（材料学专业论文）新型耐热铝合金导线的研制.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：；长复日期：迦，旦名12 翌 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲弘美翮弛堡竖 摘要 摘要 具有更高强度的耐热高导电率铝合金导线的开发和应用，可节能、节地、节材、 环保、提高输电能力，具有重要的实际意义。课题组前期的研究结果表明，稀土元素 e r 可以明显改善纯a 1 、a 1 5 m g 、a 1 z n m g 、a 1 m g m n 和舢l i 等合金的组织与性能， 可以细化晶粒、提高铝合金的再结晶温度，提高强度。在此基础上，本文采用传统的 铸锭冶金法制备了不同含e r 量的a 1 e r 合金以及不同z r 含量的砧z r 合金、a 1 e r - z r 三元合金做为对比。测试了各种样品的硬度、拉伸性能、导电性能，并应用扫描电镜 与能谱分析以及透射电镜观测分析了其微观组织结构和成分，研究了不同含量e r 对纯 铝及a 1 z r 合金的力学性能和导电性能的影响，深入分析了e r 在合金中的存在形式， 及其对合金组织的作用机理。 本论文制备了m 、砧0 1 e r 、础o 3 e r 、触o 1 z r 、触一0 3 z r 和a 1 o 1 e r _ 0 1 z r 六种 成分的合金。对于a 1 0 3 e r 、a 1 0 3 z r 和a 1 o 1 e r - o 1 z r 三种合金的铸锭，在1 0 0 3 7 5 范围内每隔2 5 做2 小时的时效，对其进行硬度测试结果显示，这三种合金都没有时 效强化。把六种实验合金在6 4 0 保温7 2 小时后淬火，采用同样的热处理工艺发现， 含e r 的材料硬度在3 0 0 附近达最大值，发生了时效强化，然后随着温度的升高硬度 值下降。在3 0 0 连续时效时，1 个小时左右硬度值达到最大值，然后随着时间的延长 硬度值下降，合金灿o 1 e r - o 1 z r 硬度值下降的幅度比a 1 0 1 e r 、砧o 3 e r 要小很多。 通过以上实验说明：在本实验条件下如果不进行固溶处理e r 的固溶非常低，进行固溶 处理之后才使e r 部分回溶进铝基体中。 这六种实验合金的铸锭在3 0 0 保温4 小时后热挤，通过不同工艺拉拔为线材。第 一种：5 1 0 1 0 小时热处理，冷拉拔为西3 m m 的线材；第二种：直接冷拉拔为3 i 砌 的线材。第三种：6 4 0 1 0 小时保温，水淬，然后在3 0 0 保温4 小时，冷拉拔为m 3 1 1 1 i n 的线材。第四种：进行同样的固溶处理，再拉拔为3 m m 的线材，然后3 0 0 保温4 小时。这四种制备工艺制得的线材的拉伸性能和导电率的测试结果表明：e r 在提高了 铝合金强度的同时并没有使导电率有大幅下降。其中第四种制备工艺得到的线材综合 性能最好。 通过显微结构的分析发现，固溶处理使得e r 固溶到铝基体当中，在随后的时效过 程中析出弥散的纳米a 1 3 e r 相。一方面，弥散的纳米a 1 3 e r 相有效地钉扎了位错、亚晶 界及晶界，阻碍了位错的运动，从而提高了铝合金导线的强度。另一方面，时效可使 固溶的e r 充分析出，对导电率的影响很小。 以上研究结果显示，e r 元素可使铝合金导线在保持优良导电性的同时，有效地提 高力学性能，因此含铒铝合金导线的开发研制有着很大的潜力。 关键词a 1 3 e r ；时效；导电率；耐热导线 北京t 业大学t 学硕i j 学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n d 印p l i c a t i o no fh e a t - r e s i s t a n th i 曲c o n d u c t i v i t ) ra l u l “m u ma 1 1 0 y c o n d u c t o rw i t hm 曲e ri n t e l l s 时h a sh p o r t a n tp r a c t i c a ls i 朗i 6 c a n c e i tc a ns a v ee i l 啷y ，1 a 1 1 d ， m 砷e r i a l ，p r o t e c te i l v i r o n m e n ta n di i i 】- p r o v e 打a 1 1 s m i s s i o nc 印a c i 够i no u rp i i e v i o u sw o 咄w e c o n c l u d e dt 1 1 a tr a r ee 砌e l e m e n te rc a l li m p r o v e 也ep r o p 硎e so fp u r ea l ，灿- 5 m g ， 砧一z n - m 砧- m g - m na n d 一l ia 1 1 0 y s ，a i l dc a nr e 6 n e 伊a i l l ，r a i s et l l er e c 巧s t a l l i z a t i o n t 锄p e r a t u r e o nt h i sb a s i s ，让圮a l e ra l l o y sh a v ed i 鼯e n ta m o u n to fe ra r ep r 印a r e db y c o n v e n t i o n a li n g o tm e t a l l u r 弘a sac o n t r 2 l s t ，舢一e r - z ra 1 1 0 ya n d 硝一z ra 1 1 0 y sw i md i 脓e n t 瓤l o u n to f2 膏w e r ea l s op i r i e p a r e d t h eh a r d n e s s ，t e n s i l ep r o p 鳅i e s ，c o n d l l c t i 啊够w e r et e s t e d t h em i c r o 蛐n l c t u r ea n dc o r r l p o n 饥tw e r ea l s oa n a l y z e dw i t l ls c a i u l