抗软化铝合金材料、抗软化铝合金导线及其制备方法

技术领域

本申请涉及铝合金领域，具体而言，涉及一种抗软化铝合金材料、抗软化铝合金导线及其制备方法。

背景技术

由于冬夏两季根据温度变化，出于降温或取暖需求，此时用电需求急剧增长，电网负荷急剧攀升，此时用电负荷峰值超过常规设计负荷，会对输电线路的安全稳定运行造成一定程度的挑战。

众所周知，输电线路的过载会造成线路实际运行温度高于设计运行温度，因此过载运行一定时间后会造成线路材料软化，危及线路安全，常规的耐热产品如Al-Zr系列耐热铝合金导线是目前线路耐高温运行常规解决方案，但其制造价格显著高于普通铝镁硅合金导线，且将Al-Zr系列耐热铝合金导线仅应用于短时高负荷线路则属于过度设计。

有鉴于此，特此提出本申请。

发明内容

本申请提供了一种抗软化铝合金材料、抗软化铝合金导线及其制备方法，其能够解决至少一个上述技术问题。

本申请的实施例是这样实现的：

在第一方面，本申请示例提供了一种抗软化铝合金材料，按质量百分比计，抗软化铝合金材料包括以下成分：

Si 0.2％-0.6％，Mg 0.3％-0.8％，Fe 0.12％-0.3％，M 0.04％-0.15％，Y0.01％-0.06％，Mn、V、Ti和Cr的总含量控制在≤0.01％，余量为Al。

其中，Fe与Si的质量比为0.2-0.8，M由La和Ce组成。

在上述实现的过程中，通过特定含量的元素M(La和Ce)、Y及Fe，使最终获得的抗软化铝合金材料的组织组成物中具有在α-Al基体内沿晶界、晶内分布的Al-Fe-Si相，以及在α-Al基体内弥散分布的Al-(M、Y)相，提高了其耐热性能，同时保证其在一定时间过载运行下具有较佳抗软化能力，提升线路运行安全性，因此，上述抗软化铝合金材料尤其适用于制作导线。

相比于Al-Zr系列耐热铝合金导线，其在普通铝镁硅合金导线的基础上不需要额外添加Zr等元素，仅适当提高M、Y及Fe含量并限定硅铁比等，因此相比于Al-Zr系列耐热铝合金导线有效降低成本，防止过度设计。并且抗软化铝合金材料通过上述Al-Fe-Si相，能够抑制铝合金在高温条件下位错攀移，阻滞再结晶的发生，提高抗软化铝合金材料的抗软化性能；复合添加的M和Y形成的不仅能够形成良好的晶粒细化效果，同时优化合金导电性，且晶界分布的Al-(M、Y)能钉扎于晶界，抑制晶界扩张，对抗热效应下的晶粒长大，强度下降，使抗软化铝合金材料形成更高效的耐热性能。上述Al-Fe-Si相以及Al-(M、Y)相配合，保证抗软化铝合金材料用于制备导线时，在短时过载时具有较佳的耐热性能以抗软化，进而能承受短时高负荷输电需求。

在第二方面，本申请示例提供了一种抗软化铝合金导线的制备方法，其包括如下步骤：

按抗软化铝合金导线的配方，获得铝液后，在铝液中加入铁源、镁源、硅源、镧源、铈源以及钇源，熔炼，获得铝合金熔体。

将铝合金熔体净化，连铸连轧，拉拔，获得铝合金单丝。

将铝合金单丝进行第一阶段热处理，绞制，形成抗软化铝合金导线。

其中，按质量百分比计，配方包括以下成分：

Si 0.2％-0.6％，Mg 0.3％-0.8％，Fe 0.12％-0.3％，M 0.04％-0.15％，Y0.01％-0.06％，Mn、V、Ti和Cr的总含量控制在≤0.01％，余量为Al。

其中，Fe与Si的质量比为0.2-0.8，M由La和Ce组成。

在上述实现的过程中，抗软化铝合金导线的制备方法生产控制简单，操作方便，可保证获得的抗软化铝合金导线的机械及电气性能满足并优于国家标准GB/T 23308-2009和欧标BS EN 50183，同时能够满足短时高负荷输电需求。

