一種非熱處理中強度鋁合金導線及其生產工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種非熱處理中強度鋁合金導線及其生產工藝，鋁合金的化學成分組成按重量百分比計為：0.5-1.1％Fe，0.1-0.35％Cu，0.01-0.15％Mg，小于0.06％Si和Cr+V+Ti+Mn總含量小于0.01％，更優可加入0.005-0.06％B，0.05-0.2％RE。采用但并不局限于水平連鑄－連續擠壓成直徑為D的盤圓桿，然后在300－360℃保溫10－20小時退火后，再拉伸成直徑為d的線材產品，且應滿足D＝(4.75-4.85)d(mm)。導線產品性能指標為：抗拉強度245-265MPa，延伸率不小于2.5％，導電率不小于59.5％IACS。本發明具有生產工藝簡單，產品力學性能和導電性能優良、穩定、均勻的特點。
【專利說明】一種非熱處理中強度鋁合金導線及其生產工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋁合金【技術領域】，更具體涉及一種非熱處理中強度鋁合金導線及其生產工藝
【背景技術】
[0002]中強度鋁合金單絲有半熱處理半加工硬化型和非熱處理型兩種。半熱處理半加工硬化型單絲的生產工藝和高強度鋁合金導線的基本相同，生產成本和高強度鋁合金單絲相當。非熱處理型單絲的生產工藝和硬鋁線的基本相同，生產成本和硬鋁線相當。由中強度鋁合金單絲絞制的全鋁合金導線(AAAC)因其弧垂小，線路損耗低，發明后很快投入應用。
[0003]發展最早的鋁一鎂系“5005”非熱處理型中強度鋁合金線是美國在1956年研制成功的，并很快實用化。上世紀60年代，美國弗吉尼亞電力公司在500kV輸電線路上采用了由AA5005中強度鋁合金單絲制作的全鋁合金導線(AAAC)。但5005鋁合金單絲因存在鑄造和加工比較困難以及導電率比較低(最低電導率為53.5% IACS)的缺點，使用受到限制。對這種鋁合金進行改進后，出現了像“MS - AL”、“KAL”和“CK76”等新牌號的中強度鋁合金導線。這些鋁合金導線，從成分入手來改善其力學性能和電學性能，同時也考慮改善其耐蝕性能和加工性能。
[0004]非熱處理型的“MS - AL”中強度鋁合金導線由日本古河電氣公司在1965年研究成功，并于1969年開始生產。這種合金導電率高，蠕變性能好，價格也較低。它是在鋁-鎂系和招一鎂一稀土系合金基礎上發展而來的招一鎂一銅一鐵一鋪一銀多兀合金，其中銅、鎂、鐵各加0.1%~0.2%，以提高合金的強度。此外，再加人鈮，這不僅改善了合金的耐蝕性，更促使鎂銻析出物的彌散強化，有利于改善合金的蠕變性能。MS - AL中強度鋁合金單絲的最低抗拉強度為240MPa，最低電導率為58.5% IACS。
[0005]1970年前后開發的鋁一鎂一鐵系非熱處理型中強度鋁合金導線有日本電線株式會社開發的KAL招合金導線、美國Alcan和Western Electric公司的“CK76”招合金導線。KAL鋁合金中的Mg、Fe含量分別不大于0.3%和0.7%，典型的含量為0.17%和0.5%，抗拉強度為225 - 245MPa,電導率≥58.0% IACS。CK76鋁合金中的Mg、Fe含量分別0.15%和 0.75%，電導率為 59.1% IACS0
[0006]1973年瑞典Eleetrokoppar工廠研制出了導電率>58.84 % IACS,抗拉強度≥230MPa的Al — Fe — Cu — Mg — Be中強度鋁合金導線，并命名為Ductalex，其化學成分為 Fe ≤ 0.40%, Cu:0.05%~0.35%, Mg:0.01%~0.20%, Be:0.001%~0.10%。后對該合金成分進行微調后，納入美國鋁業協會標準，牌號為AA1120。