i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ， t e ma n de d s h o wd i 妇衙e 1 1 tc o n t i 瓤o fe ra 虢c tm em e c h a n i c a lp r o p e n i e sa n de l e c t r i c a l c o n d u c t i v i 够p r o p e n i e so ft h ee x p e r i m e m a la l l o y sw a si i e s t i g a t e d t h ee x i s t e n c ef o mo fe r a n dh o wi te 氐c t st h es 缸l c t l 鹏w e r ea l s od e 印1 ya n a l y z e d s i ) 【k i n d so fe x p 嘶m e n t a la 1 1 0 y sw e r ep r 印a r e d ：a l 、砧一o 1e r 、a 1 - 0 3 e r 、a 1 一o 1z r 、 灿- o 3 z ra n d 砧一0 1e 卜o 1z r n l ec a s ti n g o to fa 1 一o 3 e r 、硝一o 3 z ra n dm o 1e r - 0 1z rw e r c a g e d 五m1 0 0 t o3 7 5 i n t e r v 址so f 2 5 f o r2h o u r s a n dm e l lf o rt l l eh 砌n e s st e s t ，m e r e a r en oa 百n gh a r d n e s sa 1 1o ft h e m b u tw h 跚m e s es p e c i m e n sw e r eh o m o g e i l i z e da t6 4 0 f - 0 r 7 2h o u r st 0p r o d u c eas 0 1 i ds o l u t i o n ，a n dq u e n c h e di n t ow a t e r n l e r ea r es 臼o n ga 百n g h a r d n e s sf o l l o w i n gt h es 锄e 缸a t 珏l e n t 1 1 1 eh 砌n e s sp e a l ( e da t3 0 0 f o r2h o 鹏，锄dt h e i l t l l eh a r d n e s sd e c r e a s e da s 廿l et 朗1 p 咖er a i s i n g t h es p e c i m e n sw e r ei s o t h e 肌a 1a g e da t 3 0 0 舶mo 2 5 ht o1o o h n eh a r d n e s sp e a l ( e da ta b o u t1h o 峨a n dm e l ld e c r e a s e dw 油t l l e t i m ee x t e i l d e d t h ed e c r e a s e dr a n g eo fh a r d n e s so fa 1 一o 1e r 0 1z ri ss m a l l e rt 1 1 a nt h a to f a 1 一o 1e ra n d 舢一0 3 e r w ec a nc o n c l u d em a tt h es o l u t i o no fe ri s s c a r c e l y i nm e c o n v e l l t i o n a lc a s t i n gc o n d i t i o n ，a n dm ee rc a l l0 1 1 1 yb es o l v e dm e rh o m o g e i l i z e da tv e 拶 l l i 曲t e m p e r a t u r e t h es i x1 ( i n g so fc a s ti n g o t sw e r ek e 印e df o r4h o u r sa t3 0 0 ，a n dt 1 1 e 1 1e x 仃u d e di n t 0 1 0 m m p a n so f t l l es i xk i n d so f r o d sw e r e 骶a t e da t5 1 0 f o r1 0h o w s ，a i l dp a n so f m 锄 w i m o u ta n y 仃e a 仃n e n t p a r t so ft h er o d so fa 1 - o 3 e r 、a 1 - o 3 z r 锄da l - o 1e r - o 1z rw e r e h o m o g 础z e da t6 4 0 f o r10 h ，a n dw a t 昏q u e n c h e di m m e d i a t e l y t 1 1 e 1 1 l e s es 0 1 i ds o l u t i o n h e a t 仃a t e dr o d sw e r ea g e da t3 0 0 f o r4 h ，m e i ld r a w e di i l t om 3 m m a 1 s om e s es o l i d s 0 1 u t i o nh e a t 仃e a t e dr o d sw e r ed r a w e di n t o 3 n u nf i r s t ，a i l dt h e i la g e da t3 0 0 f o r4 h a l l m e s ew i r e sw e r et e s t e db yt 饥s i l ep r o p e f t i e st e s t sa 1 1 dc o n d u c t i v i t yt e s t s w ec a l l1 ( 1 1 0 wm a t t 1 1 ef o u r lm e m o dt op r o d u c ew i r ei sm em o s ts u i t a b l ew a y a f t e rm a tw ec a i lc o n c l u d e 廿l a t t l l ea la 