CN101886198A - 电缆用高导电率铝合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种电缆用高导电率铝合金材料及其制备方法。所述铝合金材料含有重量百分比为0.25-0.80％的铁元素，0.02-0.15％的硼元素，0.1％-1.5％的稀土元素，其余为铝以及不可避免的杂质。所述铝合金采用纯度大于99.80wt％的铝锭，加入铝铁中间合金、铝硼中间合金和铝稀土中间合金，经过熔铸工艺和退火处理而制成。由此制成的铝合金导体同普通电工铝导体相比，具有更加优异的导电性能，导电率能达到或超过62.5％IACS，且经过特殊工艺处理的铝合金导体具有优异的柔韧性和抗蠕变性能，由此制备成的铝合金材料用作电缆挤包绝缘导体线芯相比于普通电工铝导体更加节能和安全。
Description
技术领域
本发明属于有色金属材料领域，具体涉及一种电缆用高导电率铝合金材料及其制备方法。
背景技术
目前电线电缆导体绝大部分采用铜导体，由于铜资源紧张，铜价居高不下，铜导体占铜缆成本的约70％，制造铜电缆的成本太高。但使用纯铝，长期运行或电流过载后发生较大的蠕变，导致接触电阻太大，易引发事故，且弯曲性能不好，易开裂或折断，同样易引发事故。虽然通过退火处理，可以提高普通电工铝导体的弯曲性能，且电性能也有较大的提高，但退火处理后纯铝导体的强度太低，导体的拉断力大大降低，因而用作成电缆的安全性和可靠性太差。通过加入其它元素可以起到改变纯铝的抗蠕变性能、弯曲性能以及机械强度，但由于加入其它元素会导致导体电阻率增大，导电性大大降低，因而会造成线路损耗太大。至今还未有关于在合金中加入铁且能获得高的导电率的报道。
发明内容
本发明的目的提供一种弯曲性能和抗蠕变性能好、机械强度高、具有较高的导电率的电缆用高导电率铝合金材料及其制备方法。
本发明采取如下技术方案：
一种电缆用高导电率铝合金材料，其特征在于该合金成分配比为，铁所占的重量百分比为：0.25～0.80％，还含有硼和稀土中的至少一种，所述硼占合金重量百分比范围为：0.02～0.15％，所述稀土所占合金重量百分比范围为：0.1～1.5％，其余为铝以及不可避免的杂质。
上述技术方案中，稀土元素富铈和镧，其中单个元素的最低重量百分含量不低于0.05％。稀土元素的重量百分含量优选0.30～1.0％。按重量百分比，所述的合金中的杂质硅的含量＜0.03％，所述的其他单种杂质元素的含量＜0.01％，其他杂质总含量＜0.1％。
一种上述电缆用高导电率铝合金材料的制备方法，制备方法为：
1)加热熔化铝锭，并使温度保持在730～780℃，加入合金元素熔炼，并调节合金成分至设定范围，再浇铸成铝合金铸件，
2)将铝合金铸件导入轧机，导入轧机的温度为450～500℃，导出轧机成铝合金杆的终轧温度为330～350℃，
3)将轧制后的铝合金杆成圈后迅速放入保温窖中进行自退火处理，时间为5-10h。
4)将铝合金杆进行冷拉制加工成铝合金线，
5)将拉制成的铝合金线进行多股绞合。
6)将所述的铝合金导体进行退火处理，退火温度为360～380℃，时间为20～30h。
上述技术方案中，所述铝锭采用纯度大于99.80wt％的高纯度铝锭。所述铝合金导体材料用作实心导体或多股绞合导体。稀土元素，其中单个元素的最低重量百分含量不低于0.05％。稀土元素的重量百分含量优选0.30～1.0％。按重量百分比，所述的合金中的杂质硅的含量＜0.03％，所述的其他单种杂质元素的含量＜0.01％，其他杂质总含量＜0.1％。
本发明获得如下技术效果：
