一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線及其制備工藝制造技術

本發明專利技術公開了一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線及其制備工藝，屬于電工材料技術領域。該鋁導線主要由鋁、硼、鋯、鐵、鑭和不可避免的雜質元素組成，其制備流程是：將工業純鋁熔化，然后向熔體中加入硼、鋯、鐵、鑭的中間合金，經攪拌、精煉、爐前成分快速分析、成分調整、靜置、扒渣、快速冷卻鑄造獲得鋁合金坯料，再進行鑄坯退火、擠壓、拉拔獲得鋁合金單絲。所獲導線密度小于等于2.714g/cm3，電導率大于等于62％IACS，短時耐熱溫度高達230℃，長期耐熱溫度高達210℃，抗拉強度大于等于170MPa。具有顯著的經濟效益和節能環保意義。

【技術實現步驟摘要】
一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線及其制備工藝
本專利技術涉及一種電線電纜用鋁導線，具體是指一種架空供電輸變線路所使用的加鐵的輕質高導耐熱鋁導線及其制備工藝，屬于電工材料

技術介紹
目前，我國城鄉供電輸變線路所使用的耐熱導線，長期運行溫度一般不超過180℃，電導率在61％IACS及以下，線損較大。根據我國國民經濟發展及能源互聯的要求，高壓化、大容量化、遠距離化成為輸電線路的發展方向。為了節約緊張的走廊資源、減少線路建設成本、降低輸送線損，對輸電導線提出了很高的要求，既要有高電導率，又要有良好的耐熱性能和抗弧垂特性。通常，電導率與耐熱性及強度存在此消彼長的關系，微合金化是提高鋁導體耐熱性和強度的有效途徑，但是，會對導電性能產生不利的影響。純度為99.99％的高純鋁在20℃的電導率為64.94％IACS，密度為2.7g/cm3，強度僅為80～100MPa，再結晶溫度為150℃左右。6021合金添加了0.6～0.9wt.％Mg、0.5～0.9wt.％Si、0.5wt.％Fe、0.1wt.％Cu、0.1wt.％Zn等合金元素，是常用的高強度電工鋁，抗拉強度可達到295～325MPa，但是，其20℃時的導電率僅為52.5～55％IACS。因此，開發具有高導電率、良好耐熱性能、比強度高的低成本導線，成為業內亟需解決的技術難題。中國專利CN102230113A公開了一種耐熱鋁合金導體材料及其制備工藝，采用鋯、餌復合微合金化，獲得的鋁導體材料，其電導率介于59.5～60.5％IACS之間，長期耐熱溫度為180℃，抗拉強度低于160MPa。中國專利CN102965550A公開了一種高強高導耐熱鋁導體材料及其制備工藝，采用鋯、銩、鐵復合微合金化，運用等溫析出退火工藝，得到了細小顆粒狀的Al(Tm,Fe)相和彌散分布的Al3(Tm,Zr)殼核結構相，大幅提高了鋁導體材料的耐熱性和強度，制備的鋁導體材料的長期耐熱溫度達到了210℃，抗拉強度在185MPa以上，但是，導電率最大值只有60.8％IACS。中國專利CN102758107A公開了一種高強高導耐熱鋁合金導線及其制備工藝，加入了6種合金元素，其中稀土元素有3種之多，加入了較高含量的鋯元素，為0.15％～0.60％，其退火時間長達30～50小時，制備的鋁導體材料經得起280℃加熱1小時考核運行，但是，其抗拉強度低于等于160MPa，電導率低于等于61.8％IACS，長時耐熱溫度只有180℃。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術之不足而提供一種組分配比合理、生產流程短、工藝簡單、生產成本低的輕質高導耐熱鋁導線及制備工藝。本專利技術通過微量添加對導電率損害較小的合金元素及合理的工藝，產生凈化、變質、細化和彌散強化作用，相對于99.99％的高純鋁，在電導率下降很少的前提下，大幅提高了導線的耐熱性和比強度。此外，本專利技術利用硼對含鐵相的變質作用和擠壓對粗大含鐵相的破碎作用，在降低控鐵成本的同時發揮了鐵對鋁合金綜合性能的有益作用。本專利技術一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線，包括下述組分，按質量百分比組成：B0.04～0.10wt.％，Zr0.10～0.15wt.％，Fe0.10～0.20wt.％，La0.05～0.30wt.％，不可避免鈦、釩、鉻、錳的含量總和小于0.01wt.％，鋁為余量；優選合金組分中B含量為0.045～0.095wt.％，更優選的B含量為0.055～0.08wt.％。本專利技術一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線的制備工藝，是按設計的合金組分配比分別選取工業純鋁及鋁硼、鋁鋯、鋁鐵、鋁鑭中間合金，在740～780℃熔化工業純鋁后，加入中間合金，待中間合金完全熔化后，讓熔體在720℃～740℃保溫，經攪拌、精煉、爐前成分快速分析、成分調整、靜置、扒渣后，在700～720℃進行快速冷卻鑄造，然后對坯料進行退火、擠壓、拉拔，獲得鋁合金單絲。本專利技術一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線的制備工藝，所述鑄造可通過普通鑄造或半連續鑄造獲得錠坯；或通過連續鑄造獲得桿坯。本專利技術一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線的制備工藝，鑄造時，鑄錠以20-300℃/s的速度冷卻至室溫。本專利技術一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線的制備工藝，鑄造時采用水冷鑄造。本專利技術一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線的制備工藝，所述坯料的退火工藝為：退火溫度為480℃～500℃，保溫2-10h后隨爐冷卻。本專利技術一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線的制備工藝，所述擠壓方式可根據生產線設備配置進行變換，既可采用加熱的錠坯進行常規熱擠壓，也可采用室溫桿坯進行連續擠壓，所述擠壓溫度為300～450℃。本專利技術一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線的制備工藝，熱擠壓或室溫連續擠壓的擠壓比大于等于80，擠壓總變形量大于等于80％。本專利技術一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線的制備工藝，所述拉拔采用擠壓桿料進行多道次冷拉拔，可根據實際需要確定拉拔坯料直徑，特別是可根據服役強度要求確定所用坯料直徑，并通過不同的拉撥變形量來調控單絲的強度。本專利技術一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線的制備工藝，擠壓后進行多道次拉撥，道次延伸系數為1.2～1.5，累計總延伸系數為5.5～10.5，可采用普通潤滑油或乳濁液進行潤滑，乳濁液還可起冷卻作用，以使鋁絲的溫度不超過180℃。本專利技術一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線的制備工藝，所制備的導線，密度小于等于2.714g/cm3，在20℃的電導率大于62％IACS，長期耐熱溫度高達210℃，230℃退火1小時后的強度殘存率大于91％，抗拉強度大于等于170MPa。綜上所述，本專利技術加入的合金化元素數目少、含量低，通過鋁、硼、鋯、鑭、鐵元素的合理配比，以及利用快速冷卻鑄造、鑄坯的高溫短時退火、大變形程度的擠壓，協同產生凈化、變質、細化及強化作用，特別是鑄坯退火析出的彌散強化相對提高導線的耐熱性具有很好的效果。本專利技術制備出的導線密度與純鋁的密度比較接近(<2.715g/cm3)，電導率保持在62％IACS以上，抗拉強度在170MPa以上，長期耐熱溫度高達210℃，短時耐熱溫度高達230℃。本專利技術還具有生產流程短、工藝簡單且要求較低、生產成本較低的優勢，制備出的鋁合金導線能夠滿足遠距離、大容量輸電線路的高導、高耐熱、高比強度的要求。本專利技術的原理和優勢金屬中的自由電子在外加電場作用下發生定向運動形成電流，而晶格場周期性的異常點(或不規則點)會阻礙電子的定向運動并對電子波產生散射作用。金屬材料的導電性跟自由電子的平均自由程(相鄰異常點間距的平均值)緊密相關，自由電子的平均自由程越小，材料電導率越低。金屬中的雜質元素、固溶原子以及晶體缺陷都會導致晶格場局部偏離其周期性位置，縮短自由電子的平均自由程，從而導致金屬電導率的降低。工業純鋁中不可避免的雜質元素鈦、釩、鉻、錳、硅、鐵等對導電性影響較大，特別是較高含量的雜質元素固溶于鋁基體時，會大幅降低鋁導體的電導率。固溶原子導致晶格畸變而破壞純金屬庫侖勢場的周期性，并成為對導電電子的散射中心，少量固溶于鋁基體中的鋯元素便會顯著降低合金的導電性能，固溶原子摩爾濃度越大，相鄰散射中心間的距離越小，電子的平均自由程越小，電導率越低。因此，旨在提高鋁導體耐熱性和強度的微合金化，特別是當合金組分及配比設計不當時，會對導電性能產生非常不利的影響。通常把鐵元素本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線，包括下述組分，按質量百分比組成：B?0.04～0.10wt.％，Zr?0.10～0.15wt.％，Fe?0.10～0.20wt.％，La?0.05～0.30wt.％，不可避免鈦、釩、鉻、錳的含量總和小于0.01wt.％，鋁為余量。

