一种高强铝导线的旋锻制备方法与流程

本发明属于金属材料加工技术领域，特别涉及一种高强铝导线的旋锻制备方法。

背景技术：

铝是工业中应用最广泛的有色金属结构材料，其密度小，仅为2.7g/cm³，约为铜或钢的1/3，比强度高，成形性较好，具有良好的耐蚀性及综合机械性能，广泛应用于航空航天、建筑、汽车、轨道交通等产业范畴。

物理化学性能方面，导线材料要求有良好的电导率，良好的耐腐蚀性和耐氧化性，残余应力小，表面光洁度好，较好的延伸率，质量较轻，还应具有一定强度以支持其自身的质量及外来的自然载重(风荷载、冰荷载)。环保方面，要求导线使用寿命长，可回收性好和可再利用率高；经济方面，要求导线价格低廉。铜是不可再生资源，随着铜的资源日趋耗尽以及铜的价格日益上升，铜铝比价迅速上升，且铜密度也较高，因此在某些领域，当对导电率要求不是特别高时，用铝导线来替代，可以满足导电率要求，并且价格低廉，同时铝导线质量较轻，可以降低耗能，从这些角度出发研究铝合金来代替铜合金作为导线有了越来越大的价值。然而在研究高导电率、高强度铝(al)导体材料的过程中，经常会碰到一个关键问题：通过合金强化、变形强化、细晶强化等强化方式提高强度后，由于在铝中引入了大量的缺陷，会导致电子运输过程中的大量散射，从而大幅度降低导电率；因此通过塑性变形提高机械性能的同时，保持纯铝的导电性，实现高强铝导线的制备是非常有意义的。

目前导线的制备中使用较多的是挤压和拉拔工艺。挤压多用于粗导线的制备，挤压时由于原料和挤压筒之间的摩擦阻力，能耗高，效率低，质量差；而拉拔多用于小直径导线的制备，拉拔时会产生大量热量，使材料产生局部热处理，影响产品质量。

技术实现要素：

本发明的目的是在于克服现有技术的不足，提供一种高强铝导线的旋锻制备方法。

实现本发明目的采用的技术方案是：

一种高强铝导线的旋锻制备方法，该方法通过旋转锻造铝导线，进料速度控制在1-10m/min，模具旋转速度为25～250r/min。

包括具体步骤如下：

首先将铝棒进行350℃，2小时的退火处理；

随后对铝棒进行表面清理，进旋锻的大变形加工，旋锻时可在进料口浇滴液氮来降低变形温度，抑制晶粒的回复与再结晶带来的软化；

完成后按照旋锻模具半径从大到小的顺序，逐级更换旋转锻压模具，重复旋锻步骤，从而获得不同直径的铝导线。

进一步的，铝棒材料包括铝及铝合金，以工业纯铝为例，具体牌号为aa1070，铝质量分数为99.7％，其余为杂质。

进一步的，旋锻变形采用旋转锻造机，旋转锻造具有加工范围广、成形精度高、产品性能好、材料利用率高等特点，锻模环绕坯料轴线高速旋转的同时，对坯料进行高频锻打，提供切向旋转的作用，利用剪切作用使坯料轴截面尺寸减小或形状改变。