1)本发明中的铁的百分含量控制在0.25～0.80wt％之间，因为铁相对其它金属元素在铝中固溶较小的一种元素，对铝的电性能影响很小，加入至少0.25wt％的铁后可以提高铝的拉伸性能、柔韧性、抗蠕变性能和热稳定性，大于0.8wt％以后，导电率会大大下降，易导致导电率达不到62.5％IACS，不符合标准。
2)本发明稀土元素以铈和镧为主，加入稀土后，经过本发明所述的熔炼和退火热处理方法，适量的稀土元素与铝中的铁和杂质硅等形成较强的化合物，并析出到晶界上，降低电解质的初晶温度，使离子在电场的作用下运动速度加快，减少了浓差过电位，从而使稀土铝合金的电阻率降低、强度提高，并改善了铝合金的物理化学性能。这种使铝中固熔态的硅变成析出态，也就是改变了铝的组织型态，这就是稀土铝合金能够降低电阻率提高强度的机理。
在本发明中，稀土元素与氢、氧、氮、硅、锰、钒、铬等元素的亲和力比铝更大，形成多种化合物。因而稀土是铝合金中一种十分理想的除气、脱氮、造渣、中和微量低熔点杂质、改变杂质状态的净化剂。可以起到很好的精炼作用、使得铝合金变得更加纯净，因而能使导电率得到很大的提高。
试验证明当稀土元素的含量低于0.1wt％，对电性能的改善效果不是很明显，当稀土元素含量大于1.5wt％时，会产生负面作用，反而使电阻率会有所增加。
3)硼元素加入可起到除去杂质元素的作用，减小重金属杂质元素对电导率的危害，同时硼化处理还可以细化晶粒，改善机械性能。适量的硼还可以起到提高合金的拉伸性能的效果。
稀土元素和硼元素的一起加入在冶炼过程中能够有效降低杂质含量，提高铝合金的电阻率；形成的部分高熔点质点能够更加弥散的分布在熔体中，因此在凝固时能够起到凝固核心的作用，进而细化晶粒，使得铝合金具有较好的形变性能和蠕变性能；此外适量的硼和稀土的加入能够使得铝合金在后续的退火过程中能够更多的消耗铁，使得铁元素更多的向硼和稀土核心聚集，从而降低铁在铝中的固溶含量，避免了铁在铝中固溶引起整个导体的电阻率的下降，从而提高电阻率，形成的弥散的铁、硼、稀土的高熔点化合物硬质点能够弥散在晶界，提高其铝合金强度；此外，硼和稀土本身也能够有效地细化铝合金导体的晶粒，使其具有更好的形变性能。总之，稀土和硼的加入能够有效降低铁的含量，其细晶强化机理和弥散强化机理能够弥补由于铁元素固溶度降低而造成力学性能下降。因此，相对于现有技术，采用本发明的工艺及热处理条件能够有效弥补铁元素降低所带来的力学性能和电性能方面的缺陷，从而具有更优异的性能。
4)为了保证铝合金材料的导电性能能实现本专利的技术指标，采用纯度大于99.80wt％或更高的铝锭做为原材料，使制成的铝合金材料具有较高的电导率。采用高纯度的原材料，使得冶炼过程更加简单，具有更低的成本，而且不容易在铝合金导体中过多的形成不需要的杂质，进而降低铝合金导体的材料。
5)经熔炼、铸条、轧制成铝合金杆后，铝合金杆成圈后迅速放入放入保温窖中利用铝合金杆制造过程中的余热进行自退火处理，自退火处理是为了使铝合金发生恢复、再结晶过程。这不仅可以消除合金在铸造过程中产生的残余应力，改善铝杆随后的机械加工性能，而且可以消除铸造、轧制过程中造成的晶格畸变、位错等晶体缺陷，析出铁元素，减小铁在铝中的固熔，减小铁对导电率的影响。同时铁与硼、稀土在热处理过程中形成的弥散化合物能够提高合金的综合力学性能，还能够提高它的蠕变性能。进而提高合金导体的导电性能和力学性能。另外，自退火处理可以使得铝合金在冷却过程中收缩均匀，综合性能较好，从而在后面的冷加工拉丝过程中不容易断裂。
6)铝合金导体线芯经退火处理，其中的铁起到提高强度和抗蠕变作用，使铝合金具有较好的拉伸性能、柔韧性和抗蠕变性能，同时退火再结晶消除了冷拉和绞制过程中产生的内应力和改善了合金的组织结构，使合金具有较高的导电率，导电率能达到或超过62.5％IACS。
