一种Al-Cu-Sc-B耐热铝合金单丝材料及其制备方法与流程

专利2022-07-08 107

本发明涉及电工导体材料领域，特别涉及一种al-cu-sc-b耐热铝合金单丝材料及其制备方法。

背景技术：

架空输电线路导线的现状是以传统钢芯铝绞线为主，若采用增加导线截面积制造大截面钢芯铝绞线方式提高输送容量，必须建造更高强度的杆塔来实现，不仅增加走廊面积而且加大建设成本，将不符合“资源节约型，环境友好型，新技术，新材料，新工艺”输电线路的指导方针。为了解决城市电网的增容改造，有效利用原有塔基和线路走廊，采用相同规格的耐热铝合金导线替代钢芯铝绞线实现输电线路的增容是发展的趋势之一。

耐热铝合金导线是一种性能良好的特种增容导线，采用大容量耐热铝合金导线进行现有线路增容改造，在尽量不更换杆塔的原则下，不但能提高线路的输送能力，并且能降低工程的整体造价。但现有的耐热铝合金导线综合性能差(导电率最高为61％iacs(20℃)，长期耐热温度为150℃)，使线损增加，造成电能大量浪费。因此，在保证较高载流量的同时，如何提高耐热铝合金的导电率，减少输电线损，成为目前耐热铝合金导线最为迫切的技术需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于以纯度为99.7％的工业铝锭为原材料，开发出一种al-cu-sc-b耐热铝合金单丝材料，解决现有耐热铝合金单丝及导线产品导电率低的技术难题。主要通过加入微量合金化元素，改善合金微观组织与综合性能，开发出导电率不低于61.8％iacs(20℃)、抗拉强度不低于165mpa、延伸率不低于2％、长期耐热温度≥150℃(230℃保温1h强度残存率≥90％)的耐热铝合金导单丝，特提供了一种al-cu-sc-b耐热铝合金单丝材料及其制备方法。

本发明提供了一种al-cu-sc-b耐热铝合金单丝材料，所述的al-cu-sc-b耐热铝合金单丝材料成分体系，包括铝、硼、铜、钪合金元素以及原材料中不可避免的杂质元素，各组份的含量分别为：cu：0.05～0.1％，b：0.01～0.02％，sc：0.1～0.3％，si≤0.06％，fe≤0.15％，(v ti cr mn)≤0.01％，其余为铝的含量和不可避免的其它微量杂质。

所述的al-cu-sc-b耐热铝合金单丝材料，其中b含量为0.01～0.15％。

所述的al-cu-sc-b耐热铝合金单丝材料，cu含量0.05～0.08％。

所述的al-cu-sc-b耐热铝合金单丝材料，sc含量为0.2～0.3％。

所述的al-cu-sc-b耐热铝合金单丝材料，各组份的含量分别为：cu：0.05～0.07％，b：0.01～0.02％，sc：0.1～0.15％，si≤0.06％，fe≤0.15％，(v ti cr mn)≤0.01％，其余为铝的含量和不可避免的其它微量杂质。

一种al-cu-sc-b耐热铝合金单丝材料的制备方法，(1)冶炼：选取工业纯铝锭加入熔炼炉中，完全熔化后加入al-3b中间合金进行硼化处理；

(2)倒炉：将静置后的铝合金液倒入另一个熔炼炉中，待温度稳定后，在加入al-10cu、al-2sc中间合金，完全熔化后搅拌；

(3)精炼：吹入氮气或氩气；

(4)浇铸：将铝合金液浇入金属型模具，制备成铸锭；

(5)轧制：将铸锭在450～500℃保温后，制成铝合金圆杆；

(6)铝合金圆杆经过多道次拉拔，获得单丝；

得到的材料为：al-cu-sc-b耐热铝合金单丝材料，包括铝、硼、铜、钪合金元素以及原材料中不可避免的杂质元素，各组份的含量分别为：cu：0.05～0.1％，b：0.01～0.02％，sc：0.1～0.3％，si≤0.06％，fe≤0.15％，(v ti cr mn)≤0.01％，其余为铝的含量和不可避免的其它微量杂质。

