耐热铝合金单线及其制造方法

技术领域

本申请涉及铝合金导线技术领域，具体而言，涉及耐热铝合金单线及其制造方法。

背景技术

架空导线输电线路是国民经济和社会发展的能源主动脉，随着用电需求的持续增长，现有输电线路的负载压力日益突出。由于土地资源越来越紧张，新建输电走廊受到很大制约，对现有输电线路进行增容改造，提高导线连续运行温度，大幅提高导线载流量是一种行之有效的方法。耐热铝合金可以有效提高导线运行温度，但是目前耐热铝合金导线电阻率相对较高，普通耐热铝合金和超耐热铝合金导电率为60％IACS，高强度耐热铝合金导电率只有55％IACS，相比高导电率硬铝线仍有较大差距。因此，如何进一步提升铝合金的耐热性能和导电率，对于提高架空输电线路的电能输送效率、实现电网的节能减排助力双碳目标的达成具有重要意义。

目前国内主要是通过调整Zr元素含量来调控合金耐热性，开发的耐热铝合金导电率难以超过61％IACS。专利号CN108559874 A公布了62％IACS导电率的耐热铝合金，但是稀土含量很高、工艺控制困难，不具备工业化生产的条件。

发明内容

本申请提供耐热铝合金单线及其制造方法，以解决铝合金的导电性能和耐热性能提升的问题。

本申请的实施例是这样实现的：

一种耐热铝合金单线，所述耐热铝合金单线的成分包括铝Al和如下质量百分含量的元素组分：

铁Fe≤0.05，硅Si≤0.03％，钪Sc为0.2～0.35％，锆Zr为0.01～0.1％，钇Y为0.3～0.5％，镧La为0.01～0.05％，硼B为0.001～0.01％，Cr+Mn+V+Ti≤0.01％。

具体地，所述耐热铝合金单线的直径为2.0～4.5mm；所述耐热铝合金单线的抗拉强度大于或等于160MPa、导电率大于或等于62％IACS，280℃加热1小时单线的强度残存率大于或等于90％。

本申请的实施例还提供一种耐热铝合金单线的制造方法，用于制造上述耐热铝合金单线，其包括：

步骤一，铝液熔炼：将铝锭、铝锆合金、铝钪合金、铝钇合金和铝镧合金加入至熔炼炉中进行加热熔化，形成铝熔体；所述铝稀土中间合金包括钇Y、镧La的铝-稀土中间合金；所述铝熔体中包括如下质量百分含量的元素组分：

铁Fe≤0.05，硅Si≤0.03％，钪Sc为0.2～0.35％，锆Zr为0.01～0.1％，钇Y为0.3～0.5％，镧La为0.01～0.05％，Cr+Mn+V+Ti≤0.01％；

