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CN106086534B - 一种高强度耐腐蚀的铝碳铜合金接地材料 - Google Patents

一种高强度耐腐蚀的铝碳铜合金接地材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度耐腐蚀的铝碳铜合金接地材料，属电工材料技术领域，所述材料的质量百分比组成为：铝46％～62％，铜2％～8％，碳1％～30％，杂质：铁<1.5％，杂质：硅<1.5％，其它杂质的总含量<1.0％。本发明的铝碳铜合金材料的耐腐蚀性和接地导通性与纯铜相当。由于碳颗粒成分加入，大大提高了接地材料的硬度和强度，可以直接以棒材形式打入深层土壤之中做垂直接地极使用，且合金具有良好的耐土壤腐蚀性。

Description

一种高强度耐腐蚀的铝碳铜合金接地材料
技术领域
本发明属电工材料技术领域，是用于电力系统埋地接地网(体)的接地材料，具体涉及一种高强度耐腐蚀的铝碳铜合金接地材料。
背景技术
电力系统接地装置一般由水平接地网格、垂直接地极和接地引下线组成，是保证电力系统设备和人身安全的必要设施。水平接地网格和接地引下线是在开挖的沟槽中敷设埋下，对强度要求不高；垂直接地极是用锤击方式打入深层地中的，因而对材料强度要求较高。目前接地材料主要采用镀锌钢、纯铜，以及铜包钢等包覆材料。
采用镀锌钢做接地材料的主要问题是土壤腐蚀速率较高，运行5～10年时间的镀锌钢接地网大多因腐蚀严重而失效，导致接地电阻升高，散流能力减小。在遭受雷电或短路时易引发事故，降低了电网运行的安全可靠性能。
纯铜是良好的接地体材料，导通和散流能力强，耐土壤腐蚀性能好，可保证接地网可靠运行30年以上。但由于铜的大量埋入会造成土壤环境的重金属污染，在我国标准《土壤环境质量》(GB15618)中已被限制使用。
专利CN101580909A公开了一种接地网用铝铜合金材料。该材料主要由铝、铜及稀土等成分组成。它综合利用了铜的导电性和铝的防腐性，在满足接地网使用要求的同时，降低了土壤中铜的埋入量。但由于其材料强度较低，不易打入较为坚实的土地之中，因而不适宜做垂直接地极使用。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种高强度耐腐蚀的铝碳铜合金接地材料，目的之二是提供一种高强度耐腐蚀的铝碳铜合金接地材料的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度耐腐蚀接地材料，其质量百分比组成为：铝46％～62％，铜2％～8％，碳1％～8％，杂质：铁<1.5％，杂质：硅<1.5％，其它杂质的总含量<1.0％。
优选：所述碳的粒度为2000目～8000目(即：粒径1.5μm～6.5μm)。
优选：所述碳选自碳粉或/和鳞片石墨粉。
上述高强度耐腐蚀接地材料的制备方法：将铝锭加热熔化，按比例压入铜铝中间合金、铜-铝-碳粉末中间合金或铜-碳粉末中间合金后，升高炉温使熔池里的中间合金充分熔化，进行搅拌扒渣，然后取样检测调整成分后精炼，降温至浇注温度，按照规定含量的比例，加入碳粉或鳞片石墨粉中的一种或两种，或经过与铜或铝粉预先混合研磨后的碳粉或鳞片石墨粉的混合粉末，搅拌熔清后出炉浇注成铝碳铜合金铸锭；将铝碳铜合金铸锭加工成适用于接地网要求的产品形状。
优选：所述的浇注温度为700～800℃。
优选：所述加工方式为正向热挤压工艺，所述正向热挤压工艺中铝碳铜合金铸锭的加热温度为430～500℃。
优选：所述铝锭加热熔化在中频感应熔炼设备的坩埚中进行。
优选：使用石墨钟罩压入铜铝中间合金。
优选：降温至浇注温度并保温。优点：保温的目的是为了使坩埚中的熔体温度均匀，保温时间与炉体的保温性能、中频炉的频率、熔炼量的多少等多因素有关。
优选：使用强制冷却铸模浇注成铝碳铜合金铸锭。
优选：铝碳铜合金铸锭加工成直径为50mm，长度为2m的棒材。
上述方法制备得到的高强度耐腐蚀接地材料。
