本发明属于电力行业输电线路架空导线技术领域，涉及一种导电率≥61.0％iacs，抗拉强度≥180mpa，延伸率＞2.3％，耐热温度≥150℃(230℃加热1h后强度残余率大于90％)的架空导线用高导电率耐热铝合金单丝及其制备方法。
背景技术：
为了缓解电力资源和电力负荷分布严重失衡问题，国家相继启动特高压等重大输电工程，随着输电容量和距离增加，输电线路向大容量、高效率方向发展，对铝合金输电导体材料的力电性能、耐热性能等服役性能提出了越来越高的要求。普通钢芯铝绞线导电率约61％iacs，允许连续运行温度约70℃。现役的耐热铝合金导线的导电率为60％iacs，允许连续运行温度可达120℃以上，耐热性好、载流量高，可长期在高温高负荷下运行，在走廊狭窄的高压输电线路及线路增容改造项目中均有较多应用，已成为提高线路输送能力、节省建设成本的有效途径。与国外相比，国产耐热铝合金导线采用的耐热铝合金材料，其20℃的导电率≤60％iacs(internationalannealingcopperstandard，国际退火铜标准)，输电线损较高，且制造时大多采用纯度较高的电工铝原料进行生产，同时一般需添加价格昂贵的er、y、sc等稀土元素进行微合金化改性，生产使用成本较高，一定程度上制约了其大规模发展及应用。
自1949年harringtond首先发现在铝材中添加zr能提高铝材耐热性能以来，国内外研究学者对耐热铝合金导线开展了大量研究。国际上，至20世纪末，耐热铝合金导线在日本、美国及加拿大等国家广泛采用。其中日本古河、住友、维世佳等公司的耐热铝合金导线开发处于世界领先水平，导电率在55％～60％iacs，导线长期使用温度提高至150℃～230℃，但其导电率随耐热温度的提高降低明显，输电线损进一步增大。国内高导电率耐热铝合金导线制造工艺方面与普通导线类似，相关线缆厂家均是以耐热铝合金杆为原料进行拉拔、绞制生产，设备和技术均无明显差异，其耐热铝合金导线产品的导电率仍以60％iacs为主，较普通钢芯铝绞线61％iacs低1％iacs，另外，较高线损问题在耐热铝合金导线应用推广的同时也越来越受到电力部门的重视。
因此，如何在保证较高载流量的前提下，提高耐热铝合金的导电率、降低线损并有效控制成本成为当前耐热铝合金导线亟待解决的关键技术问题。
技术实现要素：
鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于电力行业中架空导线用导电率高、强度高的耐热铝合金单丝材料，解决常规60％iacs耐热铝合金导线导电率低、输电线损大、抗拉强度小、安全裕度低、制备成本高的问题。主要采用控制b、zr、cu、la微合金化元素的含量，开发出具有导电率≥61.0％iacs(20℃)，抗拉强度≥180mpa，延伸率＞2.3％，耐热温度≥150℃(230℃加热1h后强度残余率大于90％)的耐热铝合金单丝。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一方面提供了一种架空导线用高导电率耐热铝合金单丝，按重量百分比计，包括如下组分：
b：0.001～0.02％，zr：0.005～0.04％，cu：0.001～0.05％，la：0.001～0.10％，si：0.001～0.06％，fe：0.001～0.12％，(v+ti+cr+mn)≤0.0085％，余量为铝和不可避免的微量杂质。
本发明还提供了一种架空导线用高导电率耐热铝合金单丝的制备方法，包括如下步骤：
1)冶炼：在740～760℃下，向工业纯铝熔融物中加入如下组分，使它们最终含量如下：
b：0.001～0.02％，zr：0.005～0.04％，cu：0.001～0.05％，la：0.001～0.10％，si：0.001～0.06％，fe：0.001～0.12％，(v+ti+cr+mn)≤0.0085％，余量为铝和不可避免的微量杂质；
2)精炼：720～740℃下，向上述铝液中加入精炼剂，进行除氢、除渣精炼，静置后扒渣，得铝合金液；
3)浇铸：于700～720℃下，将步骤2)制得的铝液浇于紫铜质铸模具内，制得铝合金锭；
4)制杆：将步骤3)制得的铝合金锭轧制成铝合金圆杆；
5)拉丝：用拉丝机将步骤4)制得的铝合金圆杆进行拉丝，拉丝温度控制在30～50℃，制得直径为3.0～3.6mm的铝合金单丝。
优选，步骤1)中，还包括使用电磁搅拌机对铝液进行搅拌，使合金元素充分均匀化的步骤。
进一步优选，步骤1)中，待工业纯铝锭熔化后，在740～760℃下加入al-b中间合金静置后扒渣，升温至760℃加入al-zr合金和al-cu合金、al-la合金，其中，静置时间优选为30min。
进一步优选，步骤2)中，静置时间为30min。
进一步优选，步骤3)中，制得的铝合金锭的尺寸为25×25×400mm。
进一步优选，步骤4)中，将步骤3)制得的铝合金锭于450～500℃下保温1～2h后轧制成铝合金圆杆，优选为1h。
