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高强高导耐热铝合金导线及其制备方法.pdf

摘要
申请专利号:

CN201210189763.6

申请日:

2012.06.11

公开号:

CN102758107B

公开日:

2015.01.21

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):C22C 21/00申请日:20120611|||公开
IPC分类号: C22C21/00; H01B13/00 主分类号: C22C21/00
申请人: 上海交通大学; 上海中天铝线有限公司
发明人: 高海燕; 张永志; 尤伟任; 缪小林; 顾孙望; 王俊; 孙宝德; 蒯渊
地址: 200240 上海市闵行区东川路800号
优先权:
专利代理机构: 上海汉声知识产权代理有限公司 31236 代理人: 郭国中
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法律状态
申请(专利)号:

CN201210189763.6

授权太阳城集团号:

102758107B||||||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2015.01.21|||2012.12.26|||2012.10.31

法律状态类型:

太阳城集团授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开一种高强高导耐热铝合金导线及其制备方法,该导线由下列重量百分比的元素组成:锆Zr为0.15~0.60%,镧La为0.03~0.30%,铈Ce为0.03~0.30%,钇Y为0.01~0.30%,铁Fe为0.05~0.20%,硅Si为0.01~0.10%,其他杂质元素含量≤0.10%,其余为铝。方法为:配制原材料放入熔炼炉中、升温除气熔炼、造渣、除渣、连铸连轧成耐热铝合金杆材、热处理、拉丝机拉制成耐热铝合金单线。本发明耐热铝合金导线的抗拉强度达到160MPa,导电率可达到61%IACS以上,长期运行温度可达到180℃,且经得起280℃下加热1小时考核运行,强度残存率大于90%。

权利要求书

1.一种高强高导耐热铝合金导线,其特征在于该导线由下列重量百分比的
元素组成:锆Zr为0.15~0.60%,镧La为0.03~0.30%,铈Ce为0.03~0.30%,钇
Y为0.01~0.30%,铁Fe为0.05~0.20%,硅Si为0.01~0.10%,其他杂质元素含
量≤0.10%,其余为铝。
2.根据权利要求1所述的高强高导耐热铝合金导线,其特征在于:该导线
由下列重量百分比的元素组成:锆Zr为0.15~0.60%,镧La为0.03~0.20%,铈Ce
为0.03~0.20%,钇Y为0.01~0.25%,铁Fe为0.05~0.20%,硅Si为0.01~0.10%,
其他杂质元素含量≤0.10%,其余为铝。
3.一种权利要求1-2所述的高强高导耐热铝合金导线的制备方法,其特征
在于:所述制备方法由以下步骤构成:
第一,将纯度大于或者等于99.7%的铝锭放在熔炉中熔化,铝液温度为
720~750℃;
第二,在铝熔体中加入铝锆、铝稀土和铝钇中间合金,铝锆中间合金中锆的
成分为5%,铝稀土中间合金中稀土成分为10%,铝钇中间合金中钇成分为11%,
使合金成分达到预设成分;
第三,充分搅拌、精炼除气、除渣静置,在750℃~800℃进入连铸连轧生产
线,铸成铝合金铸条;
第四,将铝合金铸条在轧机上热轧,进轧温度为500~530℃,通过铝连铸连
轧生产线生产成耐热铝合金杆材;
第五,对铝合金杆材进行热处理,热处理温度为380~500℃,将经过热处理
的铝合金杆材,进行拉丝、绞线生产成高强高导耐热铝合金导线。
4.一种权利要求3所述的高强高导耐热铝合金导线的制备方法,其特征在
于:所述热处理太阳城集团为30~50小时。

说明书

高强高导耐热铝合金导线及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金导线制造技术领域,具体为一种架空供电输变线路上所使
用的高强度、高导电和耐热铝合金导线及其制造方法。

