阅读说明：本技术 一种软铝线及其制备方法 (Soft aluminum wire and preparation method thereof ) 是由 祝志祥 赵蕊 潘学东 陈保安 张强 丁一 陈新 杨长龙 周忠义 刘臻 党朋 殷 于 2019-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明属于软铝线的制备技术领域,具体涉及一种软铝线及其制备方法。本发明在通过硼对杂质元素进行严格净化控制的基础上,在铝合金中添加了微量Y稀土元素,既能够降低杂质含量,又具有晶粒细化以及提高结晶温度的作用,一定程度上在保证铝导体具有高导电率的同时具有良好的力学性能；所提供的软铝线材料的导电率≥63.5％IACS(20℃),抗拉强度≥75MPa,延伸率≥20.0％。(The invention belongs to the technical field of preparation of soft aluminum wires, and particularly relates to a soft aluminum wire and a preparation method thereof. According to the invention, on the basis of strict purification control of impurity elements through boron, trace Y rare earth elements are added into the aluminum alloy, so that the impurity content can be reduced, the effects of grain refinement and crystallization temperature increase are achieved, and the aluminum conductor has high conductivity and good mechanical properties to a certain extent; the conductivity of the provided soft aluminum wire material is more than or equal to 63.5 percent IACS (20 ℃), the tensile strength is more than or equal to 75MPa, and the elongation is more than or equal to 20.0 percent.)

一种软铝线及其制备方法

技术领域

本发明属于软铝线的制备技术领域，具体涉及一种工艺稳定性高、导电率合格率高的软铝线及其制备方法。

背景技术

我国电网的快速建设发展对架空输电线路提出了更高的要求。如何在保障架空导线安全可靠运行的基础上实现其大容量、高效率、低成本电能输送是电力行业研究者关注的热点。

钢芯铝绞线是架空输电线路中应用最多的导线之一，约占整个导线类型的80％以上。钢芯铝绞线的导电率为61％IACS，输电线路损耗较高。为提高导线导电率，新材料、新工艺、新技术的发展，推动了新型高导电率导线的产生，相继开发出钢芯软铝导线、碳纤维复合芯导线等以软铝为导体的新型导线。

软铝导体具有较高的导电率，在相同截面时具有更小的电阻，可以减少导线损耗。钢芯软铝导线在美国和加拿大等国家已有近二十年应用历史，国内也有多个厂家可以生产。对比现有国内外软铝线标准，国内外软铝线主要技术差异在于导电率指标，国外标准(ASTM-B609/B609M-2016、BS EN 50540-2010等)要求导电率≥61.8％IACS，而我国标准(GB/T 29325-2012)要求导电率≥63.0％IACS，由此可见，我国对软铝线的导电率提出了更高的要求。

当前，国内部分导线厂家可以生产63.0％IACS软铝线，但其生产工艺稳定性、导电率合格率尚待进一步提升。为进一步提高软铝导体的导电率，提升其批量化制备工艺稳定性，亟需开展高导电率软铝线的合金成分与制备工艺研究，获得材料优化配方及制备工艺，为高导电率软铝线及其导线生产与应用推广提供技术支撑，以进一步降低我国输电线路损耗，支撑我国电网绿色环保及安全高效运行。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中高导电率软铝线生产工艺稳定性差、导电率合格率尚待进一步提升等缺陷，从而提供一种软铝线及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案:

一种软铝线，包括以下质量百分比的成分，B：0.002～0.05％，Y：0.001～0.10％，Si：0～0.06％，Fe：0～0.12％，V+Ti+Cr+Mn≤0.01％，余量为铝和不可避免的杂质元素。

进一步地，包括以下质量百分比的成分，B：0.002～0.03％，Y：0.01～0.05％，Si：0～0.05％，Fe：0.01～0.10％，V+Ti+Cr+Mn≤0.008％，余量为铝和不可避免的杂质元素。

