《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》是上海交通大學，上海中天鋁線有限公司於2012年06月11日申請的發明專利，該專利的公布號為：CN102758107A，專利公布日：2012年10月31日，該專利申請號為2012101897636，發明人是高海燕，張永志，尤偉任，繆小林，顧孫望，王俊，孫寶德，蒯淵。
《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》公開一種高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法，該導線由下列重量百分比的元素組成：鋯Zr為0.15~0.60%，鑭La為0.03~0.30%，鈰Ce為0.03~0.30%，釔Y為0.01~0.30%，鐵Fe為0.05~0.20%，矽Si為0.01~0.10%，其他雜質元素含量≤0.10%，其餘為鋁。方法為：配製原材料放入熔煉爐中、升溫除氣熔煉、造渣、除渣、連鑄連軋成耐熱鋁合金桿材、熱處理、拉絲機拉製成耐熱鋁合金單線。《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》耐熱鋁合金導線的抗拉強度達到160兆帕，導電率可達到61%IACS以上，長期運行溫度可達到180℃，且經得起280℃下加熱1小時考核運行，強度殘存率大於90%。
2020年7月14日，《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》獲得第二十一屆中國專利優秀獎。
基本介紹
- 中文名：高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法
- 公布號：CN102758107A
- 地址：上海市閔行區東川路800號
- 公布日：2012年10月31日
- 發明人：高海燕，張永志，尤偉任，繆小林，顧孫望，王俊，孫寶德，蒯淵
- 申請號：2012101897636
- Int. Cl.：C22C21/00(2006.01)I; H01B13/00(2006.01)I
- 申請日：2012年06月11日
- 專利代理機構：上海漢聲智慧財產權代理有限公司
- 申請人：上海交通大學；上海中天鋁線有限公司
- 代理人：郭國中
- 專利類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著中國國民經濟的高速發展，輸電線路向高壓化、遠距離化和大容量化方向發展。而2012年中國城鄉供電輸變線路上所使用的耐熱導線，一般由普通的耐熱鋁合金單線和普通鍍鋅鋼絲絞合而成。這種普通耐熱導線，一般長期運行溫度不超過150℃，較普通導線只能提高載流量1.6倍，提高容量不大，且電導率在60%IACS以下，導電率低，線損較大。若想要增加輸電容量而運行溫度不變，必須新增輸電線路或者加大導線截面積，這兩種措施都會遇到增加投資，費用高昂，改造鐵塔和擴大架線占用寶貴的土地資源等諸多困擾。而作為加強元件的普通鍍鋅鋼絲，預熱後線膨脹係數大，輸送電容量增加後，導線溫度升高，弧垂增加，影響線路的安全運行。根據中國“西電東送”、“全國聯網”的戰略部署，遠距離、大容量輸電線路的建設勢在必行，同時也對輸電導線提出了更高的要求。如劉真雲，馬立群，丁毅，在《電線電纜》（2008，（3）：25~27）發表的“新型耐熱鋁合金架空導線的發展和套用”，該文中提及了耐熱鋁合金架空導線的發展以及存在的急需要解決的問題。
經檢索，公開號為102134668A的中國發明專利，該發明涉及一種高強高導耐熱鋁合金線材及其製備方法，其中：“該線材由下列百分比的原料製成：鋁Al98.5-99.6%、鑭La0.1-0.4%、鈰Ce0.1-0.4%、鈧Sc0.1-0.4%、鐵Fe0.01-0.2%、矽Si0.01-0.1%，鈦Ti、釩V、錳Mn和鉻Cr和其它雜質元素之和<0.01%。”該線材的製備方法“包括以下操作步驟：按配方稱取原料放入中頻熔煉爐、升溫除氣熔煉、除渣靜置、連鑄連軋成鋁合金桿、拉絲機拉製成鋁合金單線、時效熱處理，其特徵在於：在溫度780-800℃的普通熔煉條件下：鑭La、鈰Ce、鈧Sc在添加時，採用定製的鑭-鋁、鈰-鋁、鈧-鋁中間合金，鑭-鋁中間合金中鑭的含量為19.51%，鈰-鋁中間合金中鈰的含量為20.01%，鈧-鋁中間合金中鈧的含量為20.11%；所述的時效熱處理溫度為200-240℃、時間為3-5h；所述拉絲機上拉製成鋁合金單線時，控制潤滑溫度不高於90℃。”該發明鋁合金導線抗拉強度達到255Mpa以上，導電率可達到60.0%IACS以上，耐熱性能長期運行達到180℃以上。該發明技術的缺點在於：添加元素Sc的價格過於昂貴，很難在工業上進行大規模的套用。