采用本发明的铝合金材料制造成的电缆，特别是用作挤包绝缘电缆，电气性能、拉伸性能、柔韧性和抗蠕变性能大大优于普通的电工铝电缆，且弯曲性能大大优于铜缆，具有较好的经济和社会效益。
具体实施方式
实施例1
一种电缆用高导电率铝合金材料，该合金成分配比为，铁所占的重量百分比为：0.25～0.80％，譬如可以为0.3％，0.4％，0.5％，0.6％，0.7％，还含有硼，所述硼占合金重量百分比范围为：0.02～0.15％，例如可以选取为：0.03％，0.04％，0.06％，0.08％，0.09％，0.11％，0.13％，0.14％，其余为铝以及不可避免的杂质。
上述技术方案中按重量百分比，所述的合金中的杂质硅的含量＜0.03％，所述的其他单种杂质元素的含量＜0.01％，其他杂质总含量＜0.1％。
实施例2
一种电缆用高导电率铝合金材料，该合金成分配比为，铁所占的重量百分比为：0.25～0.80％，譬如可以为0.3％，0.4％，0.5％，0.6％，0.7％，还含有稀土，所述所述稀土所占合金重量百分比范围为：0.1～1.5％，譬如可以为0.2％，0.4％，0.6％，0.9％，1.1％，1.3％，其余为铝以及不可避免的杂质。
上述技术方案中，稀土元素富铈和镧，其中单个元素的最低重量百分含量不低于0.05％。稀土元素的重量百分含量优选为0.30～1.0％。按重量百分比，所述的合金中的杂质硅的含量＜0.03％，所述的其他单种杂质元素的含量＜0.01％，其他杂质总含量＜0.1％。
实施例3
一种电缆用高导电率铝合金材料，该合金成分配比为，铁所占的重量百分比为：0.25～0.80％，譬如可以为0.3％，0.4％，0.5％，0.6％，0.7％，还含有硼和稀土，所述硼占合金重量百分比范围为：0.02～0.15％，例如可以选取为：0.03％，0.04％，0.06％，0.08％，0.09％，0.11％，0.13％，0.14％，所述稀土所占合金重量百分比范围为：0.1～1.5％，譬如可以为0.2％，0.4％，0.6％，0.9％，1.1％，1.3％，其余为铝以及不可避免的杂质。
上述技术方案中，稀土元素富铈和镧，其中单个元素的最低重量百分含量不低于0.05％。稀土元素的重量百分含量在0.30～1.0％。按重量百分比，所述的合金中的杂质硅的含量＜0.03％，所述的其他单种杂质元素的含量＜0.01％，其他杂质总含量＜0.1％。
实施例4
一种上述电缆用高导电率铝合金材料的制备方法，制备方法为：
1)加热熔化铝锭，并使温度保持在730～780℃，加入合金元素熔炼，并调节合金成分至实施例1或2或3设定范围，再浇铸成铝合金铸件，
2)将铝合金铸件导入轧机，导入轧机的温度为450～500℃，导出轧机成铝合金杆的终轧温度为330～350℃，
3)将轧制后的铝合金杆成圈后迅速放入保温窖或保温罩中进行自退火处理，所谓自退火是指利用轧制的余热进行退火，利用保温罩或者保温窖使得铝合金杆的温度降低非常缓慢，保温窖可以不加热，但是需密封，从而使得自退火过程中温度降低很小，保持时间为5-10h，然后取出缓慢冷却(可自然冷却)至常温，
4)将铝合金杆进行冷拉制加工成铝合金线，
5)将拉制成的铝合金线进行多股绞合。
6)将所述的铝合金导体进行退火处理，退火温度为360～380℃，时间为20～30h。
上述技术方案中，所述铝锭采用纯度大于99.80wt％的高纯度铝锭。所述铝合金导体材料用作实心导体或多股绞合导体。稀土元素富铈和镧，其中单个元素的最低重量百分含量不低于0.05％。稀土元素的重量百分含量在0.30～1.0％。按重量百分比，所述的合金中的杂质硅的含量＜0.03％，所述的其他单种杂质元素的含量＜0.01％，其他杂质总含量＜0.1％。
实施例5
一种上述电缆用高导电率铝合金材料的制备方法，制备方法为：