本发明还提供一种上述软铝线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

熔炼：将铝锭熔融，在铝熔物中加入Al-B合金静置，然后加入Al-Y合金进行熔炼；

精炼：加入覆盖剂，在氮气氛围下进行精炼，静置后扒渣；

浇铸：将铝合金液按照预定尺寸进行浇铸，得铝合金锭；

制杆：将所述铝合金锭保温后轧制成铝合金杆；

拉丝：将所述铝合金杆进行拉丝处理，得铝单丝；

退火：将所述铝单丝进行退火处理，制得软铝线。

进一步地，所述退火温度为330-380℃，退火时间为2-5h。

进一步地，所述熔炼温度为750-770℃；

加入Al-B合金后的静置时间为20-40min。

进一步地，所述精炼温度为730-740℃，精炼时间为10-15min。

进一步地，所述精炼步骤中的静置时间为20-40min；

所述覆盖剂的加入量为总投料质量的0.01-0.03％。本发明所用覆盖剂是铝合金冶炼通用的产品(主要成分为KCl、NaCl，KF、Na2SiF6，AlCl3，冰晶石(Na3AlF6))，本发明不需作特殊要求。

进一步地，所述浇铸温度为720-730℃。

进一步地，所述制杆步骤中的保温温度为400-450℃，保温时间为40-80min。

进一步地，所述拉丝速度为13-16m/s，变形量为20-25％。

本发明提供的制备工艺的特点在于：先进行冶炼，当工业纯铝锭完全熔化后依次放入各中间合金，合金化温度为750～770℃；使用搅拌机对铝液进行搅拌，使合金元素充分均匀化；采用N₂对铝液进行除气、除渣及覆盖剂防氧化处理，静置30min后进行扒渣及铝合金液浇铸，采用紫铜材质模具浇铸成22×22×380mm的合金锭；采用热轧的方式将铝合金锭压制成Ф9.5mm的圆杆，然后进行拉丝，以15m/s的速度在拉丝机上冷拉丝，使用钢模经过多道次拉制，获得3.05～3.60mm的铝单丝；采用退火炉将铝单丝进行退火处理，最终制得软铝单丝线。

作为最优选的，本发明提供的软铝线的制备方法具体包括下述步骤：

熔炼：于750～770℃将铝锭熔融，向铝熔融物中加入Al-B合金静置30min后加入Al-Y合金；

精炼：在730～740℃下通入氮气10～15min，静置30min后扒渣；

浇铸：于720～730℃下将铝合金液浇铸到模具内，制备出尺寸为22mm×22mm×380mm的铝合金锭；为减少Fe的带入，模具采用紫铜材质；

制杆：将上述步骤制得的铝合金锭在400～450℃保温1h后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；

拉丝：以15m/s的速度、20-25％的变形量，拉丝得直径为3.05～3.60mm的铝单丝。

退火处理：将上述步骤制得的铝单丝进行退火处理，制得软铝单丝线，退火温度：330～380℃，退火时间：2～5h。

本发明采用的各合金元素的作用及机理如下：

Y：本发明的技术方案中0.01～0.20％钇元素的加入对铝合金导电性能的提高作用主要是由于Y与铝中主要固溶杂质元素Fe、Si发生强烈的交互作用，Y与杂质原子形成的稀土化合物在晶界处析出，降低了Fe、Si等杂质元素在基体中的固溶度。而杂质元素在铝中以固溶态存在时对铝导体电阻率的增大作用远大于析出态，Fe、Si等杂质和Y反应生成化合物在晶界处析出，减少了固溶的Fe、Si对电子的散射作用，故加入适量Y能使铝合金的导电率提高。但过多的Y会形成杂质影响导电性能，而且Y含量增加会增强晶粒细化作用，增加了对电子的散射，从而降低了铝导体的导电率。因此Y含量应控制在一定范围内以保证铝导体的导电性能。

Si：本发明的技术方案中采用0～0.05％的Si，硅主要来自铝矾土中的二氧化硅或硅酸盐，是纯铝中的一种主要杂质元素。Si能提高铝合金的铸造性能及焊接流动性，还能使铝合金具有较高的力学性能。但随着Si含量增加，铝合金的电阻率增加。这主要是由于Si是半导体，较铝基体的电阻率高得多，故Si含量的增加将减少铝基体的有效导电截面积，降低铝合金的导电率，因此硅含量应有效控制，若含量超出要求，则通常采用稀土化处理。