背景技术

随着我国国民经济的高速发展,输电线路向高压化、远距离化和大容量化方
向发展。而目前我国城乡供电输变线路上所使用的耐热导线,一般由普通的耐热
铝合金单线和普通镀锌钢丝绞合而成。这种普通耐热导线,一般长期运行温度不
超过150℃,较普通导线只能提高载流量1.6倍,提高容量不大,且电导率在
60%IACS以下,导电率低,线损较大。若想要增加输电容量而运行温度不变,
必须新增输电线路或者加大导线截面积,这两种措施都会遇到增加投资,费用高
昂,改造铁塔和扩大架线占用宝贵的土地资源等诸多困扰。而作为加强元件的普
通镀锌钢丝,预热后线膨胀系数大,输送电容量增加后,导线温度升高,弧垂增
加,影响线路的安全运行。根据我国“西电东送”、“全国联网”的战略部署,远
距离、大容量输电线路的建设势在必行,同时也对输电导线提出了更高的要求。
如刘真云,马立群,丁毅,在《电线电缆》(2008,(3):25~27)发表的“新型
耐热铝合金架空导线的发展和应用”,该文中提及了耐热铝合金架空导线的发展
以及存在的急需要解决的问题。

经检索,公开号为102134668A的中国发明专利,该发明涉及一种高强高导
耐热铝合金线材及其制备方法,其中:“该线材由下列百分比的原料制成:铝Al
98.5-99.6%、镧La0.1-0.4%、铈Ce0.1-0.4%、钪Sc0.1-0.4%、铁Fe0.01-0.2%、硅
Si0.01-0.1%,钛Ti、钒V、锰Mn和铬Cr和其它杂质元素之和<0.01%。”该线
材的制备方法“包括以下操作步骤:按配方称取原料放入中频熔炼炉、升温除气
熔炼、除渣静置、连铸连轧成铝合金杆、拉丝机拉制成铝合金单线、时效热处理,
其特征在于:在温度780-800℃的普通熔炼条件下:镧La、铈Ce、钪Sc在添加
时,采用定制的镧-铝、铈-铝、钪-铝中间合金,镧-铝中间合金中镧的含量为
19.51%,铈-铝中间合金中铈的含量为20.01%,钪-铝中间合金中钪的含量为
20.11%;所述的时效热处理温度为200-240℃、太阳城集团为3-5h;所述拉丝机上拉制
成铝合金单线时,控制润滑温度不高于90℃。”该发明铝合金导线抗拉强度达到
255Mpa以上,导电率可达到60.0%IACS以上,耐热性能长期运行达到180℃以
上。该发明技术的缺点在于:添加元素Sc的价格过于昂贵,很难在工业上进行
大规模的应用。

检索中还发现,公开号为101740157A的中国发明专利,该发明提供了“一
种铝合金导线及其制造方法,铝合金导线中各成分的重量百分组成为:铝
99.2%-99.6%;锆0.03%-0.5%;钇0.01%-0.1%;其它0.2%-0.3%。该铝合金导线
由铝锭熔化后加入微量的锆和钇一起熔炼成铝合金液,再经浇铸与结晶、轧制、
拉丝等步骤制造而成。本发明通过严格控制铝锭的杂质含量和合金化添加元素的
含量,并通过加入硼合金细化晶粒,保证结晶状态良好,通过采用自动化控温的
倾动式保温炉保证铝液可以倾倒干净,使得制造出来的铝合金导线具有高导电性
和耐热性,满足了行业对铝合金导线的性能要求,尤其适于制作成高导电性耐热
电缆。”该发明技术的缺点在于:添加硼合金与铝合金导线中的锆起反应,不但
起不到应有的晶粒细化效果,而且降低了合金的耐热性。

目前国内铝导线在保持高强度和耐热性的情况下,一般无法将导电率提高到
61%IACS以上。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足,提供一种高强高导耐热铝合金导线及其
制备方法。该耐热铝合金导线的抗拉强度达到160MPa,导电率可达到61%IACS
以上,长期运行温度可达到180℃,且经得起280℃下加热1小时考核运行,强
度残存率大于90%。

为了解决上述技术问题,本发明采用下述技术方案:

本发明所述的高强高导耐热铝合金导线,该导线由下列重量百分比的元素组
成:锆Zr为0.15~0.60%,镧La为0.03~0.30%,铈Ce为0.03~0.30%,钇Y为
0.01~0.30%,铁Fe为0.05~0.20%,硅Si为0.01~0.10%,其他杂质元素含量≤0.10%,
其余为铝。

进一步的,本发明该导线优选由下列重量百分比的元素组成:锆Zr为
0.15~0.60%,镧La为0.03~0.20%,铈Ce为0.03~0.20%,钇Y为0.01~0.25%,
铁Fe为0.05~0.20%,硅Si为0.01~0.10%,钛Ti、钒V、锰Mn、铬Cr等杂质
元素含量≤0.10%,其余为铝。

