专利名称：铝合金线、其制造方法以及使用其的高架传输电缆的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造铝合金线的方法，更具体地说，涉及一种制造具有改进的电导率和耐热性的铝合金线，其工艺通过在冷加工之后进行两级热处理而得到简化。
背景技术：
目前，从电厂或变电站向城市或大工厂供电的方法分为高架传输型和地下传输型，高架传输型占国内电力传输的大约90％。
这里，没有任何掺杂元素的纯铝的电导率约为62％，但是因为纯铝太软，所以为了增强强度，尽管会使电导率劣化，也要向其添加少量掺杂元素。
就用于高架传输电缆的铝合金线的技术趋势而言，在1960年代，电导率为60％IACS并且连续工作温度为150℃的60TAL(热铝(ThermalALuminum)合金线)是主流，在1980年代，电导率为58％IACS并且连续工作温度为230℃的XTAL(特热铝(eXtra Thermal ALuminum)合金线)是主流，在1985年，电导率为60％IACS并且连续工作温度为210℃的STAL或ZTAL(超热铝(Super Thermal ALuminum)合金线)是主流，而在1993年，电导率为58％IACS并且连续工作温度为230℃的XTAL是主流。
这里，“％IACS”是电导率单位，指的是电阻率为100/(58×x)Ωmm2/m。
此外，电导率与能够在截面积相同的铝导体上流动的电流强度(amperage)有关。也就是说，较高的电导率意味着会流过更多电流，从而增加了传输能力。
此外，连续工作时间也被称为耐热温度。如果电流流过铝导体，则由于导体的电阻率而产生热。此时，如果产生了热，则各种金属都变软并随后被拉长。因此，如果耐热温度提高，则虽然流过高电流，但是强度没有改变。此外，如果耐热温度提高，则可以提高传输能力，而不会有由于加热而引起的任何强度损失。
在上面的技术趋势中，根据电导率和连续工作温度来确定传输能力。例如，假设电导率为60％IACS并且连续工作温度为210℃的STAL的传输能力为1，则对于相同的截面积，电导率为58％IACS并且连续工作温度为230℃的XTAL的传输能力为1.13，这提高了约13％。因此，为了提高高架传输电缆的传输能力，需要提高电导率和连续工作温度，即电导率特性和耐热性。
然而，在高温强度依据电导率和连续工作温度的关系中，难以同时确保高温强度和高电导率。通常，如果高温强度增强，则电导率降低。因此，为了提高这两个要素，必须对工艺条件进行优化。
此外，如果向铝添加任何掺杂元素，则铝的电导率降低。因此，为了增加Al-Zr铝合金线的电导率，需要从铝矩阵(matrix)中提取掺杂元素。此外，为了提高连续工作温度，铝合金应该具有即使在高温下也不改变的结构，即，没有再结晶的结构。
日本专利第5,070,905号提出了一种制造铝合金线的方法，该铝合金线包括0.15至0.4重量％(weight％)的锆、0.1至0.5重量％的铁、0.05至0.2重量％的硅、以及0.005至0.05重量％的铍，其中，硅和铍之和为0.035至0.11重量％，其余部分是铝和不可避免地添加至其的杂质。
这里，在日本专利第5,070,905号中，使用图1所示的方法来制造具有改进的电导率和耐热性的铝合金线。
参照图1，为了制造电导率为59％或以上并且连续工作温度为230℃或以上的铝合金线，需要以下工艺“铸造(S10)→热加工(S20)→第一冷加工(S30)→第一热处理(S40)→第二冷加工(S50)→第二热处理(S60)”。此时，通过连续的铸造和碾轧(roll)工艺(S10至S20)形成盘条(wire rod)。此外，首先以50％或更高的截面减小率对盘条进行冷加工以形成第一加工材料(S30)。然后，首先在300℃到450℃的温度范围内将第一加工材料热处理5至50小时(S40)。随后，接着以50％或更高的截面减小率对经历了第一热处理的第一加工材料进行第二冷加工以形成第二加工材料。然后，接着在350℃到500℃的温度范围内将第二加工线热处理0.5至10小时。
然而，日本专利第5,070,905的方法添加铍来增强高温强度，但是铍是对环境有害的材料，因此会引起环境问题并增加生产成本。此外，因为在铸造和热铸造工艺之后分别进行了两次冷加工和热处理，所以以上制造方法较复杂。
此外，该用于高架传输电缆的具有改进的耐热性的铝合金具有230℃的高连续工作温度，但是只有58％至59％的低电导率。
发明内容