Fe：本发明的技术方案中采用Fe：0～0.12％，铝中含有一定量的铁，是纯铝中的一种主要杂质。因为熔炼与铸造使用的工具主要是钢质或铸铁，Fe元素就会因这些工具带入铝中，而且在重熔废料时，则可混入铁与铁屑。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Al-Fe-Si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。铁会降低铝的导电性能，但由于铁在常温下的固溶度很小，因此它对铝的导电率的影响相对其他元素是比较低的。当然，铁的含量也不能太高，若铁含量较高，除会降低导电性能外，也可能由于分布不均匀而导致加工过程出现脆断的现象。

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，对导电性能的影响很大。硼化处理是降低杂质含量的一种有效方法。本发明的技术方案中采用了B：0.002～0.05％，即在电工铝中加入一定量的B元素后，能够和过渡族杂质元素Cr、Mn、V、Ti等杂质元素发生反应，形成不溶解的硼化物，以铝渣形式从铝液中脱离，达到降低杂质元素含量提升导电性能的目的。

Cr、Mn、V、Ti：本发明中控制V+Ti+Cr+Mn≤0.01％，这四种元素均为电工纯铝中的杂质元素。铝导体中的Cr、Mn、V、Ti杂质元素以固溶态存在时，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会导致铝导体电阻率的增加。研究表明，每1％(Cr+Mn+V+Ti)的有害作用为每1％Si对铝导体导电性能有害作用的5倍。由此可以看出严格控制Cr、Mn、V、Ti杂质元素的含量对保证铝导体的导电性能具有重要作用。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的软铝线，包括以下质量百分比的成分，B：0.002～0.05％，Y：0.001～0.10％，Si：0～0.06％，Fe：0～0.12％，V+Ti+Cr+Mn≤0.01％，余量为铝和不可避免的杂质元素。本发明在通过硼对杂质元素进行严格净化控制的基础上，在铝合金中添加了微量Y稀土元素，既能够降低杂质含量，又具有晶粒细化以及提高结晶温度的作用，一定程度上在保证铝导体具有高导电率的同时具有良好的力学性能；所提供的软铝线材料的导电率≥63.5％IACS(20℃)，抗拉强度≥75MPa，延伸率≥20.0％。

2.本发明提供的软铝线的制备方法，通过在熔炼过程中采用了吹入N₂除气、除渣及加入覆盖剂防止氧化；采用退火热处理，改善或消除铝线在铸造、轧制及拉丝过程中所造成的各种微观组织缺陷以及残余应力，改善组织以优化铝线的电学和力学性能，尤其是选用退火温度为350～400℃、退火时间为2～4h的退火处理，利用回复再结晶，消除软铝线内应力，进一步实现软铝线导电率和延伸率提升，而强度降低，生产工艺稳定，产品的合格率在95％以上。

本发明在制备时，无需额外添加铝铁合金，因为原工业纯铝锭(99.7wt.％Al)中含有一定量的铁，是纯铝中的一种主要杂质；同时，选择99.7wt.％的铝锭，相比于现有技术中99.8wt.％的铝锭，对原料的要求降低，降低了成本，也有利于提高工艺的稳定性和产品的合格率。此外，熔炼与铸造使用的工具主要是钢质或铸铁，Fe元素就会因这些工具带入铝中，而且在重熔废料时，则可混入铁与铁屑，而铁、硅在本发明中是作为杂质存在，是不期望的组分。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例和对比例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

其中，本发明实施例和对比例中得到的软铝线的测试方法为：

导电率：GB/T 3048.2-2007电线电缆电性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验；

抗拉强度：GB/T 4909.3-2009裸电线试验方法第3部分：拉力试验；

延伸率：GB/T 4909.3-2009裸电线试验方法第3部分：拉力试验；

产品合格率：试验抽检样品应从不小于10％的成盘单线中抽取，检测出来的合格样品数占全部抽检样品数的百分比。

实施例1

本实施例提供一种高导电率软铝线材料，组分及其质量百分比为：

所述软铝线的制备方法具体如下：

熔炼：于750℃将纯度为99.7％的工业纯铝锭熔融，向铝熔融物中加入Al-B合金静置30min后加入Al-Y合金，采用直读光谱仪测试并调整其组成符合上述要求；

精炼：在730℃下加入0.02％的覆盖剂，通入氮气10min，静置30min后扒渣；

浇铸：于720℃下将铝合金液浇铸到模具内，制备出尺寸为22mm×22mm×380mm的铝合金锭；为减少Fe的带入，模具采用紫铜材质；

制杆：将上述步骤制得的铝合金锭在400℃保温60min后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；