1)在竖炉中加入铝锭加入纯度为99.80％的铝锭，使温度保持在730～780℃，例如可以选取为750℃，770℃，在熔铝中加入铝铁中间合金、铝稀土中间合金和铝硼中间合金，经搅拌、精炼、除渣，40分钟后进行进行炉前取样分析，使熔体中各合金元素的百分含量达到实施例1或2或3所述的成分范围，在轧机中铸成铝合金铸条。
2)将铝合金铸条导入轧机，导入轧机的温度为450～500℃，例如可以选取为460℃，480℃，导出轧机成铝合金杆的终轧温度为330～350℃，例如可以选取为：340℃，345℃。
3)铝合金成圈后直接放入保温窖中进行自退火处理，时间为5-10h，时间可以选取为6h，8h。自退火处理：将轧制后的铝合金杆成圈后迅速放入保温窖或保温罩中进行自退火处理，所谓自退火是指利用轧制的余热进行退火，利用保温罩或者保温窖使得铝合金杆的温度降低非常缓慢，保温窖可以不加热，但是需密封，从而使得自退火过程中温度降低很小，保持时间为5-10h，然后取出缓慢冷却(可自然冷却)至常温。
4)铝合金杆进行冷拉制加工成铝合金线。
5)将拉制成的铝合金线进行多股绞合，形成压缩、紧压或异型铝合金导体。
6)铝合金导体进行退火处理，退火温度为360～380℃，例如可以选取为370℃，375℃，时间为20～30h，例如可以为22h、25h、28h。
本实施例制得的铝合金导体性能检测如下：
导电率为≥62.5％IACS，抗拉强度为90-150Mpa，伸长率为15-35％。
弯曲性能测试。取长度等于100倍半径的该铝合金导体，以1R为半径，反复弯曲180度(以此计为1次)，经25次反复弯曲未发现有裂纹或损坏迹象。
蠕变性能测试。取直径为2mm的本导体，施加5.0kg/mm2的恒定应力，经测试，本导体在90℃下150小时后的蠕变伸长率为≤1％(电工铝导体的测试数据为3.5％)，显著优于普通电工铝导体。
由此制备的铝合金材料，用作电缆导体，具有较为优越的电性能和机械，且相比于电工铝导体，更加安全和可靠。
实施例6
一种上述电缆用高导电率铝合金材料的制备方法，制备方法为：
在740℃的铝液中加入纯度为99.80wt％的铝锭、铝铁中间合金、铝稀土中间合金和铝硼中间合金，使熔体中各合金元素的百分含量为：铁0.28％，硼0.14％，富铈和镧稀土1.3％，其余为铝以及不可避免的杂质。
制作该铝合金时在竖炉中加入铝锭，温度升至760℃，在竖炉中加入上述合金元素，其中铁、稀土、硼以铝铁中间合金、铝稀土中间合金和铝硼中间合金的形式加入。经搅拌、精炼、除渣，40分钟后进行进行炉前取样分析，在轧机中铸成铝合金铸条。
将铝合金铸条导入轧机，导入轧机的温度为480℃，导出轧机成铝合金杆的终轧温度为340℃。
热轧后成的铝合金杆进行冷拔拉制加工成铝合金线。铝合金成圈后直接放入保温窖中进行自退火处理，时间为5h。
将拉制成的铝合金线进行多股绞合，形成压缩、紧压或异型铝合金导体。
铝合金导体进行退火处理，退火温度为360～380℃，时间为20h。
本实施例制得的铝合金导体性能检测如下：
导电率为63％IACS，抗拉强度为100Mpa，伸长率为28％。
弯曲性能测试。取长度等于100倍半径的该铝合金导体，以1R为半径，反复弯曲180度(以此计为1次)，经25次反复弯曲未发现有裂纹或损坏迹象。
蠕变性能测试。取直径为2mm的本导体，施加5.0kg/mm2的恒定应力，经测试，本导体在90℃下150小时后的蠕变伸长率为0.15％(电工铝导体的测试数据为3.5％)，显著优于普通电工铝导体。
实施例7
一种上述电缆用高导电率铝合金材料的制备方法，制备方法为：
在730℃的铝液中加入99.85wt％的铝锭、铝铁中间合金、铝稀土中间合金和铝硼中间合金，使熔体中各合金元素的百分含量为：铁0.40％，硼0.02％，富铈和镧稀土0.08％，其余为铝以及不可避免的杂质。