设计本发明以解决现有技术的问题，因此，本发明的目的是提供一种制造铝合金线的方法以及通过以上方法制造的铝合金线和高架传输线，所述方法可通过简单的工艺提高铝合金线的电导率和耐热性，同时除掉为了增强铝合金的耐热强度而添加的对环境有害的铍。
为了实现以上目的，本发明提供了一种制造具有高电导率和耐热性的Al-Zr-Fe-Si铝合金线的方法，所述铝合金线包括作为主成分的铝并且还包括作为添加剂成分的0.2至0.4重量％的锆、0.05至0.2重量％的铁以及0.05至0.2重量％的硅，其中铁和硅之和不超过0.3重量％，所述方法包括以下步骤(A)铸造步骤，在熔化合金金属状态下将以上成分混合，然后进行碾轧；(B)热加工步骤，对铸造铝合金线的截面进行首次减小以制造第一铝合金线；(C)冷加工步骤，在能够形成铝合金的核的温度范围内对所述第一铝合金线的截面进行再次减小以制造第二铝合金线；以及(D)两级老化步骤，在250℃至350℃的温度下将所述第二铝合金线首次热处理15至20小时，然后在300℃至450℃的温度下将所述第二铝合金线再次热处理50至80小时。
优选的是，在所述步骤(A)中，所述熔化合金金属的铸造温度在750℃至950℃的范围内。
优选的是，在所述步骤(B)中，所述铸造铝合金线的所述截面以70％或以上的减小率进行首次减小。
优选的是，在所述步骤(C)中，所述第一铝合金线的所述截面以85％至90％的减小率进行再次减小。
优选的是，所述铝合金线在室温下的电导率为60％IACS，室温下的拉张强度为16.22Kgf/mm2或以上，并且耐热性为90％或以上。
在本发明的另一方面中，还提供了一种具有高电导率和耐热性的铝合金线(其是根据以上方法而制造的)以及一种包括上面的铝合金线的高架传输电缆。
根据参照附图对实施例进行的以下描述，本发明的其他目的和方面将变得显而易见，在附图中图1是示出了根据现有技术的铝合金线制造方法的示意图；图2是示出了根据本发明优选实施例的制造具有高电导率和耐热性的铝合金线的方法的示意图；图3至图5是示出了使用根据本发明优选实施例的具有高电导率和耐热性的铝合金线的高架传输电缆的示意性截面图。
具体实施例方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的优选实施例。在说明之前，应该理解，在说明书和所附权利要求书中使用的术语不应被解释为局限于一般和字典上的意思，而是应基于以下原则基于与本发明的技术方面相对应的意思和概念进行解释，所述原则为允许发明人适当地定义术语以最好地进行解释。因此，在此提出的描述只是仅仅出于例示目的的优选示例，而不是要限制本发明的范围，因此应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以得出其他等同物和变型例。
根据本发明的铝合金线主要由铝制成，并向其添加添加材料(诸如锆、铁和硅)。
锆是符号为Zr、原子序数为40、原子量为91.22、比重为6.51并且熔点为1,850℃的过渡元素，添加的锆的含量优选地为整个铝合金的重量的0.2％至0.4％。在此情况下，当锆含量离开以上范围时耐热性和延展性降低，因此，以上含量范围是最佳的。
此外，锆用来精细地减小铝合金的颗粒，从而提高伸长度。
铁是符号为Fe、原子序数为26、原子量为55.847、比重为7.86并且熔点为2,750℃的过渡元素。在本实施例中，包括的铁的含量优选地为整个铝合金的重量的0.05％至0.2％。在此情况下，当铁含量离开以上范围时耐腐蚀性和拉张强度降低，因此，以上含量范围是最佳的。
此外，铁是用于控制在铝矩阵中产生的沉淀的增长的要素，因此，铁防止了铝矩阵中的颗粒迅速增长从而使延展率劣化。
硅是符号为Si、原子序数为14、原子量为28.086、比重为2.32并且熔点为1,410℃、沸点为2335℃的非金属元素。在本实施例中，包括的硅的含量优选地为整个铝合金的重量的0.05％至0.2％。在此情况下，当硅含量离开以上范围时耐热性和拉张强度降低，因此，以上含量范围是最佳的。
此外，硅用来在铝合金的铸造处理期间增加熔化金属的流动性，硅还担当在铸造和冷却期间在铝矩阵中产生的沉淀的核(nucleus)。
此时，如果铁含量与硅含量相比极低，则在铝矩阵中形成的颗粒会迅速增长从而使铝合金的延展率劣化。此外，如果铁含量与硅含量相比极高，则在铝矩阵中的硅原子的扩散率会劣化，从而无法改进耐热性。因此，铁和硅合金元素之和优选地不大于整个铝合金重量的0.3％。
现在，将参照图2解释由根据本发明优选实施例的以上材料制成的具有高电导率和高耐热性的铝合金线的制造方法。