[0007]瑞典1975年架設了第一條米用Ductalex合金制造的AAAC試驗線路，1977年正式用于400kV超高壓架空輸電線路，到1995年80%的架空輸電線路采用Ductalex全鋁合金絞線。澳大利亞從1984年開始在275kV的輸電線路上應用61/3.75mm，用AA1120中強度全鋁合金絞線替代54/3.75mm+19/2.25mm鋼芯鋁絞線。自此以后用中強度鋁合金制作的全鋁合金絞線和中強度鋁合金制作的鋼芯鋁合金絞線逐漸推廣開來。[0008]非熱處理加工硬化型KAL、CK76、MS — AL和Ductalex中強度鋁合金的制造工藝與硬鋁線相同，采用連鑄連軋制桿，成本較低，但在制造過程中，需嚴控連鑄連軋工藝和拔線參數。材料工作者一直以來為了提高中強度鋁合金導線的性能而進行深入研究。荒木功敬等人發明了 Al — Mg — In和Al — Fe — Si — Mg — RE系非熱處理型中強度鋁合金，進一步提高非熱處理型中強度鋁合金性能，尤其是塑性。近年來，波蘭AGH科技大學展開了非沉淀析出型合金元素Fe、S1、Cu、Mg、T1、B和稀土元素在中強度鋁合金導體材料中合金化機理的研究，以期進一步提高中強度鋁合金導線的性能。
[0009]為了提高中強度鋁合金導線的塑性，日本住友電氣株式會社開發的S1-26鋁一鎂一硅系中強度鋁合金導線。該鋁合金導線屬于半熱處理半加工硬化型。這種鋁合金和同樣是鋁一鎂一硅系的熱處理型高強度鋁合金相比，在熱處理和冷加工等方面存在不同特點。S1-26鋁合金是具有Mg2Si時效析出強化相的鋁合金。研究表明，材料的時效強化性能與冷加工有關。當含鎂量不同時，自然時效和冷加工對鋁一鎂一硅系合金時效后性能具有不同的影響。鎂含量為0.32%時，鋁一鎂一硅系合金自然時效后進行冷加工，再進行人工時效時，可顯著提高時效強化效果，同時導電性能也隨之獲得改善。S1-26中強度鋁合金絲的抗拉強度≥245MPa，伸長率為5.5%，電導率>58.5% IACS，疲勞極限為88.2MPa。
[0010]2011年I月22日，中國電力企業聯合會在北京組織召開了上海中天鋁線有限公司研制的中強度鋁合金絞線產品技術鑒定會。自此中強度鋁合金導線在我國有了長足的發展。在Al — Mg — Si系半熱處理半加工硬化型中強度鋁合金導線方面，上海中天鋁線有限公司開發了 JLH59-425-37中強度鋁合金絞線，遠東電纜有限公司開發了 “JLHA3-675-61中強度鋁合金絞線”其電導率超過58.5% IACS，抗拉強度達到240MPa。該類鋁合金導線在制造過程中需對鑄錠進行固溶處理，對鋁桿進行熱均化處理，對鋁線進行特殊時效處理，由于有熱處理工序使導線的成本增高。非熱處理型中強度鋁合金導線，杭州電纜股份有限公司研制了 JLH58.5-660-61/3.73中強度鋁合金絞線，該導線的電導率超過58.5% IACS,抗拉強度超過240MPa ;青島漢纜股份有限公司研制了 JLHA3-675-61中強度鋁合金絞線，該導線的電導率超過59% IACS，抗拉強度達到240MPa;武漢航天電工技術有限公司研制了JLHA3-675-61中強度鋁合金絞線，其電導率超過59% IACS，抗拉強度達到240MPa。
[0011]瑞典的經驗表明，如果想要避免出現振動損傷的危險，在0°C時ACSR的允許額定張應力不應超過60MPa，AAAC的不超過50MPa，即使采取了有效的機械減振措施也不應超過上述值。因此，在滿足一定導線抗拉強度的前提下，提高導線的電導率成為降低線路損耗的關鍵因素。我國中強度鋁合金導線標準較國際電工委員會標準對電導率的要求較高，對伸長率要求較低。我國正在發展堅強的智能電網，該電網不但要求耐受風電和太陽能發電的潮流沖擊，而且要求輸電過程中線路損耗低。因此，提高導線強度、延伸率和電導率是建設穩固節能電網的關鍵，也是中強度全鋁合金絞線的發展方向。
【發明內容】
[0012](一)要解決的技術問題