制作该铝合金时在竖炉中加入铝锭，温度升至770℃，在竖炉中加入上述合金元素，其中铁、稀土、硼以铝铁中间合金、铝稀土中间合金和铝硼中间合金的形式加入。经搅拌、精炼、除渣，40分钟后进行进行炉前取样分析，在轧机中铸成铝合金铸条。
将铝合金铸条导入轧机，导入轧机的温度为450℃，导出轧机成铝合金杆的终轧温度为340℃。
热轧后成的铝合金杆进行冷拔拉制加工成铝合金线。铝合金成圈后直接放入保温窖中进行自退火处理，时间为8h。
将拉制成的铝合金线进行多股绞合，形成压缩、紧压或异型铝合金导体。
铝合金导体进行退火处理，退火温度为360～380℃，时间为25h。
本实施例制得的铝合金导体性能检测如下：
导电率为62.8％IACS，抗拉强度为99Mpa，伸长率为30％。
弯曲性能测试。取长度等于100倍半径的该铝合金导体，以1R为半径，反复弯曲180度(以此计为1次)，经25次反复弯曲未发现有裂纹或损坏迹象。
蠕变性能测试。取直径为2mm的本导体，施加5.0kg/mm2的恒定应力，经测试，本导体在90℃下150小时后的蠕变伸长率为0.01％(电工铝导体的测试数据为3.5％)，显著优于普通电工铝导体。
实施例8
一种上述电缆用高导电率铝合金材料的制备方法，制备方法为：
在740℃的铝液中加入99.85wt％的铝锭、铝铁中间合金、铝稀土中间合金和铝硼中间合金，使熔体中各合金元素的百分含量为：铁0.65％，硼0.08％，富铈和镧稀土0.40％，其余为铝以及不可避免的杂质。
制作该铝合金时在竖炉中加入铝锭，温度升至750℃，在竖炉中加入上述合金元素，其中铁、稀土、硼以铝铁中间合金、铝稀土中间合金和铝硼中间合金的形式加入。经搅拌、精炼、除渣，40分钟后进行进行炉前取样分析，在轧机中铸成铝合金铸条。
将铝合金铸条导入轧机，导入轧机的温度为470℃，导出轧机成铝合金杆的终轧温度为350℃。
热轧后成的铝合金杆进行冷拔拉制加工成铝合金线。铝合金成圈后直接放入保温窖中进行自退火处理，时间为10h。
将拉制成的铝合金线进行多股绞合，形成压缩、紧压或异型铝合金导体。
铝合金导体进行退火处理，退火温度为360～380℃，时间为28h。
本实施例制得的铝合金导体性能检测如下：
导电率为62.6％IACS，抗拉强度为94Mpa，伸长率为33％。
弯曲性能测试。取长度等于100倍半径的该铝合金导体，以1R为半径，反复弯曲180度(以此计为1次)，经25次反复弯曲未发现有裂纹或损坏迹象。
蠕变性能测试。取直径为2mm的本导体，施加5.0kg/mm2的恒定应力，经测试，本导体在90℃下150小时后的蠕变伸长率为0.01％(电工铝导体的测试数据为3.5％)，显著优于普通电工铝导体。
实施例9
一种上述电缆用高导电率铝合金材料的制备方法，制备方法为：
在740℃的铝液中加入99.80wt％的铝锭、铝铁中间合金、铝稀土中间合金和铝硼中间合金，使熔体中各合金元素的百分含量为：铁0.77％，硼0.13％，富铈和镧稀土0.95％，其余为铝以及不可避免的杂质。
制作该铝合金时在竖炉中加入铝锭，温度升至760℃，在竖炉中加入上述合金元素，其中铁、稀土、硼以铝铁中间合金、铝稀土中间合金和铝硼中间合金的形式加入。经搅拌、精炼、除渣，40分钟后进行进行炉前取样分析，在轧机中铸成铝合金铸条。
将铝合金铸条导入轧机，导入轧机的温度为490℃，导出轧机成铝合金杆的终轧温度为350℃。
热轧后成的铝合金杆进行冷拔拉制加工成铝合金线。铝合金成圈后直接放入保温窖中进行自退火处理，时间为5h。自退火处理：将轧制后的铝合金杆成圈后迅速放入保温窖或保温罩中进行自退火处理，所谓自退火是指利用轧制的余热进行退火，利用保温罩或者保温窖使得铝合金杆的温度降低非常缓慢，保温窖可以不加热，但是需密封，从而使得自退火过程中温度降低很小，保持时间为5-10h，然后取出缓慢冷却(可自然冷却)至常温。
