專利名稱：一種高導電耐熱鋁合金導線及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁合金導線，尤其是涉及一種具有較高導電性能和耐熱性能的 鋁合金導線及其制備方法。
背景技術：
耐熱鋁合金導線按導電率不同分為二種，即58% IACS和60% IACS，其中58% IACS導電率的耐熱鋁合金在鋁中添加Zr，60% IACS導電率的耐熱鋁合金還在鋁中添加 釔(Y)，二種合金都能在150°C下長期使用，其強度殘存率290%。目前廣泛使用的耐熱鋁合金線的導電率為60% IACS,比起現在常用的鋼芯鋁絞 線中電工鋁線61% IACS的導電率來說，則線路線損約增加1.5%，這種能源損失是無法 彌補的，是與我國目前的能源政策相違背的，這是一個嚴重的缺點。如果耐熱鋁合金導 線的導電率能從60% IACS升高至61% IACS及以上時，則線路的損耗可以減少1.5%以 上，這對我國這樣一個能耗大國來說，對能源的節約則是相當客觀的，因此，開發研制 新型超高導電的耐熱導線并加以推廣應用將具有很大的社會和經濟意義。由于鋁合金中所含的各種元素均降低鋁合金的導電性能，要提高鋁合金的導電 能力，就要減少鋁合金中所含元素的含量(包括合金化元素和雜質元素)，合金化元素& 等含量的降低將導致鋁合金耐熱性能的降低，從而影響耐熱鋁合金的輸電效能。為此， 必須在鋁合金中添加其它合金化元素，既保證對鋁合金導電能力沒有明顯的影響，又能 促進在鋁合金中形成更加細小彌散的顆粒，以保證鋁合金必要的耐熱性能。
發明內容
基于上述技術背景的回顧，本發明的目的在于提供一種具有高導電性能的耐熱 Al-Zr系鋁合金導線及其制備方法。一種高導電耐熱鋁合金導線及其制備方法包括為達到高的導電性能，本發明提供的高導電耐熱Al-Zr系鋁合金導線的化學成分 (質量百分比)為Zr 0.1 0.3%, Y 0.02 0.2%，Sc 0.01 0.15%，其余是 Al 和不可避免的其它雜質元素，所含“不可避免的其它雜質元素”中每種元素的含量均不 超過0.05%，“不可避免的其它雜質元素”的總量不超過0.15%。依據本發明，優選的 合金成分范圍為Zr: 0.15 ~ 0.20%, Y 0.05 ~ 0.15%, Sc: 0.05 ~ 0.12%,其余是 Al和不可避免的其它雜質元素，所含“不可避免的其它雜質元素”中每種元素的含量均 不超過0.03%，“不可避免的其它雜質元素”的總量不超過0.10%。所述，制備高導電耐熱鋁合金的原料為純度不低于99.7%國標重熔用鋁錠， 純度不低于99%的Zr、Y、Sc金屬單質和硼(B)，純度不低于99.99%的國標重熔用精鋁錠。所述的制備方法包括純鋁錠高溫熔化、鋁溶液的“硼化”處理及精煉、鋁 溶液的合金化及二次精煉、耐熱鋁合金圓桿的連鑄、鋁合金圓桿的退火、拉制鋁合金單線、鋁合金單線的穩定化處理。根據需要將合金化元素單質金屬Zr、Y、Sc及B與重熔用精鋁錠配置成Al-Zr·、 Al-Y、Al-Sc和Al-B中間合金。以配制Al-Zr中間合金為例，說明中間合金的配制。 為降低熔煉過程中的燒損，首先將稱量好的金屬Zr密封在部分塊狀的精鋁錠中(類似于 夾心面包)，并置入真空爐加料倉中，隨后將剩余精鋁錠放入真空爐熔煉坩堝中。抽真 空至10-3Pa后回充高純氬氣至真空爐內微正壓，開始熔化所用精鋁，待精鋁化清后，通 過加料機構將封有金屬Zr的精鋁塊加入到鋁熔體中，等精鋁塊和金屬Zr熔清并混合均勻 后，將Al-Zr中間合金液澆注入高純模具，制備成所需Al-Zr中間合金，所制備Al-Zr中 間合金中A1+ZG 99.9%。 同樣方法可以配置Al-Y、Al-Sc和A1-B中間合金。