步骤二，炉内精炼：将铝熔体转注至保温炉中，加入铝硼中间合金，利用除气介质对铝熔体进行精炼；

步骤三，在线精炼：浇铸开始后对铝熔体进行在线除气过滤；

步骤四，铸造：将精炼后的铝熔体浇入轮式结晶器中进行凝固，形成铸坯；

步骤五，轧制：将铸坯导入连轧机组进行轧制，形成铝合金杆材；

步骤六，热处理：对铝合金杆材进行时效处理；

步骤七，拉拔：对时效后的铝合金杆材进行拉拔，形成耐热铝合金单线。

进一步地，所述利用除气介质对铝熔体进行处理的步骤包括：炉内精炼的铝熔体温度为740～750℃，除气介质包括氮气和颗粒精炼剂，处理时间为10～15分钟。

进一步地，所述步骤二进一步包括：铝熔体静置温度为720～730℃，静置时间为30～40分钟。

进一步地，硼B在所述铝熔体中的质量百分含量为0.001～0.01％。

进一步地，所述铸坯的铸造温度为700～720℃，铸造速度为8～12m/min。

进一步地，对所述铝合金杆材进行时效处理的加热温度为300～450℃，保温时间为30～70h。

进一步地，所述对时效后的铝合金杆材进行拉拔的步骤包括：

对铝合金杆材进行多道次连续拉拔，拉拔速度为8～10m/s，各道次相对滑动系数为1.01～1.04。

进一步地，所述铝熔体中，不可避免的其他杂质元素的质量百分数总量≤0.02％，且不可避免的其他杂质元素中每种元素的质量百分数含量≤0.005％。

本申请的有益效果为：本申请的耐热铝合金单线及其制备方法通过降低合金中Fe含量和Cr+Mn+V+Ti含量、添加活性稀土元素Y和La来提高合金导电率。此外，合金中的钪Sc元素在高温时效过程中可以与添加的锆Zr元素产生协同析出效应，形成细小弥散的Al

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例的耐热铝合金单线的制备方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

请参阅图1，耐热铝合金单线的制备方法包括如下步骤：

步骤一S1，铝液熔炼：将铝锭、铝锆合金、铝钪合金、铝钇合金和铝镧合金合金加入熔炼炉中进行加热熔化。

具体地，所用铝锭纯度大于99.8％，铝稀土中间合金包括钇Y、镧La的铝-稀土中间合金。铝锭与各种合金材料在熔炼炉中加热熔化后搅拌扒渣，形成铝熔体，接着对铝熔体取样进行光谱分析，调整合金元素质量百分含量如下：

铁Fe≤0.05，硅Si≤0.03％，钪Sc为0.2～0.35％，锆Zr为0.01～0.1％，钇Y为0.3～0.5％，镧La为0.01～0.05％，Cr+Mn+V+Ti≤0.01％，不可避免的其他杂质元素的总量≤0.02％，且不可避免的其他杂质元素中每种元素的含量≤0.005％。

步骤二S2，炉内精炼：将步骤一制得的铝熔体转注至保温炉中，并在铝熔体中加入铝硼中间合金，利用除气介质对铝熔体进行精炼。

具体地，在铝熔体中加入铝硼中间合金并进行充分搅拌，硼B在铝熔体中的质量百分含量为0.001～0.01％，硼化处理可以降低Cr、V、Ti等杂质元素对合金导电性能的影响。接着调整铝熔体温度至740～750℃，以高纯氮气和颗粒精炼剂为除气介质对保温炉内的铝熔体进行处理，以减少铝熔体中的氢含量，处理时间为10～15分钟。经过炉内除气精炼后，铝熔体氢含量≤0.3ml/100g。随后将铝熔体的温度调整度至720～730℃，静置处理30～40分钟。

步骤三S3，在线精炼：浇铸开始后对铝熔体进行在线除气过滤。

经过炉内精炼的铝熔体要经过在线精炼进一步提高纯净度，在线精炼制程包括在线除气和过滤除杂两个部分。在本申请的实施例中，炉内精炼后的铝熔体通过在线除气设备进行除气，在线除气设备采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质，除气箱的喷嘴转速为400～500r/min，经过处理后的熔体中氢含量≤0.12ml/100g。在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板对除气处理后的铝熔体进行过滤，进一步去除铝熔体内的杂质，提升铝熔体的纯净度。在本申请的实施例中，双级过滤板孔隙率为30/50PPI。在其他实施例中，过滤板也可以替换为其他过滤装置，满足杂质处理需求即可，本申请不对此进行限定。