所述的冶炼过程中，待纯铝完全熔化后加入al-3b中间合金进行硼化处理，使用涂有氧化锌的铁棒搅拌1min，静置5～10min。

所述的精炼过程也能加入0.3～0.5％的六氯乙烷(c2cl6)，静置10-20min后扒渣。

所述的轧制，将铸锭在450～500℃保温2～6h后，使用双辊轧机经过5道次轧制成φ9.5mm的铝合金圆杆。

所述的单丝在150～190℃下保温3～8h。

以纯度为99.7％的工业铝锭为原材料，开发出一种al-cu-sc-b耐热铝合金单丝材料，解决现有耐热铝合金单丝及导线产品导电率低的技术难题。主要通过加入微量合金化元素，改善合金微观组织与综合性能，开发出导电率不低于61.8％iacs(20℃)、抗拉强度不低于165mpa、延伸率不低于2％、长期耐热温度≥150℃(230℃保温1h强度残存率≥90％)的耐热铝合金导单丝。

导电率≥61.8％iacs(20℃)，抗拉强度≥165mpa，延伸率≥2％，长期耐热温度≥150℃(230℃保温1h强度残存率≥90％)的耐热铝合金单丝材料。

各合金元素的作用及机理如下：

cu：本发明中添加cu元素，通过时效处理cu与al反应生成al2cu沉淀相，具有时效强化效果，从而提高合金强度。

b：在众多的影响因素中，化学成分是影响铝导体电导率最基本的因素，因此降低杂质元素对电导率的影响是提高铝导体电导率的关键之举。杂质元素如果以固溶状态存在，对导电性能的影响更大。硼化处理是降低杂质含量的一种有效方法，即在铝合金中加入一定量的b元素后，能够和过渡族杂质元素cr、mn、v、ti等发生反应，使之由固溶态转变为化合态并沉积于熔体底部，从而提高铝合金的导电性能。

sc：本发明中加入稀土sc可以显著提高铝合金的导电率、强度和耐热性。sc添加可以起到细化晶粒的作用；通过热处理sc与al反应生成al3sc沉淀相，从而提高合金强度；由于al3sc相具有较好的高温稳定性，同时可保证合金的耐热性能。同时，在一定的热处理工艺下，优先析出的al3sc相可作为形核质点促进al2cu沉淀相的析出。

si：硅是工业铝中的主要杂质元素之一，si可与fe、re等元素反应生成第二相，从而提高铝合金的力学性能。

fe：铝中含有一定量的铁，是工业铝中的一种主要杂质。铁对铸造铝的力学性能是有害的，因为其通常以粗大的一次晶体出现，或以铝-铁-硅化合物形式存在，它们一定程度上都提高了铝的硬度，但使铝的塑性降低。研究表明，铁可以提高铝导体强度，并不显著降低其导电性。但也有资料表明在实际生产中，铝导体中的fe过高则会使其电阻率显著升高，所以也应该注意控制铁的含量。

v、mn、cr、ti：这几种元素均为合金中的杂质元素，对铝合金的导电性能影响较大。铝导体中的ti、v、mn、cr等杂质元素在固溶态存在时，很容易吸收导体材料内的自由电子而填充它们不完整的电子层。这种传导电子数目的减少导致了铝导体导电性的降低。研究表明，每1％(cr ti mn v)的有害作用为每1％硅对铝导电性有害作用的5倍。由此可以看出严格控制这几种元素的含量对保证铝导体的质量具有重要的实际应用意义。

本发明的优点：

在耐热合金中经过添加微量稀土sc元素细化了晶粒，通过在轧制保温阶段形成了与铝基体共格的al3sc相，同时作为al2cu析出相的形核质点促进了其析出，在保证铝合金力学性能和耐热性能的前提下显著提高了铝合金的导电率；在此合金成分配方基础之上，优化了制备工艺参数，由此生产出的耐热铝合金单丝可以在保证力学性能的前提下显著提高导电率至61.8％iacs(20℃)。

具体实施方式

实施例1