將按一定比例稱量好的重熔用鋁錠放入熔煉爐進行高溫熔化，待出現鋁液后， 加入表面覆蓋劑，防止鋁液氧化和吸氣。等全部鋁錠化清后，升高鋁熔體溫度至875 920°C,在此溫度下保溫5 50分鐘，然后將鋁熔體降溫至660 750°C。除去鋁液表面 的覆蓋劑及產生的爐渣，對鋁液進行“硼化”處理，脫除鋁液中的Cr、Ti、V等有害雜 質元素。將計算好的高純Al-B中間合金用鐘罩加入鋁熔體中并使之充分溶解，等Al-B 中間合金化清后所述純鋁液需要“硼化”處理，所述硼化處理是將經高溫熔煉的鋁液降 溫至660 750°C并均溫后，加Al-B中間合金至鋁熔體中并使之化清，隨之升高鋁熔體 溫度至780 900°C，保溫5 50分鐘，然后將鋁熔體重新降溫至690 750°C。所述經過“硼化”處理、精煉并合金化處理的鋁液，需要進行二次精煉，進一 步降低鋁熔體中的含氣量和夾雜物，改善隨后所制備鋁合金圓桿的導電性能。所述經過二次精煉的鋁熔體通過直接水冷連鑄的方式制備直徑8 20mm的耐熱 鋁合金圓桿，在潤滑的條件下對經過退火處理的連鑄鋁合金圓桿進行多道次單模或多模 拉制并拉至要求尺寸的鋁合金單線，拉伸模延伸率為5 20%。所述制備的耐熱鋁合金圓桿需要退火處理，所述鋁合金圓桿的退火溫度以 250 500°C保溫5 72小時為宜。所述經過退火處理并拉制成的耐熱鋁合金單線需要進行穩定化處理，進一步改 善耐熱鋁合金單線的導電性能和調至單線的強韌性以及耐熱鋁合金單線的絞合性能，所 述鋁合金單線的穩定化處理以150 350°C，時間為1 20小時為宜，以降低鋁合金圓桿 拉拔對鋁合金導電性能的不利影響，同時適當降低鋁合金導電的強度，提高導線的塑韌 性，以降低生產同軸絞合線過程中鋁合金導線斷裂的幾率。鋁合金熔煉過程中的“硼化”處理，可以使鋁液中的雜質元素Ti、Cr、V和Fe 等的原子與B原子形成高熔點大比重的硼化物，該類硼化物較易于在鋁液靜置過程中沉 降在坩堝底部，從而達到去除有害雜質的目的。&是高導電耐熱鋁合金導線的主要添加元素。由于在鋁合金的添加量較低，所 以鋁合金可以具有較高的導電性能；而固溶在Al基體中的Zr在后續熱加工過程中，形成 的細小的Al3&顆粒，自Al基體中沉淀析出，從而產生對鋁合金的強化作用，同時細小的 Al3Zr顆粒對基體晶界的遷移具有顯著的釘扎作用，強烈阻止變形基體的再結晶和阻礙晶 粒的長大，有利于維持變形基體的強度和鋁合金的耐熱性能，提高鋁合金導線的蠕變強 度和持久性。少量的釔(Y)，對鋁的導電性能沒有明顯的影響，但Y屬于稀土元素，具有很高的活性，與鋁中的雜質元素如Fe、Si等具有強烈的親和力，能形成復雜的稀土化合 物，從鋁基體中析出，從而降低Fe、Si等對鋁導電性能的不利影響。現在大量的研究證明Sc是鋁合金非常有效的微合金化元素，形成Ll型的與基體 共格的Al3Sc顆粒，能明顯地細化鋁合金組織。Sc和&同時添加于鋁合金中，組織細化 效果更加顯著，同時還能降低Zr和Sc的添加量。Al3Zr和Al3Sc中的Zr和Sc能互換， 即Al3&中部分&能被固溶態的Sc原子置換，同時Al3Sc中的Sc也能被鋁合金中固溶態 的Zr原子所置換，經過Zr和Sc的相互置換后，在鋁合金中形成更加細小的Al3 (ZrvxScx) 相顆粒，可以降低&和Sc的添加量，再者，該相點陣參數與鋁基體的點陣參數更加接 近，更易于維持與基體的共格關系。研究還證實，Al3(ZrvxScx)相呈核殼結構，顆粒的外 層富含Zr，而顆粒的核心富含Sc，這種核殼結構的相顆粒不容易粗化長大，有利于組織 的穩定性。另外，Sc在鋁基體中的擴散系數大于Zr在鋁中的擴散系數，Sc的加入，有 利于加速Zr的沉淀析出，促使更多的&原子自基體中析出，從而進一步提高鋁合金的導 電性能，同時降低為析出Zr原子而進行的熱處理時間，節約能源。本發明與現有耐熱鋁合金導線相比，同時具有高導電性和較高強度。室溫情 況下，導電率可達到61% IACS以上，鋁合金單線(直徑2 5mm)抗拉強度不低于 160MPa，延伸率不低于1.8%，耐熱性能長期運行達到150°C以上，150°CX10小時的強 度殘存率不低于98.5%。
