铝合金材料及铝合金电缆

铝合金材料及铝合金电缆

技术领域

本发明涉及电缆技术领域，尤其是涉及一种电缆导体用的铝合金材料。

背景技术

铝合金，是以铝为基体元素，然后加入一种或多种合金元素组成的合金。铝合金的 密度低，但强度比较高，而且具有优良的导电性、导热性和抗蚀性等，使得铝合金材料在电 力行业得到了较为广泛的应用。

电力行业中的电缆是用来输送和分配电能的资源，其基本结构通常由导体、绝缘 层、屏蔽层和保护层四部分组成，其中导体是电缆中的导电部分，用来输送电能，是电缆的 主要组成部分。

目前我国公共场所和高层建筑所用的电缆基本使用铜作为电缆的导体(缆芯)，铜 导体导电性能好，但价格较贵。而且铜的密度大，弯曲性能不佳，所以导体不容易连接，无法 满足电气系统的发展需要。因此自2006年铝合金芯电缆在我国推广应用以来，也得到了广 大电力工程应用商的肯定与好评。目前铝合金导体电缆已开始应用于机场、军事基地、钢铁 石化、商业娱乐、高速公路、办公大楼、住宅、酒店、超市、院校、体育场、医院、工厂厂房等建 设工程。铝合金芯电缆是在原有金属导体铝中添加铜、铁、硅和稀土等多种元素，采用特殊 紧压工艺和退火处理等先进技术得到的一种电缆。铝合金电缆弥补了以往纯铝电缆的不 足，提高了电缆的导电性能、弯曲性能、抗蠕变性能和耐腐蚀性能等，能够保证电缆在长时 间过载和过热时保持连续性能稳定。

但是在国家电网“西电东送、南北互供、全国联网”形势下，输电线路的高压化、远 距离化和大容量化对输电线路中使用的电缆的耐热性和强度的要求越来越高。现有技术的 高压电缆中虽用铝合金代替铜或铝导体作为电缆到底，虽然解决了电缆中的不少问题，但 是也有不少问题出现，比如高强度和耐热性好的铝合金导线通常都无法同时具有较高的导 电率。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高强度、耐热耐腐蚀，机械性 能好，寿命更长久的高导电率的铝合金材料，以及采用该铝合金材料制成的铝合金电缆，以 解决在输电线路的高压化、远距离化和大容量化的输电线路中既要时铝合金导线综合性能 更优，又要高导电性的技术问题。

为了解决上述技术问题，第一方面，本发明提供了一种铝合金材料，该铝合金材料 包括下列组分：Zn、Mg、Cu、Ti、Sc、Mo、Cr、Ce、Er、Al、Si和不可避免的杂质。

进一步，所述的铝合金材料，其成分包括(wt％)：Zn:0.01-0.1、Mg:0.02-0.1、Cu: 0.2-0.8、Ti:0.1-0.5、Sc:0.03-0.2、Mo:0.01-0.6、Cr:0.09-0.5、Ce:0.08-0.4、Er:0.001- 0.05、Si:0.01-0.09，余量为Al和不可避免的杂质,其中Mg和Si的质量比为1.4-1.67:1；其 中Ti的质量比为Cr1.08-1.11:1。

进一步，所述的铝合金材料，其成分包括(wt％)：Zn:0.08-0.1、Mg:0.05-0.07、Cu: 0.33-0.49、Ti:0.2-0.4、Sc:0.046-0.11、Mo:0.026-0.41、Cr:0.18-0.37、Ce:0.11-0.24、 Er:0.017-0.032、Si:0.03-0.05，余量为Al和不可避免的杂质，其中Mg和Si的质量比为1.4- 1.67:1；其中Ti的质量比为Cr1.08-1.11:1。

优选地，所述的铝合金材料，其成分包括(wt％)：Zn:0.09、Mg:0.06、Cu:0.41、Ti: 0.003、Sc:0.078、Mo:0.166、Cr:0.275、Ce:0.175、Er:0.025、Si:0.04，余量为Al和不可避免 的杂质。

进一步，所述的杂质总量≤0.1wt％。

本发明还提供了一种铝合金电缆，所述的铝合金电缆由导体、绝缘层、屏蔽层和保 护层组成，导体的外部由内向外依次设有绝缘层、屏蔽层和保护层，其中导体为上述方案中 所述成分及配比的铝合金材料制备的，其中制备方法包括以下步骤：