檢索中還發現，公開號為101740157A的中國發明專利，該發明提供了“一種鋁合金導線及其製造方法，鋁合金導線中各成分的重量百分組成為：鋁99.2%-99.6%；鋯0.03%-0.5%；釔0.01%-0.1%；其它0.2%-0.3%。該鋁合金導線由鋁錠熔化後加入微量的鋯和釔一起熔煉成鋁合金液，再經澆鑄與結晶、軋制、拉絲等步驟製造而成。《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》通過嚴格控制鋁錠的雜質含量和合金化添加元素的含量，並通過加入硼合金細化晶粒，保證結晶狀態良好，通過採用自動化控溫的傾動式保溫爐保證鋁液可以傾倒乾淨，使得製造出來的鋁合金導線具有高導電性和耐熱性，滿足了行業對鋁合金導線的性能要求，尤其適於製作成高導電性耐熱電纜。”該發明技術的缺點在於：添加硼合金與鋁合金導線中的鋯起反應，不但起不到應有的晶粒細化效果，而且降低了合金的耐熱性。
2012年中國鋁導線在保持高強度和耐熱性的情況下，一般無法將導電率提高到61%IACS以上。
發明內容
專利目的
《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》為了解決技術中的不足，提供一種高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法。該耐熱鋁合金導線的抗拉強度達到160兆帕，導電率可達到61%IACS以上，長期運行溫度可達到180℃，且經得起280℃下加熱1小時考核運行，強度殘存率大於90%。
技術方案
為了解決上述技術問題，《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》採用下述技術方案：
《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》所述的高強高導耐熱鋁合金導線，該導線由下列重量百分比的元素組成：鋯Zr為0.15~0.60%，鑭La為0.03~0.30%，鈰Ce為0.03~0.30%，釔Y為0.01~0.30%，鐵Fe為0.05~0.20%，矽Si為0.01~0.10%，其他雜質元素含量≤0.10%，其餘為鋁。
進一步的，《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》該導線優選由下列重量百分比的元素組成：鋯Zr為0.15~0.60%，鑭La為0.03~0.20%，鈰Ce為0.03~0.20%，釔Y為0.01~0.25%，鐵Fe為0.05~0.20%，矽Si為0.01~0.10%，鈦Ti、釩V、錳Mn、鉻Cr等雜質元素含量≤0.10%，其餘為鋁。
所述雜質元素一般包括鈦Ti、釩V、錳Mn、鉻Cr等一種或者幾種。
《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》鋁合金導線的成分中鋯在熱處理過程中析出Al3Zr金屬間化合物，有效地增強了鋁合金的強度和耐熱性，稀土元素主要用於淨化晶粒，提高材料的導電率，釔用於提高鋁合金的導電率。《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》中的所添加的鋯、稀土和釔合金價格均比較便宜，適合在工業中大規模套用。此外，《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》導線成分中所添加的元素之間並不相互作用和反應，多種元素協同作用，通過調節鋁鋯、稀土和鋁釔中間合金含量，使鋁合金的耐熱性和導電率均明顯提高。
《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》所述的高強高導耐熱鋁合金導線的製備方法，該方法流程：配製原材料放入熔煉爐中、升溫除氣熔煉、造渣、除渣、連鑄連軋成耐熱鋁合金桿材、熱處理、拉絲機拉製成耐熱鋁合金單線。
《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》上述製備方法由以下步驟構成：
第一，將純度大於或者等於99.7%的鋁錠放在熔爐中熔化，鋁液溫度為720~750℃；
第二，在鋁熔體中加入鋁鋯、鋁稀土和鋁釔中間合金，鋁鋯中間合金中鋯的成分為5%，鋁稀土中間合金中稀土成分為10%，鋁釔中間合金中釔成分為11%，使合金成分達到預設成分；
第三，充分攪拌、精煉除氣、除渣靜置，在750℃~800℃進入連鑄連軋生產線，鑄成鋁合金鑄條；
第四，將鋁合金鑄條在軋機上熱軋，進軋溫度為500~530℃，通過鋁連鑄連軋生產線生產成耐熱鋁合金桿材。