步骤四S4，铸造：将精炼后的铝熔体浇入轮式结晶器中进行凝固处理，形成铸坯。

具体地，本申请的实施例采用轮式结晶器进行铸坯的连续铸造，铝熔体在轮式结晶器的运转过程中可以持续形成铸坯，铸坯的截面积为2400mm

步骤五S5，轧制：将铸坯导入连轧机组进行轧制，形成铝合金杆材。

具体地，铸坯从轮式结晶器输出后，剪掉头部大约10米长度，随后通过导入装置送入连轧机组，控制入轧温度在490～510℃，轧制后得到直径大约为9.5mm的铝合金杆材。在本申请中，连轧机组为15机架三辊轧机。在其他实施例中，三辊轧机可以替换为二辊轧机，机组数量可以多于或少于15架，满足轧制需求即可，本申请不对此进行限定。通过在线水冷装置对铝合金杆材进行冷却，冷却后的铝合金杆材采用自动收线装置进行收卷。

步骤六S6，热处理：对合金杆材进行时效处理。

具体地，对合金杆材进行时效处理的加热温度为300～450℃，保温时间为30～70h。通过优化时效处理的加热温度和保温时间，可以使合金杆材中固溶的Sc、Zr元素从基体中充分析出，形成细微的弥散分布的Al

步骤七S7，拉拔：对时效后的合金杆材进行拉拔，形成耐热铝合金单线。

具体地，时效后的合金杆材在滑动式拉丝机上进行多道次连续拉拔，形成耐热铝合金单线的产品。拉拔后耐热铝合金单线的直径为2.0～4.5mm。拉拔模具采用钨钢模，拉拔速度为8～10m/s，各道次相对滑动系数为1.01～1.04。在本申请的其中一实施例中，最后道次拉拔的直径尺寸精度可以控制在＜±0.02mm，以便将耐热铝合金单线的制造精度控制在设计范围内，满足产品设计标准。

在本申请的其中一实施例中，本申请还提供一种由上述制备方法制得的耐热铝合金单线，其包括如下质量百分含量的元素组分：

铁Fe≤0.05，硅Si≤0.03％，钪Sc为0.2～0.35％，锆Zr为0.01～0.1％，钇Y为0.3～0.5％，镧La为0.01～0.05％，硼B为0.001～0.01％，Cr+Mn+V+Ti≤0.01％，其余为铝Al和不可避免的其他杂质元素；所述其他杂质元素的总量≤0.02％。其中，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005％，Y、La以铝-稀土中间合金的形式加入。

以下结合实施例对本申请的耐热铝合金单线及其制备方法的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

耐热铝合金单线的制备方法在实施例1中的步骤如下：

步骤一：向熔炼炉中加入纯度大于99.8％铝锭、铝锆合金、铝钪合金和铝稀土中间合金，加热熔化后搅拌扒渣，取样进行光谱分析，控制熔体成分在要求的范围内。

步骤二：将铝液转注至倾动式保温炉，加入铝硼中间合金后进行充分搅拌。调整熔体温度至745℃，用高纯氮气和颗粒精炼剂对炉内熔体进行除气除渣精炼，时间为15分钟，随后将铝熔体表面浮渣彻底扒净。调整温度至720℃静置40分钟。

步骤三：浇铸开始后对熔体进行在线除气和过滤处理，在线除气采用旋转喷吹除气箱，处理后熔体氢含量为0.11ml/100g。在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，双级过滤板孔隙率为30/50PPI。

步骤四：采用轮式结晶器进行连续铸造，铸坯截面积为2400mm2，铸造温度710℃、铸造速度10m/min、冷却水温度20℃、冷却水压0.37MPa。

步骤五：铸坯通过导入装置送入连轧机组，入轧温度为505℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，在线冷却后对铝合金杆材进行自动收杆。

步骤六：对合金杆材进行时效处理，加热温度400℃、保温时间70h，使固溶的Sc、Zr元素从基体中充分析出，生成细小弥散分布的Al

步骤七：在滑动式拉丝机上对时效后的合金杆材进行拉拔，拉拔后合金单丝直径为3.5mm。

经分析检测，本实施例中铝合金成分为：Fe 0.04％，Si 0.02％，Sc 0.22％，Zr0.08％，Y 0.42％，La 0.015％，B 0.007％，Cr+Mn+V+Ti 0.008％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005％，所得单丝强度为178MPa、导电率为62.17％IACS，280℃加热1小时强度残存率92％。