在第三方面，本申请示例提供了一种抗软化铝合金导线，其由本申请第二方面提供的制备方法制得。

在上述实现的过程中，本申请获得的抗软化铝合金导线，相比于普通铝镁硅合金导线，在不明显升高制作成本的前提下，能够保证抗软化铝合金导线在短时高负荷输电条件下也能够安全稳定运行，防止因过载造成线路材料软化，危及线路安全的问题，相比于Al-Zr系列耐热铝合金导线有效降低成本，同时避免了将Al-Zr系列耐热铝合金导线用于短时高负荷线路导致的过度设计的问题。

具体实施方式

下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

常见的国、内外工程化应用的铝合金线导线常规运行温度在80℃或90℃，国家标准GB/T 23308-2009和欧标BS EN 50183规定不同类型的铝合金导线需符合强度电阻率等机械电气性能要求，未见耐热性能要求。

因此，开发一种经济性好，能承受一定短时高负荷输电能力且机械电气性能要求满足相关的国家标准GB/T 23308-2009和欧标BS EN 50183的架空导线材料成为电网安全稳定运行的必然要求。

以下针对本申请实施例的抗软化铝合金材料、抗软化铝合金导线及其制备方法进行具体说明：

首先，本申请提供一种抗软化铝合金材料，此处的铝合金材料可根据实际的需求不仅可以加工为杆材、铝合金拉丝导线(未绞制的单丝)或绞制处理后的铝合金导线等，还可以根据需求加工为铝合金板材等，在此不做限定。

具体地，按质量百分比计，抗软化铝合金材料包括以下成分：

Si 0.2％-0.6％，Mg 0.3％-0.8％，Fe 0.12％-0.3％，M 0.04％-0.15％，Y0.01％-0.06％，Mn、V、Ti和Cr的总含量控制在≤0.01％，余量为Al。

其中，Fe与Si的质量比为0.2-0.8，具体例如述Fe与Si的质量比为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7或0.8等。

M由La和Ce组成。

具体地，按质量百分比计，M由25％-45％的La，以及55％-75％的Ce组成。

基于上述特定的组分及配比，使得抗软化铝合金材料的组织组成物为α-Al基体、在α-Al基体内晶界、晶内分布的Al-Fe-Si相，以及在α-Al基体内弥散分布的Al-(M、Y)相。其中，Al-Fe-Si相能够抑制铝合金位错的攀移，阻滞再结晶的发生，提升铝合金材料抗高温软化能力性能，对铝合金基体形成更高效的耐热性能，并钉扎于晶界，细化晶粒阻碍晶界扩张，改善铝合金抗高温软化能力。

也即是，基于上述特定的组分及配比，导致抗软化铝合金材料具有较佳的耐热性能以抗软化，因此，其尤其适用制作导线，具有能够承受一定短时高负荷输电的能力。

其次，本申请提供一种抗软化铝合金导线的制备方法，其包括如下步骤：

S1、按抗软化铝合金导线的配方，获得铝液后，在铝液中加入硅源、镁源、铁源、镧源、铈源以及钇源，熔炼，获得铝合金熔体。

其中，铝液温度为720-750℃。

获得铝液的方式可为先获得铝锭，然后将铝锭熔化所得，为了避免杂质的引入，铝锭可采用纯度不小于99.7％的铝锭。除此以外，获得铝液的方式还可以为直接采用电解铝液。

具体地，按质量百分比计，配方包括以下成分：

Si 0.2％-0.6％，Mg 0.3％-0.8％，Fe 0.12％-0.3％，M 0.04％-0.15％，Y0.01％-0.06％，Mn、V、Ti和Cr的总含量控制在≤0.01％，余量为Al。

其中，Fe与Si的质量比为0.2-0.8，M由La和Ce组成。Mn、V、Ti和Cr为不可避免的杂质。

具体地，按质量百分比计，M由25％-45％的La，以及55％-75％的Ce组成。

S2、将铝合金熔体净化，连铸连轧，拉拔，获得铝合金单丝。

可选地，净化后获得的铝合金熔体中，氢含量≤0.15ml/100gAL。通过上述限定，有效避免后续铸锭凝固时形成气孔等，同时避免因含氢导致的易断裂等问题，提高其抗拉强度以及调整其铸态时的具体组织形态。