圖1是高導電耐熱鋁合金導線的制備流程圖。
具體實施例方式高導電耐熱鋁合金導線的具體實施例成分見表1，制備直徑為2.5mm鋁合金單 線。表1鋁合金導線合金成分單位wt%
ZrYSc雜質總量Al實例10.160.110.11<0.08余量實例20.180.100.08<0.06余量實例30.20.080.06<0.08余量實施例1圖1是高導電耐熱鋁合金導線的制備流程圖，如圖所示，按照以下步驟制備1.制備中間合金以配制A1-&合金為例，說明中間合金的配制。按Zr質量百 分比含量為-3%的比例關系，稱量好金屬Zr和4N純Al。將稱量好的金屬Zr置入 真空爐加料倉中，隨后將4N純鋁放入真空爐熔煉坩堝中。抽真空至10-3Pa后回充高純 氬氣至真空爐內微正壓，開始熔化4N純鋁，待純鋁化清后，通過加料機構將金屬Zr加入到鋁熔體中，等金屬&熔清并與鋁熔體混合均勻后，將鋁液澆注入高純模具，制備成所 需Al-Zr中間合金。同樣方法可制備Al-Zr、Al_Sc、A1_Y和AHB等中間合金。2.制備純鋁熔煉及“硼化”處理將所需99.7%的純鋁放入熔煉爐熔煉，熔煉 爐里一旦出現鋁液，就加入常規的覆蓋劑，防止鋁液氧化和吸氣。待鋁錠全部熔清后， 升溫至880 900°C并在此溫度下保溫30分鐘，然后將鋁液降溫至690°C，并將覆蓋劑除 去。隨后將稱量好的Al-B中間合金加入鋁液，對鋁液進行“硼化”處理。Al-B中間 化清后，重新加入覆蓋劑并升高鋁液溫度至800°C，保溫40分鐘。隨后降低鋁液溫度至 690°C并均溫5分鐘。3.鋁液精煉將覆蓋在690°C鋁液的覆蓋劑扒去，加入適量精煉劑，并通入干燥 的氬氣(Ar)對鋁液進行精煉。精煉結束后，鋁液靜置30分鐘，然后將鋁液表面的精煉 劑和產生的浮渣。4.鋁液合金化及精煉將稱量好的Al-Zr、Al-Y和Al_Sc中間合金依此加入精 煉后的鋁液中。待所添加中間合金化清后，升高鋁液溫度至800°C，保溫50分鐘，然后 降低鋁液溫度至690°C，再次進行鋁合金熔體精煉除雜脫氣。5.鋁合金圓桿的連鑄對完成合金化、精煉并獲得達到成分要求的鋁合金熔體 進行直接水冷連鑄，制備直徑為IOmm的耐熱鋁合金圓桿；6.鋁圓桿的退火將連鑄得到的直徑為IOmm的耐熱鋁合金圓桿進行退火處 理，退火溫度為350°C，退火時間一般為36小時。7.鋁圓桿的拉拔在潤滑的條件下對經過退火處理的連鑄鋁合金圓桿進行多道 次單模或多模拉制并拉至要求尺寸的鋁合金單線，拉伸模延伸率為5 20%。8.鋁圓桿的拉拔在潤滑的條件下對經過退火處理的連鑄鋁合金圓桿進行連續 多模拉制，拉制成直徑2.5mm的耐熱鋁合金單線，拉伸模延伸率為5 20%。9.耐熱鋁合金單線的穩定化處理將拉至要求尺寸的耐熱鋁合金單線進行穩定 化退火處理，使耐熱鋁合金單線發生適當的回復，提高鋁合金導線的導電性能，同時調 至耐熱鋁合金單線的強韌性能，改善耐熱鋁合金單線的絞合性能。穩定化處理溫度為 150 250°C，穩定化處理時間為5 15小時。實施例2弓丨用表1中實施例2的合金成分，按照以下步驟制備1.制備中間合金以實施例1的方法制備中間合金。2.制備純鋁熔煉及“硼化”處理將所需99.7%的純鋁放入熔煉爐熔煉，熔煉 爐里一旦出現鋁液，就加入常規的覆蓋劑，防止鋁液氧化和吸氣。