所述杂质元素一般包括钛Ti、钒V、锰Mn、铬Cr等一种或者几种。

本发明铝合金导线的成分中锆在热处理过程中析出Al3Zr金属间化合物,有
效地增强了铝合金的强度和耐热性,稀土元素主要用于净化晶粒,提高材料的导
电率,钇用于提高铝合金的导电率。本发明中的所添加的锆、稀土和钇合金价格
均比较便宜,适合在工业中大规模应用。此外,本发明导线成分中所添加的元素
之间并不相互作用和反应,多种元素协同作用,通过调节铝锆、稀土和铝钇中间
合金含量,使铝合金的耐热性和导电率均明显提高。

本发明所述的高强高导耐热铝合金导线的制备方法,该方法流程:配制原材
料放入熔炼炉中、升温除气熔炼、造渣、除渣、连铸连轧成耐热铝合金杆材、热
处理、拉丝机拉制成耐热铝合金单线。

本发明上述制备方法由以下步骤构成:

第一,将纯度大于或者等于99.7%的铝锭放在熔炉中熔化,铝液温度为
720~750℃;

第二,在铝熔体中加入铝锆、铝稀土和铝钇中间合金,铝锆中间合金中锆的
成分为5%,铝稀土中间合金中稀土成分为10%,铝钇中间合金中钇成分为11%,
使合金成分达到预设成分;

第三,充分搅拌、精炼除气、除渣静置,在750℃~800℃进入连铸连轧生产
线,铸成铝合金铸条;

第四,将铝合金铸条在轧机上热轧,进轧温度为500~530℃,通过铝连铸连
轧生产线生产成耐热铝合金杆材。

第五,对铝合金杆材进行热处理,热处理温度为380~500℃,太阳城集团为30~50
小时。将经过热处理的铝合金杆材,进行拉丝、绞线生产成高强高导耐热铝合金
导线。

本发明的制备方法中在拉丝前对铝合金杆材进行热处理,有利于固溶于铝中
的锆析出形成Al3Zr金属间化合物,在导线的使用温度下十分稳定,可钉扎晶界
和位错,阻碍晶界和位错的移动,提高铝导线的抗拉强度和耐热性。与固溶于铝
中的锆对铝合金的导电率危害作用相比,Al3Zr金属间化合物对铝合金的导电率
影响微弱,因此热处理也有效地提高了铝合金导线的导电率。

采用上述技术方案后,本发明的有益效果为:

1、本发明所提供的高导电耐热铝合金导线同时具有高强度、高导电率和高
耐热性,运行线损能耗低,耐热铝导线的抗拉强度大于160MPa,导电率大于
61%IACS,短期耐热性280℃加热1小时后单线的强度残存率高于90%,能在
180℃下长期运行,载流量明显提高,有效增加导线输电能力。本发明所提供的
铝合金导线与现有的导电率为60%的耐热铝合金线相比,在保持了高强度和高耐
热性的情况下,将导线的导电率提高到61%IACS以上,明显降低了线损能耗,
有利于节能减排。

2、本发明铝合金导线的成分中锆在热处理过程中析出Al3Zr金属间化合物,
可钉轧位错和晶界,阻碍位错和晶界的移动,有效地增强了铝合金的强度和耐热
性,稀土元素主要用于净化晶粒,提高材料的导电率,钇用于提高铝合金的导电
率,通过调节铝锆、铝铁和铝钇中间合金含量,使铝合金导电率大于61%。

3、使用本发明制造的耐热导线进行电网改造时,不需加大杆塔强度和高度,
不需改造基础设施,可大幅度降低线路改造费用。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步的解释,但是以下的内容不用
于限定本发明的保护范围。

实施例1

该导线由下列重量百分比的元素组成:锆Zr0.15%,镧La0.03%,铈Ce0.03%,
钇Y0.30%,铁Fe为0.05~0.20%,硅Si为0.01~0.10%,其他杂质元素含量≤0.10%,
其余为铝。铁、硅制备过程中不用特别加入,而是本来就存在于铝中的,其他实
施例同。

