铸连轧，铝锭-铝杆-铝单线这种由大到小的顺序)的制备工艺，从制作纳米晶铝粉，到由纳米晶铝粉烧结挤出纳米晶铝杆，再到纳米晶铝单线这种自下而上进行铝杆的制造，完整的技术方案如图1所示。从铝粉开始，不经过熔炼和连铸连轧过程，直接把铝粉放进研磨箱体里，再把钢球装入研磨箱体。通过真空泵把研磨箱体抽成真空环境，再在研磨箱体里灌入液氮，形成-196摄氏度的超低温环境，最后高速旋转研磨箱体。铝粉在钢球的高速撞击下，晶粒逐渐细化，并最终形成纳米晶铝粉，即研磨后的铝粉的晶粒尺寸在纳米量级，金相图如图2所示。把研磨后的铝粉放置在压力烧结箱里，通过压力烧结箱外部的温度控制箱调节压力烧结箱体内的温度，使压力烧结箱体内的温度达到150摄氏度以上的高温环境。在活塞上部施加压力，活塞下部在巨大压力(2mpa-20mpa)作用下把研磨后的粉末在高温下压入模具，并最终得到热压烧结后的铝杆，此时的铝杆晶粒尺寸在纳米量级，金相图如图3所示。把热压烧结后的铝杆进行多道次拉拔成形得到纳米晶铝单线，其金相图如图4所示。纳米晶铝单线经过绞制制成纳米晶架空导线。
30.将纯度为99.7％粒径5微米至20微米范围内的铝粉放入研磨箱体，采用直径为2毫米的钢球。先用真空泵把研磨箱体里的空气抽走，达到0.1至0.5帕斯卡的真空环境，再在研磨箱体里充入液氮。最后，采用300至600圈每分钟范围内的转速高速地旋转研磨箱体，铝粉在钢球的撞击下被研磨，晶粒得到细化，至少研磨24小时后取出铝粉。
31.把研磨后的铝粉放入压力烧结箱，通过温度控制箱调节烧结箱内的温度为200摄氏度，在5吨的压力下把铝粉压力烧结并挤压成型为直径9毫米的铝杆；或者在温度为150摄氏度，在10吨的压力下把铝粉压力烧结并挤压成型为直径9毫米的铝杆。通过多道次拉拔成形机器，把直径9毫米的铝杆拉拔成直径为4.22毫米的铝单线。把直径4.22毫米铝单线和直径为2.81毫米的钢线绞线成630/45(铝线总面积/钢线总面积)的钢芯纳米晶铝绞线。
32.力学性能及电学性能测试结果表明，纳米晶铝单线的晶粒尺寸为150纳米，抗拉强度超过250兆帕，导电性为61.0％iacs(国际标准态退火铜的导电性)；钢芯纳米晶铝单线的抗拉破断力为187千牛，电阻率为0.0452欧姆每千米。
33.本发明所达到的效果如下：
34.(1)现行的铝单线制备技术只能制备出晶粒尺寸在微米量级的铝单线，本专利能制造出纳米晶铝单线，以直径4.22毫米纳米晶铝单线为例，抗拉强度超过250兆帕，导电性不低于61.0％国际标准态退火铜的导电性，与现行制备工艺制造的铝单线(抗拉强度为160兆帕，导电性不低于61.0％国际标准态退火铜的导电性)相比较，在导电性不降低的前提下抗拉强度提高了56％，获得了大幅度的提升。
35.(2)制造出钢芯纳米晶铝单线，以630/45(铝线总面积/钢线总面积)的钢芯纳米晶铝绞线为例，抗拉破断力为187千牛，电阻率为0.0452欧姆每千米，与现行制备工艺制造的630/45钢芯铝绞线(抗拉破断力为164.3千牛，电阻率为0.0452欧姆每千米)相比较，在电阻率不增加的前提下抗拉破断力提高了13.8％，抗拉破断力得到明显的提高。
36.实施例2
37.基于同一发明构思本发明还提供了一种纳米晶铝单线制备方法，用于生产所述的一种纳米晶铝单线，所述方法包括：将铝粉通过低温研磨获得纳米晶铝粉；通过对所述纳米晶铝粉加热烧结和挤压成形获得纳米晶铝杆；对所述纳米晶铝杆进行多次拉拔成形得到纳
米晶铝单线。
38.所述将铝粉通过低温研磨获得纳米晶铝粉包括：把铝粉和钢球装入研磨箱体；通过真空泵把所述研磨箱体抽成真空环境；在研磨箱体里加入液氮，形成-196摄氏度的超低温环境；旋转研磨箱体以使得铝粉在钢球的不断撞击下形成纳米晶铝粉。
39.所述通过对所述纳米晶铝粉加热烧结和挤压成形获得纳米晶铝杆包括：把所述纳米晶铝粉放置在压力烧结箱里，加热压力烧结箱使内部温度大于150摄氏度；通过所述压力烧结箱内部的活塞将加热后的纳米晶铝粉压入成型模具得到纳米晶铝杆。
40.所述铝粉包括纯度大于99％粒径为5-20微米的铝粉。
41.所述真空环境的气压为0.1-0.5帕斯卡。
42.所述研磨箱体的转速为300-600圈每分钟。
43.所述活塞的压力为2mpa-20mpa。
44.本发明利用霍尔佩奇的理论原理，设计出一种纳米晶铝单线的制备方法，通过把铝单线的晶粒尺寸细化至纳米量级，从而最终提升架空铝导线的强度和承载力。
45.本发明提供了一种全新的铝单线制备方法：粉末冶金、热压烧结、多道次拉拔和绞线工艺，与现行的铝单线制备方法相比，该全新的制备方法在保障铝单线导电性不降低的前提下抗拉强度提高了56％以上，在保障钢芯铝单线电阻率不增加的基础下抗拉破断力提高了13.8％以上。
46.实施例3
47.如图1所示，基于同一发明构思本发明还提供了一种铝杆成型设备，其用于生产所述的纳米晶铝杆，所述设备包括：用于加热和调节温度的温度控制箱、安装于所述温度控制箱内部的压力烧结箱、安装于所述压力烧结箱内部且与外部施压机构连接的用于挤压所述纳米晶铝粉的活塞、在所述活塞挤压方向终点安装于所述压力烧结箱侧壁上用于成型所述纳米晶铝杆的挤出模具；所述挤出模具的出口位于所述温度控制箱外部。
48.本实施例所公开的铝杆成型设备用于加工实施例1和实施例2中的纳米晶铝杆，设备使用过程及涉及的其它未尽技术参数请参见实施例1和实施例2，为简洁起见，相同内容不再赘述。
49.以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。