进一步的，旋锻模具的直径范围为0.5～40mm。

进一步的，可时效硬化的铝合金，旋锻之前可以固溶处理。

本发明相对于现有技术相比具有显著优点：

(1)本发明通过旋锻变形制备出铝导线，相比目前其他导线制备方法，如拉拔，挤压，效率更高，操作更简单。

(2)本发明利用旋锻提供的三向压应力状态，铝晶粒得到显著的细化，并且晶内形成了大量的亚晶界和位错，抗拉强度显著提高。

(3)本发明利用成熟的工业设备，成本低，效率高，可以大规模制备铝导线，同时线材长度不受限制，制备后可直接投入使用，无需后续加工，节能环保。

(4)本发明方法制备的超长铝导线抗拉强度可达到109mpa，导电率为56.7％iacs。

附图说明

图1为旋锻机工作原理图。

图2为旋锻后铝导线横截面的tem形貌图。

图3为旋锻后铝导线的纵截面ebsd形貌图。

图4为旋锻后铝导线的拉伸曲线图。

图5为旋锻后铝导线的抗拉强度与导电率的变化图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明

本发明工业纯铝为例，具体牌号为aa1070，铝质量分数为99.7％

实施例1

选取长度为1.5m，直径为30m的纯铝棒材，多道次旋锻至直径为18.2mm，对应的应变量为1，转速为40r/min，进给速度为15mm/s。此应变量下抗拉强度为91mpa，导电率为58.2％iacs，而变形前的纯铝的抗拉强度为64mpa，导电率为58.6％iacs。可以看出，本专利在保证材料导电性降低不明显的前提下，将材料的抗拉强度提高了42％。通过本发明处理后的铝导线保持了较好的导电性能的同时，强度得到了明显的提升，有着很大的应用价值。

实施例2

选取长度为1.5m，直径为30m的纯铝棒材，多道次旋锻至直径为14.2mm，对应的应变量为1.5，转速为40r/min，进给速度为15mm/s。此应变量下抗拉强度为103mpa，导电率为57.8％iacs，而变形前的纯铝的抗拉强度为64mpa，导电率为58.6％iacs。可以看出，在保证材料导电性降低不明显的前提下，将材料的抗拉强度提高了61％。通过本发明处理后的铝导线保持了较好的导电性能的同时，强度得到了明显的提升，有着很大的应用价值。

实施例3

选取长度为1.5m，直径为30m的纯铝棒材，多道次旋锻至直径为11.1mm，对应的应变量为2，转速为40r/min，进给速度为15mm/s。此应变量下抗拉强度为109mpa，导电率为56.7％iacs，而变形前的纯铝的抗拉强度为64mpa，导电率为58.6％iacs。可以看出，在保证材料导电性降低不明显的前提下，将材料的抗拉强度提高了70％。通过本发明处理后的铝导线保持了较好的导电性能的同时，强度得到了明显的提升，有着很大的应用价值。

本发明的成本低，效率高，在基本不降低导电率的情况下，可大幅度提高铝及铝合金导线强度。如图1所示为旋锻机工作原理，旋锻锻模自身作高速旋转的同时，对工件进行高频锻打，使其发生塑性变形。从图2看出旋锻后铝导线横截面的tem形貌，晶粒内部形成了尺寸约为一微米的亚晶以及大量位错。

从图3的旋锻后铝导线的纵截面ebsd形貌图可知，沿着旋锻方向晶粒被拉长，纵截面呈纤维状。界面的散射不利于电子的传递，而平行于电流前进方向的纤维组织可以减小界面散射，从而在提高强度的同时可以保持导电率。

如图4为旋锻后铝导线的拉伸曲线，应变为2(应变计算公式为其中ac为变形前的横截面面积；a1为变形后的横截面面积)时，材料的应力应变曲线，其抗拉强度约为109mpa。从图5旋锻后铝导线的抗拉强度与导电率的变化，可以明显看出旋锻后，铝导线强度明显提高，而导电率基本没有下降。

本发明在利用时效硬化的铝合金材料制造导线时，可在旋锻前进行固溶强化。

通过本方法制备的纯铝导线抗拉强度可达到109mpa，导电率约为56.7％iacs。相较于退火纯铝64mpa的抗拉强度，58.6％iacs的导电率，实现了基本不降低导电率的情况下，抗拉强度提高70％的铝导线的制备。本发明由于铝晶粒沿着旋锻方向被拉长，纵截面呈纤维状。界面的散射不利于电子的传递，而平行于电流前进方向的纤维组织可以减小界面散射，从而在提高强度的同时可以保持导电率。因此保证强度提高的同时其导电率没有明显下降。