将拉制成的铝合金线进行多股绞合，形成压缩、紧压或异型铝合金导体。
铝合金导体进行退火处理，退火温度为360～380℃，时间为30h。
本实施例制得的铝合金导体性能检测如下：
导电率为62.5％IACS，抗拉强度为92Mpa，伸长率为35％。
弯曲性能测试。取长度等于100倍半径的该铝合金导体，以1R为半径，反复弯曲180度(以此计为1次)，经25次反复弯曲未发现有裂纹或损坏迹象。
蠕变性能测试。取直径为2mm的本导体，施加5.0kg/mm2的恒定应力，经测试，本导体在90℃下150小时后的蠕变伸长率为0.008％(电工铝导体的测试数据为3.5％)，显著优于普通电工铝导体。
为了体现本发明的技术效果，结合实施例与电工用铝导体及未经硼化处理或稀土处理的铝铁合金作比较，如表1所示。
对于本领域技术人员来说，在本发明构思启示下，能够从本专利内容直接导出或联想到的一些变形，或现有技术中常用公知技术的替代。例如加入微量的铜、锌、镁元素等等，都能实现与上述实施例基本相同的功能和效果，均属于本专利保护范围。
表1
Claims (10)
1.一种电缆用高导电率铝合金材料，其特征在于该合金成分配比为，铁所占的重量百分比为：0.25～0.80％，还含有硼和稀土中的至少一种，所述硼占合金质量百分比范围为：0.02～0.15％，所述稀土所占合金重量百分比范围为：0.1～1.5％，其余为铝以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的电缆用高导电率铝合金材料，其特征在于稀土元素，其中单个元素的最低重量百分含量不低于0.05％。
3.根据权利要求1所述的电缆用高导电率铝合金材料，其特征在于稀土元素的重量百分含量在0.30～1.0％。
4.根据权利要求1所述的电缆用高导电率铝合金材料，其特征在于：按重量百分比，所述的合金中的杂质硅的含量＜0.03％，所述的其他单种杂质元素的含量＜0.01％，其他杂质总含量＜0.1％。
5.根据权利要求1所述的电缆用高导电率铝合金材料的制备方法，其特征在于制备方法为：
1)加热熔化铝锭，并使温度保持在730～780℃，加入合金元素熔炼，并调节合金成分至设定范围，再浇铸成铝合金铸件，
2)将铝合金铸件导入轧机，导入轧机的温度为450～500℃，导出轧机成铝合金杆的终轧温度为330～350℃，
3)将轧制后的铝合金杆进行自退火处理，时间为5-10h，
4)将铝合金杆进行冷拉制加工成铝合金线，
5)将拉制成的铝合金线进行多股绞合。
6)将所述的铝合金导体进行退火处理，退火温度为360～380℃，时间为20～30h。
6.根根据权利要求5所述的电缆用高导电率铝合金材料的制备方法，所述铝锭采用纯度大于99.80wt％的高纯度铝锭。
7.根据权利要求5所述的电缆用高导电率铝合金材料的制备方法，其特征在于铝合金可以用作实心导体或多股绞合导体。
8.根据权利要求5所述的电缆用高导电率铝合金材料的制备方法，其特征在于稀土元素富铈和镧，其中单个元素的最低重量百分含量不低于0.05％。
9.根根据权利要求5所述的电缆用高导电率铝合金材料的制备方法，其特征在于稀土元素的重量百分含量在0.30～1.0％。
10.根根据权利要求5所述的电缆用高导电率铝合金材料的制备方法，其特征在于按重量百分比，所述的合金中的杂质硅的含量＜0.03％，所述的其他单种杂质元素的含量＜0.01％，其他杂质总含量＜0.1％。
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