参照图2，首先，在750℃至900℃的范围内将铝合金线的材料铸造为熔化状态，然后在450℃至550℃的温度范围内对其进行碾轧以形成铸造铝合金线(呈盘条形)(S100)。之后，以70％或更高的截面减小率(sectional reduction ration)对该铸造铝合金线进行热加工以形成第一铝合金线(S200)。
这里，该材料包括0.2至0.4重量％的锆、0.05至0.2重量％的铁、0.05至0.2重量％的硅，其中，其余部分由铝组成，铁和硅之和不超过0.3重量％。
此外，设置熔化金属的铸造温度范围以获得固溶体。此时，如果熔化金属的铸造温度超过900℃，则铸件的精细结构会变粗糙，从而不会改进冲击韧性，然而，如果铸造温度低于750℃，则会发生误铸(miss run)现象，其中熔化金属由于缺乏流动性而没有密实地填充铸造空间。因此，熔化金属的铸造温度在750至900℃的范围内最佳。
此外，上面的碾轧温度范围有助于更容易地加工铸件。此外，该温度范围限制了铝矩阵中颗粒的增长。此时，如果碾轧温度超过550℃，则由于颗粒熔化等从而在碾轧期间颗粒会变粗糙并且结构会塌陷。同时，如果碾轧温度低于450℃，则碾轧能力会大大劣化。因此，碾轧温度在450至550℃的范围内最佳。
在本实施例中，第一铝合金线的直径为9.8mmΦ，并且还可通过连续的铸造和碾轧加工来进行步骤S200中的热加工。然而，本发明不限于此。
在步骤S200之后，以85％至90％的范围内的截面减小率对第一铝合金线进行冷加工以形成第二铝合金线(S300)。
这里，冷加工使通过步骤S100至S200形成的颗粒小型化，并增加铝合金的强度。
此外，将冷加工设计为将合金元素在铝矩阵中保持为固溶体以满足稍后解释的提取条件。也就是说，冷加工给出铝合金中的可产生合金元素的沉淀的核的地点，将能量引入铝矩阵，并使该能量成为引起沉淀的驱动力。
由Al3Zr的沉淀改进了根据本发明的铝合金线的电导率。也就是说，通过步骤S100至S300，铝元素和锆元素形成化合物Al3Zr，由于Al3Zr的均匀沉淀从而改进了铝合金的电导率。
因此，将步骤S300中的截面减小率限制为85％至90％的范围以使得在稍后描述的热处理工艺中Al3Zr的沉淀量最大化。此外，使Al3Zr的沉淀量最大化以增强根据本发明的铝合金线的电导率。
在步骤S300之后，进行两级老化(ageing)处理(S400)，其包括第一热处理，用于增加位错(dislocation)的核的分布(其为Al3Zr的成核地点)；和第二热处理，用于优化Al3Zr的沉淀量。
通过将步骤S300的第二铝合金线在250℃至350℃下保持15至30小时来实现第一热处理。这里，将温度和时间设置为最佳范围，该范围使得可以增加通过步骤S300的冷加工而引入的沉淀的成核地点，从而与所增加的成核地点成比例地产生大量沉淀。
此时，从铝矩阵中的颗粒边界之间取出Al3Zr然后对其进行提取。同时，因为沉淀形成在颗粒边界处，从而增加了硬度。
通过将已经历第一热处理的铝合金线在300℃至450℃下保持50至80小时来实现第二热处理。此时，Al3Zr的沉淀量已通过第一热处理而被最优化。
在本实施例中，如果Al3Zr的沉淀量小，则无法改进耐热性，然而，如果Al3Zr颗粒的大小大从而不均匀地散布到铝矩阵中，则使耐热性劣化。因此，在上面的温度和时间范围内对铝合金线进行第二热处理以使所提取的Al3Zr可以以经优化的特定形式均匀地散布到铝矩阵中。
根据本发明而制造的铝合金线通过以上制造工艺(尤其是步骤S300至S400)最佳地将多种元素在铝矩阵中成为合金从而改进了电导率。此外，铝矩阵中的沉淀扰乱了构成铝合金线的颗粒的运动，从而限制了颗粒在导体温度增加时再结晶。此外，因为即使在高温下也不改变现有结构，所以可以提高连续工作温度，即，耐热性。
为了对通过以上工艺制造的铝合金线的特性进行测量，按以上比例将锆、硅和铁添加到纯度为99.8重量％的铝中，将该混合物溶解，然后通过连续的铸造和碾轧将其制成直径为9.8mmΦ的条形。之后，通过步骤S300至S400将该条制成铝合金线。然后，使用双电桥法测量铝合金线的电阻率以获得电导率，然后通过拉张测试测量其机械特性。此外，出于耐热性测试的目的，在400℃的温度下将铝合金线热处理4小时，将耐热性测量为热处理之前和之后拉张强度的比。在下面的表1中列出了测量结果。
表1
从表1中可看出，实施例6、9和10表现出在室温下60％IACS或以上的电导率、在室温下16.22Kgf/mm2或以上的拉张强度、以及90％或以上的耐热性，这与现有的58％IACS XTAL的JSC1404(日本电缆标准)相比得到提高。这里，应该理解，实施例10表现出最优异的电导率，实施例5表现出最优异的拉张强度，而实施例9表现出最优异的耐热性。