[0013]本發明要解決的技術問題就是滿足鋁合金導線對提高強度、延伸率和電導率的需求，提供一種非熱處理中強度鋁合金導線。
[0014](二)技術方案[0015]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種非熱處理中強度鋁合金導線，該鋁合金的化學成分按重量百分比計為=Fe0.5-1.1 %, Cu0.1-0.35%, Mg0.01-0.15%,Si〈0.06%, Cr+V+Ti+Mn<0.01%, Al 余量。
[0016]優選地，還加入B0.005-0.06 %，RE0.05-0.2 %。
[0017]優選地，Fe0.55-0.9%。
[0018]優選地，Fe0.65-0.75%。
[0019]優選地，Cu0.15-0.3%。
[0020]優選地，Cu0.2-0.25%。
[0021]優選地，Mg0.015-0.1%。
[0022]優選地，Mg0.02-0.08 %。
[0023]本發明還提供了上述非熱處理中強度鋁合金導線的生產工藝，包括下述步驟:
[0024]第一步:鋁合金導線桿坯的水平連鑄一連續擠壓或連鑄連軋:
[0025]鋁合金導線桿坯的水平連鑄一連續擠壓工藝流程為合金配料一熔煉、精煉一多個結晶器并聯的水平連鑄一連續擠壓直徑為D的桿坯一水冷一收卷；
[0026]鋁合金導線桿坯的連鑄連軋工藝流程為合金配料一熔煉、精煉一連續鑄造成邊長為40?50mm菱形截面的還料一多道次熱連軋成直徑為D的桿還一收卷一空冷；
[0027]第二步:鋁合金導線桿坯的退火處理:
[0028]將直徑為D的鋁合金導線桿坯進行300 - 360°C保溫10 — 20小時退火；
[0029]第三步:鋁合金導線的拉伸:
[0030]根據不同規格直徑d導線產品，確定其應滿足D = (4.75-4.85)d(mm)的定量變形關系。
[0031]優選地，在上述第二步的退火處理中將直徑為D的鋁合金導線桿坯進行320 -340°C保溫12—16小時退火。
[0032](三)有益效果
[0033]本發明的導線產品性能指標為:抗拉強度245_265MPa,延伸率不小于2.5%,導電率不小于59.5% IACS。因此本發明具有生產工藝簡單，產品力學性能和導電性能優良、穩定、均勻的效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0035]圖1是合金元素含量對鋁導電性能影響的曲線圖；
[0036]圖2是合金元素鐵與硅含量對鋁強度影響的曲線圖。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖和實施例對本發明的實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不能用來限制本發明的范圍。[0038]研究表明:在電工用工業純鋁(99.7% Al)中，通常總是含有少量的Fe、Si以及微量的Cr、V、T1、Ga等元素。這些元素(尤其是以固溶態存在的微量元素)都會降低鋁的導電率即增大其電阻率。成分優化目的在于從眾多的元素中篩選出對導電率有益的元素作為添加元素，盡可能地除掉有害元素或將鋁中固溶的有害元素轉化為析出物存在于晶界處。
[0039]圖1所示為合金元素對鋁導電性能的影響，可以發現:在鋁中添加少量的N1、Zn、Fe、Ag、Cu、S1、Mg、Zr等對鋁合金的電導率影響不大，可以獲得電導率高于60% IACS的鋁合金導線；但同時考慮到以上元素對合金高溫蠕變性能和使用性能的影響。因此，本發明重點關注Fe、Cu、Mg、B等合金元素和S1、Mn、T1、Cr、V等雜質微量元素對鋁合金導電性能和力學性能的影響，優化合金化學成分設計。