进一步优选，步骤4)中，铝合金圆杆的直径为9.5mm。
进一步优选，步骤5)中，拉丝机以10～12m/s的速率、8～10％的变形量进行拉丝。
本发明提供的架空导线用高导电率耐热铝合金单丝，成分体系包括al、b、zr、cu、la合金元素以及主要杂质元素fe、si、cr、mn、v、ti等，各组份含量的重量百分比为：b：0.001～0.02％，zr：0.005～0.04％，cu：0.001～0.05％，la：0.001～0.10％，si：0.001～0.06％，fe：0.001～0.12％，(v+ti+cr+mn)≤0.0085％，余量为铝和不可避免的微量杂质。
其中，各合金元素的作用及机理如下：
zr：要提高导电铝合金的耐热性能必须设法防止合金畸变能的减少，从而防止铝合金强度不至于因温度升高而下降。适量锆的加入能明显改善铝合金的耐热性能，主要由于锆原子半径比铝原子半径略大，锆在铝中以置换方式进行扩散，其扩散激活能高，向亚结晶晶粒边界析出细微的al3zr相，它不易聚集长大，稳定性高，抑制再结晶的发生，在较高的温度下仍可有效的钉扎位错与晶界，阻碍变形与晶内及晶界滑移，使蠕变抗力得以提高，从而使铝合金的耐热性能得到了改善。同时，锆的加入可以改善铝合金的抗蠕变性能，使铝合金在高温下也只有很小的蠕变伸长，因此，能够使架空输电线在输电塔杆之间的间距增大，并且保持铝合金导线较小的悬垂度。
b：铝导体中杂质元素如果以固溶态存在，对导电性能的影响很大，而硼化处理能有效降低杂质含量，即在电工铝中加入一定量的b元素后，能够和过渡族杂质元素cr、mn、v、ti等杂质元素发生反应，使之由固溶态转变为化合态并沉积于熔体底部而净化铝导体，从而提高铝合金的导电性能。与此同时，在铝导体加入适量的zr能明显改善合金的耐热性能，但zr的加入也会对合金的导电性产生不利影响。有研究表明在含zr的铝合金中加入适量的b，能在保证合金耐热性的前提下保证其导电性。一般认为，合金中添加的b不过量时，即控制含zr耐热铝合金材料中加入的b在zr：b＝1：2的范围内，添加的b与合金中的zr形成zrb2化合物，由于化合物弥散分布且颗粒较小，zrb2不能作为al原子的形核中心，因此它不会对合金产生晶粒细化作用，不会增加晶界，从而降低了zr元素对合金的导电性产生的负面影响。但过量b的加入对含zr铝合金有一定的晶粒细化效果，但它会使合金高温强度降低，使合金耐热性变差。
cu：铜是重要的合金元素，具有一定的固溶强化效果，此外时效析出的cual2有着明显的时效强化效果。在铝合金中固溶进合适量的cu元素可以提高高温强度和机械加工性能，但过量铜元素的添加会引起较大的晶格畸变，增加对自由电子的散射，导致铝合金导电率的降低。因此适量铜元素的添加可在保证铝合金导电率的前提下达到较好的强化效果。
la：稀土元素la加入铝合金中，可使铝合金熔铸时增加成分过冷，细化晶粒，减少二次晶间距，减少铝合金中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化，还可降低熔体表面张力，增加流动性，有助于浇铸成锭，改善铝合金的工艺性能。
si：硅主要来自铝矾土中的二氧化硅或硅酸盐，是纯铝中的一种主要杂质元素。si能提高铝合金的铸造性能及焊接流动性，还能使铝合金具有较高的力学性能。但随着si含量增加，铝合金的电阻率增加。这主要是由于si是半导体，较铝基体的电阻率高得多，故si含量的增加将减少铝基体的有效导电截面积，降低铝合金的导电率。因此，为降低硬铝材料的电阻率应尽量减少si含量。
fe：铝中含有一定量的铁，是纯铝中的一种主要杂质。因为熔炼与铸造使用的工具主要是钢质或铸铁，fe元素就会因这些工具带入铝中，而且在重熔废料时，则可混入铁与铁屑。铁对铸造铝的力学性能是有害的，因为其通常以粗大的一次晶体出现，或以al-fe-si化合物形式存在，它们一定程度上都提高了铝的硬度，但使铝的塑性降低。最新研究表明，铁可以提高铝导体强度，并不显著降低其导电性。但也有资料表明在实际生产中，铝导体中的fe/si比应为1.3～1.5，过高则会使其电阻率显著升高，所以也应该注意控制铁的含量。
cr、mn、v、ti：这四种元素均为电工纯铝中的杂质元素。铝导体中的cr、mn、v、ti杂质元素以固溶态存在时，很容易吸收导体材料内的自由电子而填充它们不完整的电子层。这种传导电子数目的减少会导致铝导体电阻率的增加。研究表明，每1％(cr+mn+v+ti)的有害作用为每1％si对铝导体导电性能有害作用的5倍。由此可以看出严格控制cr、mn、v、ti杂质元素的含量对保证铝导体的导电性能具有重要作用。
本发明提供的耐热铝合金单丝的导电率≥61.0％iacs，抗拉强度≥180mpa，延伸率＞2.3％，耐热温度≥150℃(230℃加热1h后强度残余率大于90％)。