①将工业铝锭完全融化再按质量比加入铜、镁、锌待完全熔化后，并保温在750- 800℃，然后向熔体中加入硅、钛待完全熔化后将合金熔液温度降低至500-600℃，然后向熔 体中再加入钪、钼、铬、铈、铒，进行保温1-2h，搅拌扒渣，加入熔体质量0.5-1.5％的精炼剂 进行初步精炼，精炼时间10-15min，然后升高熔体温度至700-720℃再混合气体进行深度精 炼，精炼时间为18-40min，并且保温至720℃，对熔体进行精炼后，排气，再浇铸，得铸锭；所 述浇铸温度为740-750℃，混合气体是将氮气、二氧化碳、氩气按照体积比7:2:1的比例混合 制成的；所述精炼剂由以下重量份数的组分组成：5-10份氯化钠、6-11份氯化钾、1-3份氯化 镁、0.5-2份石墨烯、1-3份碳酸钾。

②将铸锭进行切割铣面，在510-560℃进行3小时的固溶处理，再将铸条导入轧机， 导入轧机温度450-550℃，再挤压成条，最后冷水淬火处理,获得铝合金导体材料；

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的高导电铝合金材料中以铝为基体，添加了适量的多种元素，大大地提 高了其导电性能和连接性能。采用本发明的技术方案提供的铝合金材料的综合性能得到了 有效提升，由该材料制备得到的电缆导体具有较好的抗拉强度、伸长率、导电率，经测定，本 发明铝合金材料制备的电缆导体的抗拉强度≥160MPa，伸长率≥10％、导电率≥60％IACS、 260℃退火1h后的强度残存率≥87％。

2、本发明中的稀土元素Ti，Cr为典型的弥散相元素，在合金中抑制合金的再结晶 和晶粒长大，同时可以除去杂质或使杂质转化成电化学活性与铝相近的化合物Mg₂Si，减小 晶界与晶内的电极电位差，使腐蚀变得均匀，从而提高合金的抗腐蚀性能，但是在合金Ti和 Cr的质量比对合金抗腐蚀性能有着显著的影响，当Ti和Cr的质量比较低和较高时，合金的 抗腐蚀性能均显著下降，当Ti和Cr的质量比较低时，合金体系中的杂质不能有效的去除或 者转化为Mg₂Si，因此造成合金中导电物质增多，当导电电流过大是，铝合金表面的氧化膜 迅速被腐蚀溶解，使得合金抗腐蚀能力降低，而当Ti和Cr的质量比较高时，增大了晶界与晶 内的电极电位差，腐蚀不均匀，反而也使得合金的抗腐蚀性能降低；当Ti和Cr的质量比范围 在Cr1.08-1.11:1区间时，合金抗腐蚀能力最高，因此，Ti的质量百分比含量选为0.1- 0.5wt％，优选为0.2-0.4wt％；Cr的质量百分比含量选为0.09-0.5wt％，优选为0.18- 0.37wt％，且Ti和Cr的质量比为1.08-1.11:1。同时还加入Er，Sc等稀土元素同时能够有效 清除有害杂质的影响，同时增强铝合金材料细化铝合金晶粒，削弱杂质的有害作用，提高电 流效率，改善溶解均匀性，进一步提升了该铝合金材料用于电缆时的综合性能。

3、本发明的铝合金中还添加的Ce元素，在铝合金制备过程中，Ce与合金中的Al发 生共晶反应，进而细化初生α－Al相晶粒，不仅Ce使得α－Al相晶粒变得细小圆整，还能细化 由Si和体系中的Al生成共晶硅，使得合金组织进一步均匀，产生了高强度的抗蠕变力学性 能，在电流过载时铁发挥持续的连接作用，使铝合金导体不会发生蠕变还能够改善合金的 抗拉强度、伸长率等性能。

4、本发明合金体系中还含有Si元素，和体系中的Mg生成形态优良、均匀分布的 Mg₂Si的强化相，并且生成的具有电化学活性的Mg₂Si与Al生成较稳定的Al-Mg-Si体系，能够 提高合金的强度，消除杂质对合金不利的影响，提升合金的综合性能。但是在合金Mg和Si的 质量比对合金强度有着显著的影响，镁质量过大或过小,都会改变Mg₂Si相在铝中的溶解 度,从而降低强化效果。当合金体系中Mg和Si的质量比为1.4-1.67:1，合金体系中生成的 Mg₂Si相对合金的强化效果最好，合金的强度最大。因此，Mg的质量百分比含量为:0.02- 0.1wt％，优选为Mg:0.05-0.07wt％；Si的质量百分比含量为:0.01-0.09wt％，优选为Si: 0.03-0.05wt％且Mg和Si的质量比范围在1.4-1.67:1。