[0040]Fe是鋁中常見的雜質，它在鋁液中的溶解度高，因此在所有的熔融生產中鐵易溶解于鋁中。但鐵在固態下溶解度很低(約0.004%)，存在于鋁中的鐵超過0.04%的大部分呈金屬第二相而與鋁及其它元素相結合，由于鐵在鋁中溶解度是有限的而被應用于鋁電導體中。由于鐵的存在，導體的強度有所提高(見圖2)，又在中等高溫下，其蠕變性能也有改
盡
口 ο
[0041]Cu和Mg可以提高鋁合金強度，但也會增加電阻。通常利于提高強度依次排列為Fe-Mg- Cu，降低材料電導率水平依次排列為Mg — Cu — Fe。
[0042]在純鋁中隨Fe添加量的增加，強度明顯提高，而電導率變化不大；Cu對合金強度的提高比Fe的作用大，降低電導率水平比Mg小。Mg原子半徑與鋁相差較大，Mg在鋁固溶體中含量越多，引起晶格畸變越嚴重，Mg含量增加到0.30%后，強度提高而電導率明顯下降。
[0043]B改善鋁導電性的作用在于B可以與鋁中的有害雜質元素T1、V、Cr、Mn等發生反應，生成硼化物或者它們的復雜化合物，使它們由固溶態轉變為析出態并沉積于熔體底部，減少鋁導體內部晶格的畸變。此外，加入B還能增加鋁液中的結晶核心數量，細化晶粒。因此，B的加入對圓鋁桿的強度與導電率都有益處。硼作為固化的晶粒細化劑，添加量為
0.005-0.1%。
[0044]混合稀土 RE與鋁液中的氫等氣體和一些雜質元素有較強的親和力，能生成熔點高的化合物，故它有一定的除氫、精煉、凈化和變質的作用。添加一定量的RE使其與固溶在鋁基體中的Fe、Si等雜質結合，生成穩定的金屬間化合物，降低基體中雜質元素的固溶量，能夠有效地抑制工業純鋁中Fe、Si元素對導電性的有害作用。同時，稀土元素增大合金結晶過程中的成分過冷和提供大量異質形核核心，大量新晶核限制柱狀晶的成長，因而獲得發達的等軸晶，起到晶粒細化的作用，顯著改善鋁合金的金相組織，減少鋁合金的裂紋源，并使合金斷裂過程中裂紋萌生位置與擴展途徑發生改變，有利于合金的韌化，使電工圓鋁桿強度和塑性均有所提高。
[0045]此外，雖然可以通過在工業純鋁錠(A199.7% )中添加其它合金元素以大幅度提高鋁合金強度，但另一方面又會嚴重影響合金的導電性能。為了解決這一技術難題，本發明在優化添加微量合金元素的同時，充分利用退火對提高導電性能的作用，以及冷加工硬化和細晶強化對強度的作用，提出了對鋁合金導線桿坯進行退火處理，并確保拉伸過程的總變形加工量達到一定程度的特定的工藝。
[0046]本發明通過提供一種鋁合金化學成分設計以滿足提高導線強度、延伸率和電導率需求。基于已有研究結果，本發明重點關注Fe、Cu、Mg、B等合金元素和S1、Mn、T1、Cr、V等雜質微量元素對鋁合金導電性能和力學性能的影響，優化合金化學成分設計。
[0047]本發明合金的化學組成(重量％ )如下:0.5-1.1 % Fe, 0.1-0.35 %Cu, 0.01-0.15% Mg,小于0.06% Si和Cr+V+Ti+Mn總含量小于0.01%，更優的則是可加入
0.005-0.06% B,0.05-0.2% RE。
[0048]在本發明的實施方案中，本發明合金中的Fe含量優選為0.55-0.9 %，且更優選為
0.65-0.75%。
[0049]在本發明的實施方案中，本發明合金中的Cu含量優選為0.15-0.3%，且更優選為
0.2-0.25%。
[0050]在本發明的實施方案中，本發明合金中的Mg含量優選為0.015-0.1 %，且更優選為 0.02-0.08%。
[0051]另一方面，本發明還提供了一種適合該鋁合金導線的生產工藝方法，包括下述步驟:
[0052]第一步:鋁合金導線桿坯的水平連鑄一連續擠壓或連鑄連軋。
[0053]鋁合金導線桿坯的水平連鑄一連續擠壓工藝流程為合金配料一熔煉、精煉一水平連鑄(多個結晶器并聯)一連續擠壓直徑為D的桿坯一水冷一收卷。
[0054]鋁合金導線桿坯的連鑄連軋工藝流程為合金配料一熔煉、精煉一連續鑄造(邊長為40?50mm菱形截面的坯料)一熱連軋(多道次)直徑為D的桿坯一收卷一空冷。