第五，對鋁合金桿材進行熱處理，熱處理溫度為380~500℃，時間為30~50小時。將經過熱處理的鋁合金桿材，進行拉絲、絞線生產成高強高導耐熱鋁合金導線。
《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》的製備方法中在拉絲前對鋁合金桿材進行熱處理，有利於固溶於鋁中的鋯析出形成Al3Zr金屬間化合物，在導線的使用溫度下十分穩定，可釘扎晶界和位錯，阻礙晶界和位錯的移動，提高鋁導線的抗拉強度和耐熱性。與固溶於鋁中的鋯對鋁合金的導電率危害作用相比，Al3Zr金屬間化合物對鋁合金的導電率影響微弱，因此熱處理也有效地提高了鋁合金導線的導電率。
有益效果
採用上述技術方案後，《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》的有益效果為：
1、《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》所提供的高導電耐熱鋁合金導線同時具有高強度、高導電率和高耐熱性，運行線損能耗低，耐熱鋁導線的抗拉強度大於160兆帕，導電率大於61%IACS，短期耐熱性280℃加熱1小時後單線的強度殘存率高於90%，能在180℃下長期運行，載流量明顯提高，有效增加導線輸電能力。《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》所提供的鋁合金導線與的導電率為60%的耐熱鋁合金線相比，在保持了高強度和高耐熱性的情況下，將導線的導電率提高到61%IACS以上，明顯降低了線損能耗，有利於節能減排。
2、《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》鋁合金導線的成分中鋯在熱處理過程中析出Al3Zr金屬間化合物，可釘軋位錯和晶界，阻礙位錯和晶界的移動，有效地增強了鋁合金的強度和耐熱性，稀土元素主要用於淨化晶粒，提高材料的導電率，釔用於提高鋁合金的導電率，通過調節鋁鋯、鋁鐵和鋁釔中間合金含量，使鋁合金導電率大於61%。
3、使用《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》製造的耐熱導線進行電網改造時，不需加大桿塔強度和高度，不需改造基礎設施，可大幅度降低線路改造費用。
技術領域
《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》屬於鋁合金導線製造技術領域，具體為一種架空供電輸變線路上所使用的高強度、高導電和耐熱鋁合金導線及其製造方法。
權利要求
1.一種高強高導耐熱鋁合金導線，其特徵在於該導線由下列重量百分比的元素組成：鋯Zr為0.15～0.60％，鑭La為0.03～0.30％，鈰Ce為0.03～0.30％，釔Y為0.01～0.30％，鐵Fe為0.05～0.20％，矽Si為0.01～0.10％，其他雜質元素含量≤0.10％，其餘為鋁。
2.根據權利要求1所述的高強高導耐熱鋁合金導線，其特徵在於：該導線由下列重量百分比的元素組成：鋯Zr為0.15～0.60％，鑭La為0.03～0.20％，鈰Ce為0.03～0.20％，釔Y為0.01～0.25％，鐵Fe為0.05～0.20％，矽Si為0.01～0.10％，其他雜質元素含量≤0.10％，其餘為鋁。
3.一種權利要求1-2任一項所述的高強高導耐熱鋁合金導線的製備方法，其特徵在於：所述製備方法由以下步驟構成：第一，將純度大於或者等於99.7％的鋁錠放在熔爐中熔化，鋁液溫度為720～750℃；第二，在鋁熔體中加入鋁鋯、鋁稀土和鋁釔中間合金，鋁鋯中間合金中鋯的成分為5％，鋁稀土中間合金中稀土成分為10％，鋁釔中間合金中釔成分為11％，使合金成分達到預設成分；第三，充分攪拌、精煉除氣、除渣靜置，在750℃～800℃進入連鑄連軋生產線，鑄成鋁合金鑄條；第四，將鋁合金鑄條在軋機上熱軋，進軋溫度為500～530℃，通過鋁連鑄連軋生產線生產成耐熱鋁合金桿材；第五，對鋁合金桿材進行熱處理，熱處理溫度為380～500℃，將經過熱處理的鋁合金桿材，進行拉絲、絞線生產成高強高導耐熱鋁合金導線。
4.一種權利要求3所述的高強高導耐熱鋁合金導線的製備方法，其特徵在於：所述熱處理時間為30～50小時。
實施方式
以下結合實施例對《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》的技術方案作進一步的解釋，但是以下的內容不用於限定《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》的保護範圍。
- 實施例1
該導線由下列重量百分比的元素組成：鋯Zr0.15%，鑭La0.03%，鈰Ce0.03%，釔Y0.30%，鐵Fe為0.05~0.20%，矽Si為0.01~0.10%，其他雜質元素含量≤0.10%，其餘為鋁。鐵、矽製備過程中不用特別加入，而是本來就存在於鋁中的，其他實施例同。