本发明提供的架空导线用高导电率耐热铝合金单丝，在铝合金中添加了微量的b、zr、cu、la元素，既能够降低铝合金杂质含量，又可形成高温强化相提高铝合金的热稳定性和高温强度，从而保证铝合金材料具有高导电率的同时具有良好的力学性能和耐热性能。
本发明提供的架空导线用高导电率耐热铝合金单丝的制备方法，先进行冶炼，当工业纯铝锭完全熔化后加入b、zr及cu、la组分，合金化温度为740～760℃；采用精炼剂对铝液进行除氢、除渣精炼，静置后进行扒渣及铝合金液浇铸，采用紫铜材质模具浇铸成铝合金锭；采用热轧的方式将铝合金锭压制成圆杆，然后进行拉丝，以10～12m/s的速度在拉丝机上拉丝，拉丝温度控制在30～50℃，使用钢模经过多道次拉制，最终制得3.0～3.6mm的铝合金单丝。本发明制备出的耐热铝合金单丝材料无需对圆杆或单丝进行热处理，从而简化了高导电率耐热铝合金单丝材料的制备工艺，降低了生产成本，由此制备出的架空导线用高导电率耐热铝合金单丝的导电率≥61.0％iacs，抗拉强度≥180mpa，延伸率＞2.3％，耐热温度≥150℃(230℃加热1h后强度残余率大于90％)。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。
实施例1
架空导线用高导电率耐热铝合金单丝，组分及其重量百分比为：
制备方法如下：在纯度为99.7％的工业纯铝锭熔融物中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素b、zr、la、cu以al-b、al-zr、al-la、al-cu中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.05mm，导电率为61.2％iacs，抗拉强度为189.2mpa，延伸率为2.42％，耐热性91.8％。
实施例2
架空导线用高导电率耐热铝合金单丝，组分及其重量百分比为：
制备方法如下：在纯度为99.7％的工业纯铝锭熔融物中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素b、zr、la、cu以al-b、al-zr、al-la、al-cu中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.15mm，导电率为61.3％iacs，抗拉强度为186.4mpa，延伸率为2.35％，耐热性92.2％。
实施例3
架空导线用高导电率耐热铝合金单丝，组分及其重量百分比为：
制备方法如下：在纯度为99.7％的工业纯铝锭熔融物中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素b、zr、la、cu以al-b、al-zr、al-la、al-cu中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.22mm，导电率为61.4％iacs，抗拉强度为185.2mpa，延伸率为2.45％，耐热性92.6％。
实施例4
架空导线用高导电率耐热铝合金单丝，组分及其重量百分比为：
制备方法如下：在纯度为99.7％的工业纯铝锭熔融物中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素b、zr、la、cu以al-b、al-zr、al-la、al-cu中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.42mm，导电率为61.5％iacs，抗拉强度为183.6mpa，延伸率为2.4％，耐热性92.8％。
实施例5
架空导线用高导电率耐热铝合金单丝，组分及其重量百分比为：
制备方法如下：在纯度为99.7％的工业纯铝锭熔融物中加入各合金元素，使它们的最终含量如上所示。合金元素b、zr、la、cu以al-b、al-zr、al-la、al-cu中间合金的形式加入。经紫铜模具浇铸形成铝合金锭；通过轧机对铝合金锭进行热轧，将轧制成的铝合金圆杆采用常规的铝单丝制备工艺，依次配模，在高速拉丝机上进行拉丝，所制备的铝合金单丝直径为3.60mm，导电率为61.6％iacs，抗拉强度为181.3mpa，延伸率为2.36％，耐热性92.5％。
下面给出实施例1至5中制备的架空导线用高导电率耐热铝合金单丝得成分表(参见表1)及性能测试表(参见表2)：
表1实施例制备的铝合金单丝的成分表(wt％)
表2实施例制备的铝合金单丝的性能测试结果
通过表2可知，本发明的架空导线用高导电率耐热铝合金单丝从综合性能上有明显的优势，特别是导电率≥61.0％iacs(20℃)，抗拉强度≥180mpa，延伸率＞2.3％，耐热温度≥150℃(230℃加热1h后强度残余率大于90％)。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。