可选地，净化的步骤包括：精炼，保温静置预设时间后搅拌，进行在线除气，然后通过过滤装置过滤。

其中，精炼可以采用吸附净化的方式，也可以采用非吸附净化的方式进行，在此不做限定。通过精炼后静置预设时间可进行沉渣，同时沉渣后搅拌，使气体充分溢出，此时进行在线除气可保证除气效果，同时避免进一步引入杂质，最后通过过滤装置过滤，进一步去除铝合金熔体中的非金属杂质，达到净化铝合金熔体的目的，上述净化操作过程可参考相关技术，在此不做具体限定。

其中，在线除气采用在线除气装置进行，其中，在线除气装置的反应室设有旋转喷嘴，旋转喷嘴的数量为一个或多个，且其可以单向旋转，也可以双向选择，同时旋转喷嘴可以由石墨制成，也可由其他材质制得，只要能够达到在线除气的目的炉外在线除气装置均可。

需注意的是，净化后的铝合金熔体中的各成分的含量应当与配方中的目标含量相同或在配方允许的误差范围内。因此，可选地，在精炼的步骤之后以及在在线除气的步骤之前进行取样，并测定铝合金熔体成分的实际含量，并与目标含量比较，若任一成分的含量与配方中的含量不同或超出了配方允许的误差范围，则返回至熔炼步骤并进行调整，直至每个成分的含量均合格，进行下一步骤。

连铸连轧的步骤中，铝合金熔体在进入铸造机结晶轮时的温度为690℃-720℃。

可选地，连铸连轧的步骤中，进轧温度为490℃-520℃。

通过上述连铸连轧，获得铝合金杆材，然后将铝合金杆材拉拔，获得铝合金单丝。其中拉拔的步骤可采用例如11道模的双头拉丝机对经处理的目标直径的铝合金杆进行拉拔，以获得铝合金单丝。

S3、将所述铝合金单丝进行第一阶段热处理，绞制，形成抗软化铝合金导线。

可选地，本申请提供的一些实施例中，第一阶段热处理包括：在140℃-160℃处理6h-9h，具体例如在140℃、145℃、150℃、155℃、157℃或160℃等的条件下处理6h、6.5h、7h、7.5h、8h、8.5h或9h等，通过上述热处理，可强化Al-(M、Y)相的析出，降低铝合金晶内畸变，提升获得的铝合金导线的机械及电气性能。

可选地，制备方法还包括在绞制的步骤之后对绞制的铝合金单丝进行第二阶段热处理，以获得所述抗软化铝合金导线，其中，所述第二阶段热处理包括：在90℃-120℃处理5h-8h。具体例如铰后单丝在90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃或120℃等的条件下处理5h、5.5h、6h、6.5h、7h、7.5h或8h等，使Al-Mg-Si相的粒径以及分布进一步均匀化，进一步提高最终的铝合金导线的机械及电气性能。

最后，本申请提供一种抗软化铝合金导线，其由上述抗软化铝合金导线的制备方法制得。

由于软化是主要指铝合金导线在高温条件下因高温导致其软化，因此在本申请中以绞制后的铝合金单丝在高温条件下长期处理后其强度损失率作为抗软化评价指标。

具体地，绞制后的铝合金单丝在125℃加热100h的强度损失率＜5％。

以下结合实施例对本申请的抗软化铝合金材料、抗软化铝合金导线及其制备方法作进一步的详细描述。

实施例1-8

实施例1-8分别提供一种抗软化铝合金导线，其均由以下制备方法制得：

(1)按照表1中实施例1-8对应的配方配取原料：作为硅源、镁源、铁源、镧源、铈源以及钇源的中间合金，以及纯度为99.7％的铝锭。

(2)在保温炉内将纯度为99.7％的铝锭进行熔炼，然后精准投入其余原料进行熔炼。

(3)在保温炉中采用喷粉精炼剂进行除渣、除气，进行炉内净化，对保温炉中的铝合金液的采样，并保证各元素含量符合表1中的配比后，在保温炉中铝合金液静置30min。然后在保温炉中对铝合金液采用电磁搅拌，再次除气，在线测量氢含量≤0.15ml/100gAL。接着在流槽中采用30目泡沫陶瓷过滤板过滤，去除非金属杂质。

(4)将步骤(3)制得的铝合金液进入连铸连轧生产线，铝合金液经流槽流至钢包浇包口进行自动浇铸，下浇包温度控制在(也即是进入铸造机时的温度)700℃，获得铸锭，然后在铸锭降温至约520℃时送入连轧机轧制，获得杆材。