铝是良导体材料，但在土壤中的腐蚀产物Al2O3、Al(OH)3导电性较差，引起与土壤的接触电阻升高，所以一般不做接地材料使用。在铝中加入适量的铜(2wt.％～5wt.％)，腐蚀产物的构成改变为铜铝合金氧化物(Al2CuO4)及其水合氧化物，从而降低了腐蚀产物的接地电阻，提高了接地导通性能。但它的强度较低，再铜含量为3％水平时，σ0.2≈160MPa。进一步增加铜含量虽然可以提高强度，但成型加工性能变差，挤压或轧制成型时易开裂。
本发明的合金成分配伍在于，在利用铜保证合金具有良好的导电性能和耐土壤腐蚀性能的同时，加入不溶于合金的微细碳颗粒成分，利用颗粒增强效应，在不影响加工性能的同时，大幅度提高了材料强度(σ0.2≥320MPa)。
与现有技术比较，本发明的铝碳铜合金材料的耐腐蚀性和接地导通性与纯铜相当。由于碳颗粒成分加入，大大提高了接地材料的硬度和强度，可以直接以棒材形式打入深层土壤之中做垂直接地极使用，且合金具有良好的耐土壤腐蚀性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种耐腐蚀接地材料，其各组分质量百分比为：铜2.5％，碳粉7.0％，铁0.8％，硅1.0％，余量为铝。
熔炼铝碳铜合金铸锭：将铝锭放入中频感应熔炼设备的坩埚中，升温加热至690℃并保温，待铝锭完全熔化后，按上述比例用石墨钟罩压入铝铜中间合金，升温至780℃，待熔池里充分熔化，进行扒渣搅拌，取样分析成分并调整铜成分合格后，精炼，降温至浇注温度，按照规定含量的比例，用石墨钟罩压入碳粉块(将2000目的碳粉预先研制成型块体)，充分搅拌待熔清后，出炉浇注成铝碳铜合金铸锭，浇注温度为710～750℃，然后将铝碳铜合金铸锭采用正向挤压法压成直径为50mm，长度为2m的棒材。挤压筒加热温度为450～500℃。
将制备成的铝碳铜合金棒材，与相同尺寸的纯铝、纯铜接地材料加工成D30mm×4mm的试样，在实验室一起埋入碱性土壤进行加速腐蚀试验。土壤温度为60.0℃，土壤含水量保持为20％时，土壤总含盐量为18％，土壤pH＝8.5～9.5。经过360小时的高温、高含水量实验室加速试验，动态测量三种接地材料试样与土壤的接触电阻。在经过360小时后，纯铜试样与土壤的接触电阻为37.2Ω，铝碳铜合金试样与土壤的接触电阻为39.33Ω，纯铝试样与土壤的接触电阻为210.2Ω。称重计算三种材料试样的腐蚀失重。纯铜材料腐蚀失重为251.7mg，纯铝材料腐蚀失重为87.5mg，本发明铝碳铜合金材料的腐蚀失重为135.8mg。
对本发明铝碳铜合金材料棒材取样在万能实验机上进行拉伸试验，三组5倍试样测得的屈服强度平均为σ0.2＝373MPa。
实施例2
一种耐腐蚀接地材料，其各组分质量百分比为：铜7.5％，鳞片石墨粉3.0％，铁0.8％，硅1.0％，余量为铝。
预制铜-鳞片石墨粉末中间合金块：依照材料的配方比例，取300目纯铜粉和2000目鳞片石墨粉末，机械搅拌均匀后装入带有水冷系统的行星球磨机内研磨混合。球磨机的罐体和球体均为氧化铝陶瓷材料。抽真空至10-1Pa后充入氩气，控制罐体温度在50℃以下，以200r/min转速研磨1h后取出装入模具，压制成密度为4.0kg/m3～6.5kg/m3，直径为D30mm×30mm的圆柱块体，备用。
熔炼铝碳铜合金铸锭：将铝锭放入中频感应熔炼设备的坩埚中，升温加热至690℃并保温，待铝锭完全熔化后，按上述比例用石墨钟罩压入铜-鳞片石墨粉末中间合金块，升温至780℃，待熔池里充分熔化后，扒渣搅拌，然后取样检测调整铜成分，精炼，降温至浇注温度710～750℃，充分搅拌熔清后出炉浇注成铝碳铜合金铸锭。然后将铝碳铜合金铸锭采用正向挤压法压成直径为50mm，长度为2m的棒材。挤压筒加热温度为450～500℃。
性能数据
试验条件和其它对比材料数据参照实施例1，本铝碳铜合金试样与土壤的接触电阻为35.03Ω，腐蚀失重为143.5mg。三组5倍试样测得的屈服强度平均值为σ0.2＝351MPa。
实施例3
一种耐腐蚀接地材料，其各组分质量百分比为：铜3.0％，碳粉1.5％，铁0.8％，硅1.0％，余量为铝。