選擇Al99.7%工業純鋁置於熔煉爐中熔化成鋁液，將鋁液升溫至720~730℃，按配方鋯Zr0.15%，鑭La0.03%，鈰Ce0.03%，釔Y0.30%分別稱取中間合金放入鋁液中；待中間合金熔化後放入除氣劑除氣，並使用石墨棒緩慢充分攪拌；除氣除渣，得到鋁合金液體，在750℃讓鋁合金液體進入鋁桿連鑄連軋機理進行鑄坯，鑄坯溫度為500~530℃，得到Φ10毫米的鋁桿；在熱處理爐內進行熱處理，溫度為380℃，時間為50小時；冷卻後在鋁合金拉絲機上拉絲，經12道拉絲得直徑為Φ4毫米鋁線；絞合成高強高導耐熱鋁合金導線。經測試其強度165兆帕，導電率為61.4%，短期280℃加熱1小時強度殘存率為94.3%。
- 實施例2
該導線由下列重量百分比的元素組成：Zr0.18%，鑭La0.03%，鈰Ce0.03%，釔Y0.25%，鐵Fe為0.05~0.20%，矽Si為0.01~0.10%，其他雜質元素含量≤0.10%，其餘為鋁。
選擇Al99.7%工業純鋁置於熔煉爐中熔化成鋁液，將鋁液升溫至720~730℃，按配方鋯Zr0.18%，鑭La0.03%，鈰Ce0.03%，釔Y0.25%分別稱取中間合金放入鋁液中；其他實施條件與實施例1相同，經測試其強度173兆帕，導電率為61.8%，短期280℃加熱1小時強度殘存率為95.2%。
- 實施例3
該導線由下列重量百分比的元素組成：Zr0.18%，鋯Zr0.60%，鑭La0.30%，鈰Ce0.30%，釔Y0.01%，鐵Fe為0.05~0.20%，矽Si為0.01~0.10%，其他雜質元素含量≤0.10%，其餘為鋁。
選擇Al99.7%工業純鋁置於熔煉爐中熔化成鋁液，將鋁液升溫至720~730℃，按配方鋯Zr0.60%，鑭La0.30%，鈰Ce0.30%，釔Y0.01%分別稱取中間合金放入鋁熔體中；待中間合金熔化後放入除氣劑除氣，並使用石墨棒緩慢充分攪拌；除氣除渣，得到鋁合金液體，在800℃讓鋁合金液體進入鋁桿連鑄連軋機理進行鑄坯，鑄坯溫度為510~530℃，得到Φ10毫米的鋁桿；在熱處理爐內進行熱處理，溫度為500℃，時間為30小時；冷卻後在鋁合金拉絲機上拉絲，經12道拉絲得直徑為Φ4毫米鋁線；絞合成高強高導耐熱鋁合金導線。經測試其強度175兆帕，導電率為61.1%，短期280℃加熱1小時強度殘存率為94.1%。
- 實施例4
該導線由下列重量百分比的元素組成：鋯Zr0.60%，鑭La0.20%，鈰Ce0.20%，釔Y0.01%，鐵Fe為0.05~0.20%，矽Si為0.01~0.10%，其他雜質元素含量≤0.10%，其餘為鋁。
選擇Al99.7%工業純鋁置於熔煉爐中熔化成鋁液，將鋁液升溫至720~730℃，按配方鋯Zr0.60%，鑭La0.20%，鈰Ce0.20%，釔Y0.01%分別稱取中間合金放入鋁熔體中；其他實施條件與實施例3相同。
經測試其強度189兆帕，導電率為61.3%，短期280℃加熱1小時強度殘存率為95.6%。
- 實施例5
該導線由下列重量百分比的元素組成：鋯Zr0.20%，鑭La0.20%，鈰Ce0.20%，釔Y0.25%，鐵Fe為0.05~0.20%，矽Si為0.01~0.10%，其他雜質元素含量≤0.10%，其餘為鋁。
選擇Al99.7%工業純鋁置於熔煉爐中熔化成鋁液，將鋁液升溫至720~730℃，按配方鋯Zr0.20%，鑭La0.20%，鈰Ce0.20%，釔Y0.25%分別稱取中間合金放入鋁熔體中；待中間合金熔化後放入除氣劑除氣，並使用石墨棒緩慢充分攪拌；除氣除渣，得到鋁合金液體，在760℃讓鋁合金液體進入鋁桿連鑄連軋機理進行鑄坯，鑄坯溫度為500~530℃，得到Φ10毫米的鋁桿；在熱處理爐內進行熱處理，溫度為400℃，時間為40小時；冷卻後在鋁合金拉絲機上拉絲，經12道拉絲得直徑為Φ4毫米鋁線；絞合成高強高導耐熱鋁合金導線。經測試其強度163兆帕，導電率為61.3%，短期280℃加熱1小時強度殘存率為91.8%。
以上僅僅是對《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》的較佳實施例進行的詳細說明，但是《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》並不限於以上實施例。應該理解的是，在不脫離本申請的權利要求的精神和範圍情況下，該領域的技術人員做出的各種修改，仍屬於《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》的範圍。
榮譽表彰
2020年7月14日，《高強高導耐熱鋁合金導線及其製備方法》獲得第二十一屆中國專利優秀獎。