(5)采用11道模的双头拉丝机对步骤(4)获得的杆材进行拉拔，形成如表3所示的各规格的单丝，然后在箱式时效炉中对实施例1-6获得的单丝进行如表2所示的第一阶段热处理工艺，绞线后进行如表2所示的第二阶段热处理工艺，形成铝合金导线。

其中，表1中以四小元素指代Mn、V、Ti和Cr的总含量。

表1实施例1-8的具体配方

表2实施例1-8的热处理工艺

对实施例1-8获得的杆材以及绞制后经第二阶段热处理后的铝合金单丝(简称为绞后单丝)，按照GB/T 23308-2009进行电阻率及抗拉强度的测试，以绞后单丝在125℃加热100h的强度损失率来表征其抗软化性能。

结果如表3所示：

表3测定结果

根据表3，可以看出，本申请实施例1-8制得的绞后单丝在125℃加热100h的强度损失率均＜5％，因此能够保证抗软化铝合金导线在短时高负荷输电条件下也能够安全稳定运行，防止因过载造成线路材料软化，危及线路安全的问题。并且绞后单丝电阻率及抗拉强度均符合且优于国家标准GB/T 23308-2009和欧标BS EN 50183要求的性能。

其中，实施例8与实施例1的区别仅在于其没有进行第二阶段热处理，可以看出，其制得的绞后单丝在125℃加热100h的强度损失率均＜5％，依然符合且优于国家标准GB/T23308-2009和欧标BS EN 50183要求的性能。

对比例1-10

对比例1-10分别提供一种抗软化铝合金导线，对比例1-10与实施例1相比整体制备方法相似，不同之处主要在于如表4所示的具体配方以及如表5所示的热处理工艺。其中，表4中以四小元素指代Mn、V、Ti和Cr的总含量。

表4对比例1-10的具体配方

表5对比例1-10的热处理工艺

将对比例1-10获得的杆材以及绞制后经第二阶段热处理后的铝合金单丝(简称为绞后单丝)，按照GB/T 23308-2009进行电阻率及抗拉强度的测试，以绞后单丝在125℃加热100h的强度损失率来表征其高温抗软化性能。

结果如表6所示：

表6测定结果

其中，根据表4和表5，对比例1-2与本申请抗软化铝合金的主要区别在于其铁含量低于本申请最低含量，基于含铁量不足，导致对比例1-2获得的绞后单丝在125℃加热100h的强度损失率＞6％。

对比例3与本申请抗软化铝合金的主要区别在于其铁含量高于本申请限定的最高含量，基于含铁量过多，不仅导致对比例3获得的绞后单丝在125℃加热100h的强度损失率＞6％，同时导致其电阻率显著升高并超过国家标准GB/T 23308-2009和欧标BS EN 50183要求的最大电阻率。

对比例4以及对比例5与本申请的区别主要均在于La和Ce总添加量超出了本申请的范围，同时杂质含量超出了本申请控制的范围，获得的绞后单丝在125℃加热100h的强度损失率＞5％，且电阻率高于本申请的电阻率。

对比例6和对比例7与本申请抗软化铝合金的主要区别均在于热处理工艺不同，获得的绞后单丝的抗拉强度不符合国家标准GB/T 23308-2009和欧标BS EN 50183的要求。

对比例8以及对比例9与本申请抗软化铝合金的主要区别在于铁硅含量及质量比，其中对比例8的Fe与所述Si的质量比小于本申请限定的范围，获得的绞后单丝在125℃加热100h的强度损失率＞5％。对比例9中的Fe与所述Si的质量比大于本申请限定的范围，其电阻率为34.763nΩ·m，远远超出了GB/T 23308-2009和欧标BS EN 50183的要求。

对比例10相比于实施例1，其主要区别在于La和Ce的总添加量与本申请中的不同，其中，对比例10中La和Ce的总添加量小于本申请最低下限，获得的绞后单丝在125℃加热100h的强度损失率＞5％。

综上，本申请实施例提供的抗软化铝合金材料基于特定的组分及配比，导致其具有较佳的耐热性能以及抗软化性能，因此其尤其适用于制作导线。本申请提供的抗软化铝合金导线的制备方法简单可控，获得的抗软化铝合金导线的电气性能以及机械性能不仅符合国家标准GB/T 23308-2009和欧标BS EN 50183的要求，同时具有较佳的耐热性能以及抗软化性能，能承受短时高负荷输电。

以上仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。