实施例2

耐热铝合金单线的制备方法在实施例2中的步骤如下：

步骤一：向熔炼炉中加入纯度大于99.8％铝锭、铝锆合金、铝钪合金和铝稀土中间合金，加热熔化后搅拌扒渣，对熔化后的铝液充分搅拌均匀，取样进行光谱分析，控制熔体成分在要求的范围内。

步骤二：将铝液转注至倾动式保温炉，加入铝硼中间合金后进行充分搅拌。调整熔体温度至740℃，用高纯氮气和颗粒精炼剂对炉内熔体进行除气除渣精炼，时间为15分钟，随后将铝熔体表面浮渣彻底扒净。调整温度至720℃静置40分钟。

步骤三：浇铸开始后对熔体进行在线除气和过滤处理，在线除气采用旋转喷吹除气箱，处理后熔体氢含量0.12ml/100g。在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，孔隙率为30/50PPI。

步骤四：采用轮式结晶器进行连续铸造，铸坯截面积为2400mm

步骤五：铸坯通过导入装置送入连轧机组，入轧温度为500℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，在线冷却后自动收杆。

步骤六：对合金杆材进行时效处理，加热温度430℃、保温时间60h，促使固溶的Sc、Zr元素从基体中充分析出，生成细小弥散分布的Al

步骤七：在滑动式拉丝机上对时效后的合金杆材进行拉拔，拉拔后合金单丝直径为3.5mm。

经分析检测，本实施例中铝合金成分为：Fe 0.04％，Si 0.03％，Sc 0.24％，Zr0.07％，Y 0.35％，La 0.012％，B 0.004％，Cr+Mn+V+Ti 0.01％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，不可避免的杂质元素中每种元素的含量均≤0.005％，所得单丝强度为172MPa、导电率为62.05％IACS，280℃加热1小时强度残存率91％。

对比例1

步骤一：向熔炼炉中加入纯度大于99.7％铝锭、铝锆合金和铝稀土合金，加热熔化后搅拌扒渣，取样进行光谱分析。

步骤二：将铝液转注至倾动式保温炉，开启炉底电磁搅拌装置对熔体进行充分搅拌。调整熔体温度至740℃，对炉内熔体进行喷粉精炼。

步骤三：浇铸开始后对熔体进行在线除气和过滤处理，在线除气采用旋转喷吹除气箱，以高纯氮气为除气介质；在线过滤采用双级泡沫陶瓷过滤板，双级过滤板孔隙率为30/50PPI。

步骤四：采用轮式结晶器进行连续铸造，铸坯截面积为2400mm

步骤五：铸坯从结晶轮出来后通过导入装置送入连轧机组，入轧温度为500℃，轧制后得到直径为9.5mm的铝合金杆材，在线冷却后自动收杆。

步骤六：对合金杆材进行时效处理，加热温度420℃、保温时间60h。

步骤七：在滑动式拉丝机上对时效后的合金杆材进行拉拔，拉拔后合金单丝直径为3.5mm。

经分析检测，对比例中铝合金成分为：Fe 0.15％，Si 0.05％，Zr 0.31％，Y0.28％，La 0.012％，Cr+Mn+V+Ti 0.018％，其余为Al和不可避免的其它杂质元素，所得单丝强度为181MPa、导电率为60.92％IACS，280℃加热1小时强度残存率92％。

比较实施例1、实施例2和对比例1的分析检测结果，可以证明，Sc元素的添加，有效提升了耐热铝合金单线的导电率。

本申请的耐热铝合金单线及其制备方法通过降低合金中Fe含量和Cr+Mn+V+Ti含量、添加活性稀土元素Y和La来提高合金导电率。此外，合金中的钪Sc元素在高温时效过程中可以与添加的锆Zr元素产生协同析出效应，形成细小弥散的Al

以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。