5、应用本发明提供的铝合金材料制备铝合金电缆中的导体过程中，由于氧化夹杂 物的存在将会增加铝合金熔体的粘度,使铝合金熔液的流动性变差,流动的过程中熔体极 易吸氢,从而发生微观针孔或疏松,严重时甚至产生偏析性硬脆化合物,使得铝合金导体抗 蠕变性能变差，因此本发明在熔体精炼过程中，分别采用了初步精炼和深度精炼，初步精炼 时选用由氯化钠、氯化钾、氯化镁为基体组成的精炼剂具有很好的流动性,有利于熔渣与熔 体的分离，使之熔体的表面张力变小,且对夹杂物具有较强的润湿性,从而具有较强吸附, 包裹作用,随着的上浮氧化夹杂带到熔体表面,起到除杂的作用。在精炼剂中还加入了少量 的石墨烯，由于石墨烯具有网状结构，能够在合金表面形成一个网状膜，更好的保护合金元 素烧损，以及防止合金被氧化物再次损伤，初步精练后，升高熔体温度，进一步将由于氧化 物杂质导致的熔体中吸入的氢元素释放，在采用氮气、二氧化碳、氩气三种无公害气体混合 对熔体进行深度的绿去氢精炼，提高了合金的精炼效率，降低对精炼工具的腐蚀，更进一 步的保证了合金的纯度，提高了合金的使用性能以及寿命，节约了生产成本。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将对本发明作进一步详细的说。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖 的多种不同方式实施。

实施例1至5的成分及配比具体见表1，按照质量百分比计，其中Al采用一般工业用 铝锭，具有不可避免的杂质。

表1

实施例6

本发明还提供了一种铝合金电缆，所述的铝合金电缆由导体、绝缘层、屏蔽层和保 护层组成，导体的外部由内向外依次设有绝缘层、屏蔽层和保护层，其中导体为实施例1-5 所述成分及配比的铝合金材料制备的，其中制备方法包括以下步骤：

①将工业铝锭完全融化再按质量比加入铜、镁、锌待完全熔化后，并保温在750- 800℃，然后向熔体中加入硅、钛待完全熔化后将合金熔液温度降低至500-600℃，然后向熔 体中再加入钪、钼、铬、铈、铒，进行保温1-2h，搅拌扒渣，加入熔体质量0.5-1.5％的精炼剂 进行初步精炼，精炼时间10-15min，然后升高熔体温度至700-720℃再混合气体进行深度精 炼，精炼时间为18-40min，并且保温至720℃，对熔体进行精炼后，排气，再浇铸，得铸锭；所 述浇铸温度为740-750℃，混合气体是将氮气、二氧化碳、氩气按照体积比7:2:1的比例混合 制成的；所述精炼剂由以下重量份数的组分组成：5-10份氯化钠、6-11份氯化钾、1-3份氯化 镁、0.5-2份石墨烯、1-3份碳酸钾。

②将铸锭进行切割铣面，在510-560℃进行3小时的固溶处理，再将铸条导入轧机， 导入轧机温度450-550℃，再挤压成条，最后冷水淬火处理,获得铝合金导体材料；

按照表1中(实施例1-5)和专利申请号2014108189365公开的一种电缆铝合金材料 实施例1-3(对比例6-8)所述的各成分及配比制备出铝合金锭，再进一步生产出直径为φ 9.5mm的合金线材，再进行室温拉拔，拉拔变形量为91.3％；耐热性实验采用温度波动度为 ±1℃的JCT-1型电热高温干燥箱，退火温度为260℃，保温1h。采用直流数字电阻测试仪测 定其电阻值并换算成20℃的电导率，采用微机控制电子万能材料试验机测定其抗拉强度， 拉伸速率为50mm/min。

主要性能指标数据见表2。

表2

由表2可以看出，与对比例6-8相比，本发明实施例1-5制备的电缆铝合金导体综合 性能得到有效提升，而且由本发明提供的铝合金电缆材料制备得到的电缆导体具有较好的 抗拉强度、伸长率、导电率，经测定，本发明铝合金材料的抗拉强度≥160MPa，伸长率≥ 10％、导电率≥60％IACS、260℃退火1h后的强度残存率≥87％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。