【技術特征摘要】
1.一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線，包括下述組分，按質量百分比組成：B0.04～0.10wt.％，Zr0.10～0.15wt.％，Fe0.10～0.20wt.％，La0.05～0.30wt.％，不可避免鈦、釩、鉻、錳的含量總和小于0.01wt.％，鋁為余量；所述的輕質高導耐熱鋁導線采用以下制備工藝，按設計的材料組分配比分別選取工業純鋁及鋁硼、鋁鋯、鋁鐵、鋁鑭中間合金，在740～780℃熔化工業純鋁，然后加入中間合金，經精煉和快速冷卻鑄造得到鑄坯，再對坯料進行退火、擠壓、拉拔，獲得鋁合金單絲；所述坯料的退火工藝為：退火溫度為480℃～500℃，保溫2-10h后隨爐冷卻；鑄造時，鑄錠以20-300℃/s的速度冷卻至室溫。2.根據權利要求1所述的一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線，包括下述組分，按質量百分比組成：B0.045～0.095wt.％，Zr0.10～0.15wt.％，Fe0.10～0.20wt.％，La0.05～0.30wt.％，不可避免鈦、釩、鉻、錳的含量總和小于0.01wt.％，鋁為余量。3.根據權利要求1或2所述輕質高導耐熱鋁導線，其特征還在于，導線密度小于等于2.714g/cm3，在20℃的電導率大于62％IACS，短時耐熱溫度高達230℃，長期耐熱溫度高達210℃，抗拉強度大于等于170MPa。4.一種加鐵的輕質高導耐熱鋁導線的制備工藝，其特征在于：所述加鐵的輕質高導耐熱鋁導線，包括下述組分，按質量百分比組成：B0.04～0.10wt.％，Zr0.10～0.15wt.％，Fe0.10～0.20wt.％，La0.05～0.30wt.％，不可避免鈦、釩、鉻、錳的含量總和小于0.01wt...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李紅英，賓杰，高兆和，
申請(專利權)人：中南大學，
類型：發明
國別省市：湖南;43