待鋁錠全部熔清后， 升溫至880 900°C并在此溫度下保溫30分鐘，然后將鋁液降溫至720°C，并將覆蓋劑除 去。隨后將稱量好的Al-B中間合金加入鋁液，對鋁液進行“硼化”處理。Al-B中間 化清后，重新加入覆蓋劑并升高鋁液溫度至850°C，保溫40分鐘。隨后降低鋁液溫度至 720°C并均溫5分鐘。3.鋁液精煉將覆蓋在720°C鋁液的覆蓋劑扒去，加入適量精煉劑，并通入干燥 的氬氣(Ar)對鋁液進行精煉。精煉結束后，鋁液靜置30分鐘，然后將鋁液表面的精煉 劑和產生的浮渣。 4.鋁液合金化及精煉將稱量好的Al-Zr、Al-Y和Al_Sc中間合金依此加入精煉后的鋁液中。待所添加中間合金化清后，升高鋁液溫度至850°C，保溫30分鐘，然后 降低鋁液溫度至710V，再次進行鋁合金熔體精煉除雜脫氣。5.鋁合金圓桿的連鑄對完成合金化、精煉并獲得達到成分要求的鋁合金熔體 進行直接水冷連鑄，制備直徑為IOmm的耐熱鋁合金圓桿；6.鋁圓桿的退火將連鑄得到的直徑為IOmm的耐熱鋁合金圓桿進行退火處 理，退火溫度為400°C，退火時間一般為28小時。7.鋁圓桿的拉拔在潤滑的條件下對經過退火處理的連鑄鋁合金圓桿進行多道 次單模或多模拉制并拉至要求尺寸的鋁合金單線，拉伸模延伸率為5 20%。8.鋁圓桿的拉拔在潤滑的條件下對經過退火處理的連鑄鋁合金圓桿進行連續 多模拉制，拉制成直徑2.5mm的耐熱鋁合金單線，拉伸模延伸率為5 20%。9.耐熱鋁 合金單線的穩定化處理將拉至要求尺寸的耐熱鋁合金單線進行穩定化退火處理，使耐 熱鋁合金單線發生適當的回復，提高鋁合金導線的導電性能，同時調至耐熱鋁合金單線 的強韌性能，改善耐熱鋁合金單線的絞合性能。穩定化處理溫度為150 250°C，穩定化 處理時間為5 15小時。實施例1按照以下步驟制備1.制備中間合金以實施例1的方法制備中間合金。2.制備純鋁熔煉及“硼化”處理將所需99.7%的純鋁放入熔煉爐熔煉，熔煉 爐里一旦出現鋁液，就加入常規的覆蓋劑，防止鋁液氧化和吸氣。待鋁錠全部熔清后， 升溫至880 900°C并在此溫度下保溫30分鐘，然后將鋁液降溫至740°C，并將覆蓋劑除 去。隨后將稱量好的Al-B中間合金加入鋁液，對鋁液進行“硼化”處理。Al-B中間 化清后，重新加入覆蓋劑并升高鋁液溫度至860°C，保溫40分鐘。隨后降低鋁液溫度至 740°C并均溫5分鐘。3.鋁液精煉將覆蓋在740°C鋁液的覆蓋劑扒去，加入適量精煉劑，并通入干燥 的氬氣(Ar)對鋁液進行精煉。精煉結束后，鋁液靜置30分鐘，然后將鋁液表面的精煉 劑和產生的浮渣。 4.鋁液合金化及精煉將稱量好的Al-Zr、Al-Y和Al-Sc中間合金依此加入精 煉后的鋁液中。待所添加中間合金化清后，升高鋁液溫度至900°C，保溫15分鐘，然后 降低鋁液溫度至740V，再次進行鋁合金熔體精煉除雜脫氣。5.鋁合金圓桿的連鑄對完成合金化、精煉并獲得達到成分要求的鋁合金熔體 進行直接水冷連鑄，制備直徑為IOmm的耐熱鋁合金圓桿；6.鋁圓桿的退火將連鑄得到的直徑為IOmm的耐熱鋁合金圓桿進行退火處 理，退火溫度為450°C，退火時間一般為18小時。7.鋁圓桿的拉拔在潤滑的條件下對經過退火處理的連鑄鋁合金圓桿進行多道 次單模或多模拉制并拉至要求尺寸的鋁合金單線，拉伸模延伸率為5 20%。8.鋁圓桿的拉拔在潤滑的條件下對經過退火處理的連鑄鋁合金圓桿進行連續 多模拉制，拉制成直徑2.5mm的耐熱鋁合金單線，拉伸模延伸率為5 20%。9.耐熱鋁合金單線的穩定化處理將拉至要求尺寸的耐熱鋁合金單線進行穩定 化退火處理，使耐熱鋁合金單線發生適當的回復，提高鋁合金導線的導電性能，同時調至耐熱鋁合金單線的強韌性能，改善耐熱鋁合金單線的絞合性能。穩定化處理溫度為 150 250°C，穩定化處理時間為5 15小時。表2為實施例1 3制成的成品的性能測試結果。表2直徑2.5mm鋁合金單線性能