[0055]第二步:鋁合金導線桿坯的退火處理。
[0056]將直徑為D的鋁合金導線桿坯進行300 - 360°C保溫10 — 20小時退火，在本發明的實施方案中，更優的退火處理工藝制度則是320 - 340°C保溫12 — 16小時。
[0057]第三步:鋁合金導線的拉伸。
[0058]根據不同規格直徑d導線產品，確定其應滿足D = (4.75-4.85)d(mm)的定量變形關系。
[0059]實施例:
[0060]下面通過實施例進一步說明本發明。
[0061]采用99.7%鋁錠、鎂錠以及Al-Fe、Al-Cu中間合金，根據電工用中強鋁合金的化學成分范圍計算各合金加入的重量比例，按此比例配料，在雙500Kg容量燃氣熔煉爐內經熔化、精煉、保溫和在線過濾后，采用光譜直讀方法對溶體取樣進行化學成分分析，實測成分見表I。采用帶10頭結晶器的水平連鑄機鑄造成直徑為Φ16_的圓桿坯，鑄造溫度控制為680?700°C，水平連鑄牽引速度1000mm/min，得到每盤重約IOOKg水平連鑄小盤圓桿坯。將該桿坯經清洗、漂洗、干燥后，在LJ300鋁材連續擠壓機上擠壓成直徑為Φ15_的圓桿產品，連續擠壓溫度控制為350 - 450°C，擠壓輪轉速為22rpm ;將此出模口產品冷卻至40?60°C的溫度后利用恒張力收繞裝置對其進行收卷。對擠壓桿進行350°C /10小時退火處理后拉伸成Φ3.15mm線材，對產品力學性能和電性能進行測試，見表2。
[0062]表I本發明中強度鋁合金實測化學成分Wt %
[0063]
【權利要求】
1.一種非熱處理中強度鋁合金導線，其特征在于，該鋁合金的化學成分按重量百分比計為:Fe0.5-1.1 %, Cu0.1-0.35%, Mg0.01-0.15%, Si<0.06%, Cr+V+Ti+Mn<0.01%，Al 余量。
2.根據權利要求1的非熱處理中強度鋁合金導線，其特征在于，還加入B0.005-0.06 %，RE0.05-0.2 %。
3.根據權利要求1的非熱處理中強度鋁合金導線，其特征在于，Fe0.55-0.9%。
4.根據權利要求3的非熱處理中強度鋁合金導線，其特征在于，Fe0.65-0.75%。
5.根據權利要求1的非熱處理中強度鋁合金導線，其特征在于，Cu0.15-0.3%。
6.根據權利要求5的非熱處理中強度鋁合金導線，其特征在于，Cu0.2-0.25%。
7.根據權利要求1的非熱處理中強度鋁合金導線，其特征在于，Mg0.015-0.1 %。
8.根據權利要求7的非熱處理中強度鋁合金導線，其特征在于，Mg0.02-0.08%。
9.根據權利要求1-8的非熱處理中強度鋁合金導線的生產工藝，其特征在于，包括下述步驟: 第一步:鋁合金導線桿坯的水平連鑄一連續擠壓或連鑄連軋: 鋁合金導線桿坯的水平連鑄一連續擠壓工藝流程為合金配料一熔煉、精煉一多個結晶器并聯的水平連鑄一連續擠壓直徑為D的桿坯一水冷一收卷； 鋁合金導線桿坯的連鑄連軋工藝流程為合金配料一熔煉、精煉一連續鑄造成邊長為40?50mm菱形截面的還料一多道次熱連軋成直徑為D的桿還一收卷一空冷； 第二步:鋁合金導線桿坯的退火處理: 將直徑為D的鋁合金導線桿坯進行300 - 360°C保溫10 — 20小時退火； 第三步:鋁合金導線的拉伸: 根據不同規格直徑d導線產品，確定其應滿足D= (4.75-4.85) d(mm)的定量變形關系O
10.根據權利要求9的非熱處理中強度鋁合金導線的生產工藝，其特征在于，在上述第二步的退火處理中將直徑為D的鋁合金導線桿坯進行320 - 340°C保溫12 — 16小時退火。
【文檔編號】H01B13/00GK103996427SQ201410238950
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】蘇華光, 毛鐵 申請人:湖南金龍國際銅業有限公司