选择Al99.7%工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液,将铝液升温至720~730℃,
按配方锆Zr0.15%,镧La0.03%,铈Ce0.03%,钇Y0.30%分别称取中间合金放
入铝液中;待中间合金熔化后放入除气剂除气,并使用石墨棒缓慢充分搅拌;除
气除渣,得到铝合金液体,在750℃让铝合金液体进入铝杆连铸连轧机理进行铸
坯,铸坯温度为500~530℃,得到Φ10mm的铝杆;在热处理炉内进行热处理,
温度为380℃,太阳城集团为50h;冷却后在铝合金拉丝机上拉丝,经12道拉丝得直径
为Φ4mm铝线;绞合成高强高导耐热铝合金导线。经测试其强度165MPa,导电
率为61.4%,短期280℃加热1小时强度残存率为94.3%。

实施例2

该导线由下列重量百分比的元素组成:Zr0.18%,镧La0.03%,铈Ce0.03%,
钇Y0.25%,铁Fe为0.05~0.20%,硅Si为0.01~0.10%,其他杂质元素含量≤0.10%,
其余为铝。

选择Al99.7%工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液,将铝液升温至720~730℃,
按配方锆Zr0.18%,镧La0.03%,铈Ce0.03%,钇Y0.25%分别称取中间合金放
入铝液中;其他实施条件与实施例1相同,经测试其强度173MPa,导电率为
61.8%,短期280℃加热1小时强度残存率为95.2%。

实施例3

该导线由下列重量百分比的元素组成:Zr0.18%,锆Zr0.60%,镧La0.30%,
铈Ce0.30%,钇Y0.01%,铁Fe为0.05~0.20%,硅Si为0.01~0.10%,其他杂质
元素含量≤0.10%,其余为铝。

选择Al99.7%工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液,将铝液升温至720~730℃,
按配方锆Zr0.60%,镧La0.30%,铈Ce0.30%,钇Y0.01%分别称取中间合金放
入铝熔体中;待中间合金熔化后放入除气剂除气,并使用石墨棒缓慢充分搅拌;
除气除渣,得到铝合金液体,在800℃让铝合金液体进入铝杆连铸连轧机理进行
铸坯,铸坯温度为510~530℃,得到Φ10mm的铝杆;在热处理炉内进行热处理,
温度为500℃,太阳城集团为30h;冷却后在铝合金拉丝机上拉丝,经12道拉丝得直径
为Φ4mm铝线;绞合成高强高导耐热铝合金导线。经测试其强度175MPa,导电
率为61.1%,短期280℃加热1小时强度残存率为94.1%。

实施例4

该导线由下列重量百分比的元素组成:锆Zr0.60%,镧La0.20%,铈Ce0.20%,
钇Y0.01%,铁Fe为0.05~0.20%,硅Si为0.01~0.10%,其他杂质元素含量≤0.10%,
其余为铝。

选择Al99.7%工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液,将铝液升温至720~730℃,
按配方锆Zr0.60%,镧La0.20%,铈Ce0.20%,钇Y0.01%分别称取中间合金放
入铝熔体中;其他实施条件与实施例3相同。

经测试其强度189MPa,导电率为61.3%,短期280℃加热1小时强度残存
率为95.6%。

实施例5

该导线由下列重量百分比的元素组成:锆Zr0.20%,镧La0.20%,铈Ce0.20%,
钇Y0.25%,铁Fe为0.05~0.20%,硅Si为0.01~0.10%,其他杂质元素含量≤0.10%,
其余为铝。

选择Al99.7%工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液,将铝液升温至720~730℃,
按配方锆Zr0.20%,镧La0.20%,铈Ce0.20%,钇Y0.25%分别称取中间合金放
入铝熔体中;待中间合金熔化后放入除气剂除气,并使用石墨棒缓慢充分搅拌;
除气除渣,得到铝合金液体,在760℃让铝合金液体进入铝杆连铸连轧机理进行
铸坯,铸坯温度为500~530℃,得到Φ10mm的铝杆;在热处理炉内进行热处理,
温度为400℃,太阳城集团为40h;冷却后在铝合金拉丝机上拉丝,经12道拉丝得直径
为Φ4mm铝线;绞合成高强高导耐热铝合金导线。经测试其强度163MPa,导电
率为61.3%,短期280℃加热1小时强度残存率为91.8%。

以上仅仅是对本发明的较佳实施例进行的详细说明,但是本发明并不限于以
上实施例。应该理解的是,在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下,本
领域的技术人员做出的各种修改,仍属于本发明的范围。

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高强 耐热 铝合金 导线 及其 制备 方法
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