權利要求
1.一種高導電耐熱鋁合金導線及其制備方法，其特征在于所述高導電耐熱鋁合 金導線的化學成分及其質量百分比Zr: 0.1 0.3%，Y 0.02-0.2%, Sc: 0.01 0.15%,其余是Al和不可避免的其它雜質元素，所述不可避免的其它雜質元素中每種元 素的含量均不超過0.05%，不可避免的其它雜質元素的總量不超過0.15%。
2.根據權利要求1所述的高導電耐熱鋁合金導線及其制備方法，其特征在于所述 高導電耐熱鋁合金導線的化學成分和質量百分比為Zr: 0.15 0.20%，Y 0.05 0.15%, Sc 0.05 0.12%，其余是Al和不可避免的其它雜質元素，所述不可避免的其 它雜質元素中每種元素的含量均不超過0.03%，不可避免的其它雜質元素的總量不超過 0.10%。
3.根據權利要求1或2所述的高導電耐熱鋁合金導線及其制備方法，其特征在于， 所述的制備方法包括純鋁錠高溫熔化、鋁溶液的“硼化”處理及精煉、鋁溶液的合金 化及二次精煉、耐熱鋁合金圓桿的連鑄、鋁合金圓桿的退火、拉制鋁合金單線、鋁合金 單線的穩定化處理。
4.根據權利要求3所述的高導電耐熱鋁合金導線及其制備方法，其特征在于所述 純鋁液需要“硼化”處理，所述硼化處理是將經高溫熔煉的鋁液降溫至660 750°C并均 溫后，加Al-B中間合金至鋁熔體中并使之化清，隨之升高鋁熔體溫度至780 900°C， 保溫5 50分鐘，然后將鋁熔體重新降溫至690 750°C。
5.根據權利要求4所述的高導電耐熱鋁合金導線及其制備方法，其特征在于所述 經過“硼化”處理、精煉并合金化處理的鋁液，需要進行二次精煉，進一步降低鋁熔體 中的含氣量和夾雜物，改善隨后所制備鋁合金圓桿的導電性能。
6.根據權利要求5所述的高導電耐熱鋁合金導線及其制備方法，其特征在于所述 經過二次精煉的鋁熔體通過直接水冷連鑄的方式制備直徑8 20mm的耐熱鋁合金圓桿。
7.根據權利要求6所述的高導電耐熱鋁合金導線及其制備方法，其特征在于所述 制備的耐熱鋁合金圓桿需要退火處理，所述鋁合金圓桿的退火溫度以250 500°C保溫 5 72小時為宜。
8.根據權利要求7所述的高導電耐熱鋁合金導線及其制備方法，其特征在于所述 經過退火處理并拉制成的耐熱鋁合金單線需要進行穩定化處理，進一步改善耐熱鋁合金 單線的導電性能和調至單線的強韌性以及耐熱鋁合金單線的絞合性能，所述鋁合金單線 的穩定化處理以150 350°C，時間為1 20小時為宜。
全文摘要
本發明提供了一種高導電耐熱鋁合金導線及其制備方法，鋁合金導線的化學成分及質量百分比為Zr0.1～0.3％，Y0.02～0.2％，Sc0.01～0.15％，其余是Al和不可避免的其它雜質元素，所含“不可避免的其它雜質元素”的總量不超過0.15％。該鋁合金導線由鋁錠熔化、“硼化”處理、精煉、合金化、二次精煉、直接水冷連鑄、退火、拉拔和穩定化處理等工序制造而成。本發明通過“硼化”處理和二次精煉嚴格控制鋁錠的雜質含量，保證鋁合金圓桿的導電性能，通過鋁合金單線的穩定化處理，進一步改善耐熱鋁合金導線的導電性能、調整其強韌性和絞合性能，使得制造出來的鋁合金導線具有高導電性和耐熱性，滿足了行業對鋁合金導線的性能要求，尤其適于制作成高導電性耐熱電纜。
文檔編號H01B1/02GK102021444SQ20101059350
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月9日 優先權日2010年12月9日
發明者何健平, 張濟山, 蔡元華 申請人:北京科技大學