拉丝：在高速拉丝机上进行拉丝，以15m/s的速度、25％的变形量，拉丝得直径为3.05mm的铝单丝。

退火处理：将上述步骤制得的铝单丝进行退火处理，制得软铝单丝线，退火温度：330℃，退火时间：4h；制得导电率为63.5％IACS，抗拉强度为101.2MPa，延伸率为20.2％的软铝线材料，产品合格率98％。

实施例2

本实施例提供一种高导电率软铝线材料，组分及其质量百分比为：

所述软铝线的制备方法具体如下：

熔炼：于750℃将纯度为99.7％的工业纯铝锭熔融，向铝熔融物中加入Al-B合金静置30min后加入Al-Y合金，采用直读光谱仪测试并调整其组成符合上述要求；

精炼：在735℃下加入0.02％的覆盖剂，通入氮气12min，静置30min后扒渣；

浇铸：于720℃下将铝合金液浇铸到模具内，制备出尺寸为22mm×22mm×380mm的铝合金锭；为减少Fe的带入，模具采用紫铜材质；

制杆：将上述步骤制得的铝合金锭在420℃保温60min后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；

拉丝：在高速拉丝机上进行拉丝，以15m/s的速度、22％的变形量，拉丝得直径为3.07mm的铝单丝。

退火处理：将上述步骤制得的铝单丝进行退火处理，制得软铝单丝线，退火温度：330℃，退火时间：4h；制得导电率为63.8％IACS，抗拉强度为94.1MPa，延伸率为22.8％的软铝线材料，产品合格率98％。

实施例3

本实施例提供一种高导电率软铝线材料，组分及其质量百分比为：

所述软铝线的制备方法具体如下：

熔炼：于760℃将纯度为99.7％的工业纯铝锭熔融，向铝熔融物中加入Al-B合金静置30min后加入Al-Y合金，采用直读光谱仪测试并调整其组成符合上述要求；

精炼：在740℃下加入0.02％的覆盖剂，通入氮气12min，静置30min后扒渣；

浇铸：于730℃下将铝合金液浇铸到模具内，制备出尺寸为22mm×22mm×380mm的铝合金锭；为减少Fe的带入，模具采用紫铜材质；

制杆：将上述步骤制得的铝合金锭在420℃保温60min后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；

拉丝：在高速拉丝机上进行拉丝，以15m/s的速度、20％的变形量，拉丝得直径为3.45mm的铝单丝。

退火处理：将上述步骤制得的铝单丝进行退火处理，制得软铝单丝线，退火温度：380℃，退火时间：5h；制得导电率为64.1％IACS，抗拉强度为75.6MPa，延伸率为25.1％的软铝线材料，产品合格率97％。

实施例4

本实施例提供一种高导电率软铝线材料，组分及其质量百分比为：

所述软铝线的制备方法具体如下：

熔炼：于750℃将纯度为99.7％的工业纯铝锭熔融，向铝熔融物中加入Al-B合金静置30min后加入Al-Y合金，采用直读光谱仪测试并调整其组成符合上述要求；

精炼：在730℃下加入0.02％的覆盖剂，通入氮气10min，静置30min后扒渣；

浇铸：于730℃下将铝合金液浇铸到模具内，制备出尺寸为22mm×22mm×380mm的铝合金锭；为减少Fe的带入，模具采用紫铜材质；

制杆：将上述步骤制得的铝合金锭在440℃保温60min后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；

拉丝：在高速拉丝机上进行拉丝，以15m/s的速度、20％的变形量，拉丝得直径为3.60mm的铝单丝。

退火处理：将上述步骤制得的铝单丝进行退火处理，制得软铝单丝线，退火温度：350℃，退火时间：4h；制得导电率为64.0％IACS，抗拉强度为85.0MPa，延伸率为24.0％的软铝线材料，产品合格率95％。

实施例5

本实施例提供一种高导电率软铝线材料，组分及其质量百分比为：

所述软铝线的制备方法具体如下：

熔炼：于750℃将纯度为99.7％的工业纯铝锭熔融，向铝熔融物中加入Al-B合金静置30min后加入Al-Y合金，采用直读光谱仪测试并调整其组成符合上述要求；

精炼：在730℃下加入0.02％的覆盖剂，通入氮气10min，静置30min后扒渣；

浇铸：于720℃下将铝合金液浇铸到模具内，制备出尺寸为22mm×22mm×380mm的铝合金锭；为减少Fe的带入，模具采用紫铜材质；

制杆：将上述步骤制得的铝合金锭在450℃保温60min后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；