预制铜-铝-碳粉末中间合金块：依照材料的配方比例，取300目纯铜粉、与纯铜粉相同重量的300目纯铝粉和2000目碳粉，机械搅拌均匀后装入带有水冷系统的行星球磨机内研磨混合。球磨机的罐体和球体均为氧化铝陶瓷材料。抽真空至10-1Pa后充入氩气，控制罐体温度在50℃以下，以200r/min转速研磨1h后取出装入模具，压制成密度为3.5kg/m3～5.0kg/m3，直径为D30mm×30mm的圆柱块体，备用。
熔炼铝碳铜合金铸锭：将铝锭放入中频感应熔炼设备的坩埚中，升温加热至690℃并保温，待铝锭完全熔化后，按上述比例用石墨钟罩压入铜-铝-碳粉末中间合金块，升温至780℃，待熔池里的材料充分熔化后，扒渣搅拌，然后取样检测调整铜成分，精炼，降温至浇注温度710～750℃，充分搅拌熔清后出炉浇注成铝碳铜合金铸锭。然后采用正向挤压法将铝碳铜合金铸锭压成直径为50mm，长度为2m的棒材。挤压筒加热温度为450～500℃。
性能数据
试验条件和其它对比材料数据参照实施例1，本铝碳铜合金试样与土壤的接触电阻为36.30Ω，腐蚀失重为136.9mg。三组5倍试样测得的屈服强度平均值为σ0.2＝329MPa。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种耐腐蚀接地材料，其特征是，其各组分质量百分比为：铜2.5%，碳粉7.0%，铁0.8%，硅1.0%，余量为铝；
该接地材料是通过以下方法制备得到的：
熔炼铝碳铜合金铸锭：将铝锭放入中频感应熔炼设备的坩埚中，升温加热至690℃并保温，待铝锭完全熔化后，按上述比例用石墨钟罩压入铝铜中间合金，升温至780℃，待熔池里充分熔化，进行扒渣搅拌，取样分析成分并调整铜成分合格后，精炼，降温至浇注温度，按照规定含量的比例，用石墨钟罩压入碳粉块；将2000目的碳粉预先研制成型块体，充分搅拌待熔清后，出炉浇注成铝碳铜合金铸锭，浇注温度为710~750℃，然后将铝碳铜合金铸锭采用正向挤压法压成直径为50mm，长度为2m的棒材；挤压筒加热温度为450~500℃。
2. 一种耐腐蚀接地材料，其特征是，其各组分质量百分比为：铜 7.5%，鳞片石墨粉3.0%，铁 0.8%，硅 1.0%，余量为铝；
该接地材料是通过以下方法制备得到的：
预制铜-鳞片石墨粉末中间合金块：依照材料的配方比例，取300目纯铜粉和2000目鳞片石墨粉末，机械搅拌均匀后装入带有水冷系统的行星球磨机内研磨混合；抽真空至10-1Pa后充入氩气，控制罐体温度在50℃以下，以200r/min转速研磨1h后取出装入模具，压制成密度为4.0 kg/m3~6.5kg/m3，直径为D30mm×30mm的圆柱块体，备用；
熔炼铝碳铜合金铸锭：将铝锭放入中频感应熔炼设备的坩埚中，升温加热至690℃并保温，待铝锭完全熔化后，按上述比例用石墨钟罩压入铜-鳞片石墨粉末中间合金块，升温至780℃，待熔池里充分熔化后，扒渣搅拌，然后取样检测调整铜成分，精炼，降温至浇注温度710~750℃，充分搅拌熔清后出炉浇注成铝碳铜合金铸锭；然后将铝碳铜合金铸锭采用正向挤压法压成直径为50mm，长度为2m的棒材；挤压筒加热温度为450~500℃。
3. 一种耐腐蚀接地材料，其特征是，其各组分质量百分比为：铜 3.0%，碳粉 1.5%，铁0.8%，硅 1.0%，余量为铝；
该接地材料是通过以下方法制备得到的：
预制铜-铝-碳粉末中间合金块：依照材料的配方比例，取300目纯铜粉、与纯铜粉相同重量的300目纯铝粉和2000目碳粉，机械搅拌均匀后装入带有水冷系统的行星球磨机内研磨混合；抽真空至10-1Pa后充入氩气，控制罐体温度在50℃以下，以200r/min转速研磨1h后取出装入模具，压制成密度为3.5 kg/m3~5.0kg/m3，直径为D30mm×30mm的圆柱块体，备用；
熔炼铝碳铜合金铸锭：将铝锭放入中频感应熔炼设备的坩埚中，升温加热至690℃并保温，待铝锭完全熔化后，按上述比例用石墨钟罩压入铜-铝-碳粉末中间合金块，升温至780℃，待熔池里的材料充分熔化后，扒渣搅拌，然后取样检测调整铜成分，精炼，降温至浇注温度710~750℃，充分搅拌熔清后出炉浇注成铝碳铜合金铸锭；然后采用正向挤压法将铝碳铜合金铸锭压成直径为50mm，长度为2m的棒材；挤压筒加热温度为450~500℃。
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