根据本发明而制造的铝合金线具有60％IACS或以上的电导率、以及90％或以上的耐热性(即，230℃或以上的连续工作温度)，所以该铝合金线可应用于高架传输电缆。
图3至图5是示出了使用根据本发明的一个实施例的具有优异电导率和耐热性的铝合金线的高架传输电缆的示意性截面图。
参照图3至图5，高架传输电缆1、2、3具有同心标准结构，在该结构中，将钢丝(strand)或不胀钢丝(invar strand)用作芯线1a、2a、3a，并使铝合金线1b、2b、3b缠绕在所述芯线上。
高架传输电缆1、2、3包括电导率为60％IACS或以上并且连续工作温度为230℃或以上的铝合金线，因此，高架传输电缆1、2、3提高了电导率和耐热性，从而能够在没有由加热引起的任何强度损失的情况下增加传输能力。
已经详细描述了本发明。然而，因为根据该详细描述，本发明的精神和范围内的各种改变和变型对于本领域的技术人员将显而易见，所以应该理解，该详细描述和具体示例虽然指出了本发明的优选实施例，但是给出它们仅仅作为例示。
工业实用性与传统的铝合金线相比，根据本发明而制造的铝合金线表现出更优异的电导率和连续工作温度，并且没有向铝合金中添加铍，所以它可以既满足环境要求又满足经济要求，并且由于简化的制造工艺还提高了制造效率和生产率。
此外，如果将本发明的铝合金线应用于高架传输电缆，则由于该铝合金线具有60％IACS或以上的电导率，所以传输能力将进一步提高。
权利要求
1.一种制造具有高电导率和耐热性的Al-Zr-Fe-Si铝合金线的方法，所述铝合金线包括作为主成分的铝并且还包括作为添加剂成分的0.2至0.4重量％的锆、0.05至0.2重量％的铁以及0.05至0.2重量％的硅，其中铁和硅之和不超过0.3重量％，所述方法包括以下步骤(A)铸造步骤，在熔化合金金属状态对以上成分进行铸造，然后对所述熔化合金金属进行碾轧以形成铝合金线；(B)热加工步骤，在限制颗粒增长的温度范围内对铸造铝合金线的截面进行首次减小以制造第一铝合金线；(C)冷加工步骤，在能够形成铝合金的核的温度范围内对所述第一铝合金线的截面进行再次减小以制造第二铝合金线；以及(D)两级老化步骤，在250℃至350℃的温度下将所述第二铝合金线首次热处理15至20小时，然后在300℃至450℃的温度下将所述第二铝合金线再次热处理50至80小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤(A)中，所述熔化合金金属的铸造温度在750℃至950℃的范围内。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤(A)中，用于碾轧的完成温度在450℃至550℃的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤(B)中，所述铸造铝合金线的所述截面以70％或以上的减小率进行首次减小。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤(C)中，所述第一铝合金线的所述截面以85至90％的减小率进行再次减小。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铝合金线在室温下的电导率为60％IACS，室温下的拉张强度为16.22Kgf/mm2或以上，并且耐热性为90％或以上。
7.一种具有高电导率和耐热性的铝合金线，其是根据权利要求1至6中任意一项所定义的方法而制造的。
8.一种高架传输电缆，该高架传输电缆包括在权利要求7中定义的铝合金线。
全文摘要
本发明提供了铝合金线、其制造方法以及使用其的高架传输电缆。制造了一种具有高电导率和耐热性的铝合金线，其主要包括铝，另外还包括锆、铁和硅。该方法包括铸造步骤，在熔化合金金属状态对以上成分进行铸造，然后开始对所述熔化合金金属进行碾轧以形成铝合金线；热加工步骤，在能够限制颗粒增长的温度下对所述铝合金线的截面进行首次减小以制造第一铝合金线；冷加工步骤，在能够形成铝合金的核的温度下对所述第一铝合金线的截面进行再次减小以制造第二铝合金线；以及两级老化步骤，在250℃至350℃下将所述第二铝合金线首次热处理15至20小时，在300℃至450℃下将所述第二铝合金线再次热处理50至80小时。
文档编号B22D21/00GK101013616SQ20071000692
公开日2007年8月8日 申请日期2007年1月30日 优先权日2006年1月31日
发明者尹钟瑞, 李相宪 申请人:Ls电线有限公司