拉丝：在高速拉丝机上进行拉丝，以15m/s的速度、20％的变形量，拉丝得直径为3.60mm的铝单丝。

退火处理：将上述步骤制得的铝单丝进行退火处理，制得软铝单丝线，退火温度：350℃，退火时间：3h；制得导电率为63.9％IACS，抗拉强度为88.3MPa，延伸率为23.3％的软铝线材料，产品合格率98％。

实施例6

本实施例提供一种高导电率软铝线材料，组分及其质量百分比为：

所述软铝线的制备方法具体如下：

熔炼：于750℃将纯度为99.7％的工业纯铝锭熔融，向铝熔融物中加入Al-B合金静置40min后加入Al-Y合金，采用直读光谱仪测试并调整其组成符合上述要求；

精炼：在730℃下加入0.01％的覆盖剂，通入氮气15min，静置20min后扒渣；

浇铸：于730℃下将铝合金液浇铸到模具内，制备出尺寸为22mm×22mm×380mm的铝合金锭；为减少Fe的带入，模具采用紫铜材质；

制杆：将上述步骤制得的铝合金锭在420℃保温80min后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；

拉丝：在高速拉丝机上进行拉丝，以13m/s的速度、25％的变形量，拉丝得直径为3.05mm的铝单丝。

退火处理：将上述步骤制得的铝单丝进行退火处理，制得软铝单丝线，退火温度：330℃，退火时间：5h；制得导电率为63.6％IACS，抗拉强度为99.8MPa，延伸率为22.3％的软铝线材料，产品合格率97％。

实施例7

本实施例提供一种高导电率软铝线材料，组分及其质量百分比为：

所述软铝线的制备方法具体如下：

熔炼：于770℃将纯度为99.7％的工业纯铝锭熔融，向铝熔融物中加入Al-B合金静置20min后加入Al-Y合金，采用直读光谱仪测试并调整其组成符合上述要求；

精炼：在740℃下加入0.03％的覆盖剂，通入氮气10～15min，静置20min后扒渣；

浇铸：于730℃下将铝合金液浇铸到模具内，制备出尺寸为22mm×22mm×380mm的铝合金锭；为减少Fe的带入，模具采用紫铜材质；

制杆：将上述步骤制得的铝合金锭在420℃保温40min后轧制成Ф9.5mm的铝合金杆；

拉丝：在高速拉丝机上进行拉丝，以16m/s的速度、20％的变形量，拉丝得直径为3.05mm的铝单丝。

退火处理：将上述步骤制得的铝单丝进行退火处理，制得软铝单丝线，退火温度：380℃，退火时间：2h；制得导电率为63.9％IACS，抗拉强度为92.5MPa，延伸率为23.5％的软铝线材料，产品合格率96％。

对比例1

本对比例的软铝线组成与实施例1相同，区别在于：退火温度为300℃。制得导电率为63.0％IACS，抗拉强度为125.8MPa，延伸率为21.5％的软铝线材料，产品合格率92％。可见，退火温度降低，制得软铝线的导电率下降，抗拉强度增加，产品合格率降低。

对比例2

本对比例的软铝线组成与实施例1相同，区别在于：退火温度为410℃。制得导电率为64.0％IACS，抗拉强度为60.2MPa，延伸率为28.1％的软铝线材料，产品合格率90％。可见，退火温度过高，导电率虽然增加，但是抗拉强度低于75MPa，不能满足软铝线的使用要求，且产品合格率降低。

对比例3

本对比例的软铝线组成与中国专利文献CN101419849A中提供的实施例1相同，经测试，制得导电率为63.2％IACS，抗拉强度为104.5MPa，延伸率为22.1％的软铝线材料，产品合格率90％。

对比例4

本对比例的软铝线组成与中国专利文献CN101419849A中提供的实施例2相同，经测试，制得导电率为62.7％IACS，抗拉强度为113.2MPa，延伸率为24.3％的软铝线材料，产品合格率88％。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。