[发明专利]一种高强高导铝合金导线及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铝合金导线的制造技术，具体是一种用于制造输电电缆的具有高强度、高导电率的导线及其制备方法。

背景技术

铜是输电电缆常用材质，但国际国内铜资源都极为短缺。铝也是导电金属材料，只是纯铝的导电能力仅为铜的64%。但是，铝资源十分丰富，价格便宜（当前价格约为铜的1/3，甚至更低），比重是铜的30%左右，综合比较铝电缆有非常突出的优越性。正因为如此，国际上铝电缆使用率很高，法国的电线电缆80%以上为铝导体，日本的铝导线也占50%以上。国际上早在上世纪50年代就开始生产应用铝导线，形成了一系列标准导电铝合金，如美国的1035、8030、8016、5005铝合金，联邦德国的SOOSA铝合金等等。

近年来，随着科技的进步和制造技术的发展，我国铝合金导线的应用比例在不断的增加。为保证铝导线的电阻满足国家标准GB/T 1179-83（2.8264×10-8Ω·m）的前提下，采用微合金化提高铝导线的强度和延伸率。这类发明专利已有数十个。另外，国内铝杆加工企业早在20多年前就在电工圆铝杆中添加稀土元素，用来除气、除杂、细化晶粒、提高铝导线的导电率和耐蚀性。在电工圆铝杆的国家标准GB/T3954-2001中有确定的稀土电工圆铝杆的系列型号。目前，所有国内外的铝合金导线都是通过微合金化方法，在导电率降低不多的情况下，尽可能地提高强度，提高耐高温性能，对于组织结构对铝合金导线性能影响很少提及。分析我国铝合金导线电缆的应用量不到1%。主要原因还是铝导线制造技术的不成熟，不能满足用户对性能的要求。其中最突出的是解决强度、延伸率与导电性的矛盾。

材料强化的诸多方法大多是以牺牲导电性来换取的，如细晶强化，晶界多了电子传输就困难；固溶强化，晶格畸变，电子传输变得困难；第二相强化，化合物阻挡电子传输；变形强化，强烈的晶格畸变，电阻急剧升高。目前铝导线的研究集中在这些强化方法的选择上，致力于寻求强度提高和导电性下降的恰当配合。各种文章、专利都是探索合金化方法，忽略了从组织结构着手来提高铝导线性能，尤其是忽略了织构的利用。当铝导线形成织构后，原来的晶粒从紊乱的取向转变到沿形变方向一致排列，电子传输通畅，导电性大大提高；同时，高度织构也使得铝导线沿长度方向的强度得以提高。

铝尽管合金导线是微合金化，合金含量很少，但组织结构的变化还是存在的。尤其是从铸造后的铝棒到轧制成圆铝杆再到拉拔成细线，铝合金要经历巨大的塑性变形过程。如果通过控制成分和加工工艺，获得丝织构，那么不仅导线的导电性提高，强度也同样会提高。形成丝织构对铝合金导线来说是非常有利的组织形态。怎样才能获得满意的织构度和织构取向是需要通过恰当的成分设计和变形工艺控制。

对于铝合金这样的面心立方晶体的金属，常温下塑性变形，由于滑移方向多，滑移变形容易，所以拉拔变形中不如钢铁那样易于获得丝织构。要想获得高度丝织构，必须采取特殊的变形方式。在液氮附近温度下快速变形，铝合金的滑移受到抑制，只能以切变变形方式进行塑性变形。此时，超低温快速变形大大促进铝合金形成高度丝织构。同时，切变还有助于消除之前滑移变形导致的严重晶格畸变，使后续热处理更加容易。

为了获得高度丝织构，合金成分需要恰当设计。铝合金中加入铁、锆、釔、钪等元素时，易于在合金中形成Al₃Me型共格化合物质点。这些小质点在材料塑性变形时有利于晶粒转动到一致的取向形成织构。Al₃Me型共格化合物质点数量要恰当，少了起不到促进形成织构的作用，多了会阻碍织构的形成，因此需要通过大量试验来确定添加的合金量范围。另外，不同的金属元素所形成的Al₃Me型共格化合物质点的贡献、效果也不尽相同。Al₃Me型共格化合物质点在合金中不仅有利于织构形成，对提高材料强度，耐高温性能也非常明显，同时对导电性影响较小。

为了获得高度丝织构，除超低温快速变形外，前面的制备工艺也需要恰当配合。铝合金塑性变形工艺对形成织构影响很大，变形温度、载荷类型、润滑状态、模具设计等都影响织构的形成和取向差别。连铸连轧过程中，变形温度对形成织构影响较大，再结晶温度以下变形有利于织构形成；拉拔过程中，模具设计的恰当，润滑充分，则摩擦力作用较小，在挤压与拉伸复合作用下，有利形成织构，取向多为铜织构、黄铜织构和立方织构。

变形后退火处理有利于降低强度、应力、恢复塑性、提高导电性。同时，由于原子活动能力增加，变形时形成的织构也进一步趋于一致，一些高指数取向将向低指数取向转变。

发明内容