1 1 0 yw a se n h a n c e db e c a u s eo ft h ea d d i t i o no f 删e e 叭he r ，a n dd i dn o td om u c h i i i 北京t q k 大学丁学硕1 j 学位论文 h 锄t ot h ec o n d u c t i v i t y t h r o u 曲m i c r o s t m 孤l r ea n a l y s i s ，e rw a sd i s s 0 1 v e di n t ot h em a t r i xa r e rh o m o g e n i z e d w h e na g e da t1 0 w e rt e n l p 咖e ( 3 0 0 f o re x 锄p l e ) ，t l l ee rp r e c i p i t a t e di nn l ef o m lo f a 1 3 壬沁o i l l eh a n dt h e s ec o h 嗍t ，n a l l o m e t e rs i z ea 1 3 e p r e c i p i t a t e sa r ei nav e 巧l l i g hn u m b e r d e l l s 咄t l l u sb l o c kd i s l o c a t i o n s ，s u b - b o u n d 撕e sa n dg r a i nb o u n d a 巧s t a b i l i z i n g s ob e c a u s eo f m a t ，t h em a t e r i a l sw e r ee n h a l l c e d o nm eo t h e rh a n da 矗e rp r e c i p i t a t e d ，t 1 1 e r ea r el e s se rs o l i d s o l u t i o n ，t h u si th a s1 e s se 蔬c to nm ec o n d u c t i v i t y t h e s er e s u l t ss u g g e s t et 1 1 a t ，e rc 锄i m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e n i e so fa la 1 1 0 yw i r e e f r e c t i v e l y a n da tt h es 锄e t i m e ，t h ea 1a 1 1 0 yw i r ec a na l s om a i n t a i nag o o dc o n ( 1 u c t i v i 戗 t h e r e f o r et h ed e v e l o p m e n to fa 1 岫啪a l l o yc o n d u c t o rw i t he rh a s 伊e a t p o t e i l t i a l k e yw o r d s ：a 1 3 e r ； a g e ；c o n d u c t i v i t y ；t h e h l l a l - r e s i s t a n ta l u m i n i 啪a 1 1 0 yw i r e 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 架空导线的发展历史1 1 1 1 钢芯铝绞线1 1 1 2 全铝合金导线1 1 1 3 耐热铝合金导线2 1 1 4 新型复合材料合成芯导线2 1 2 耐热导线的国内外现状4 1 2 1 国外耐热铝合金导线的现状4 1 2 2 国内耐热导线的现状4 1 3 合金元素在导电用铝合金中的作用5 1 - 3 1 锆在导电用铝合金中的应用5 1 3 2 硼在导电用铝合金中的应用一7 1 3 3 稀土元素在铝合金中的应用8 1 4 本论文的研究目的、内容及研究意义9 1 4 1 研究目的9 1 4 2 研究内容10 1 4 3 研究意义11 第2 章合金的制备与实验方法1 3 2 1 实验方案13 2 2 材料制备1 4 2 2 1 合金的成分设计与熔铸1 4 2 2 2 合金的成分分析1 4 2 2 3 导线的制备1 5 2 3 实验方法15 2 3 1 力学性能测试1 5 + 2 3 2 微观组织观察1 6 第3 章e r 对高纯铝及越z r 合金力学和导电性能的影响1 7 3 1e r 对高纯铝及a 1 z r 合金力学性能的影响1 7 3 1 1e r 对高纯铝及舢z r 合金硬度性能的影响1 7 3 1 2e r 对杆材拉伸性能的影响1 9 3 1 3 拉伸断口形貌观察2 0 北京t 业大学t 学硕 ：学1 市论文 3 1 3e r 对线材拉伸性能的影响2 2 3 2e r 对纯铝及a 1 z r 合金导电性能的影响2 4 3 2 1 杆材的电导率：i ”2 4 3 2 2 线材的电导率“2 4 3 3 本章小结2 5 第4 章e r 在a 1 e r 及a 1 z 卜e r 合金中的微观存在方式2 7 4 1e r 在合金体系中的存在形式2 7 4 1 1e r 在铝合金中的固溶2 7 4 1 2 一次析出的含e r 金属间化合物3 0 4 1 3 二次析出的弥散相31 4 2 本章小结3 2 第5 章e r 在铝合金导线中的作用机理讨论3 3 5 1e r 对合金的强化作用机理3 3 5 1 1e r 对实验合金的细晶强化3 3 5 1 2e r 的固溶强化3 4 5 1 3e r 的第二相强化作用3 4 5 2e r 对铝合金耐热性的作用机理3 9 5 3e r 对铝合金导电性能的作用机理4 2 5 4 本章小结4 3 结 仑”4 5 参考文献”4 7 攻读硕士学位期间发表的论文5 1 舀【谢”5 3 第1 章绪论 第1 章绪论 铝及其合金因密度小、比强度高，以及高韧性和良好的耐蚀性等优点而广泛应用 于交通运输、航空航天、建筑装饰、能源动力等行业，是工业生产中应用最为广泛的 有色金属材料。铝合金导线很早就开始用于架空线路，由于其强度高、重量轻，并有 较好的导电性能而被广泛地使用并获得良好的效果。 1 1 架空导线的发展历史 1 1 1 钢芯铝绞线 传统的架空铝导线是钢芯铝绞线，钢芯铝绞线是由铝线和钢线绞合而成的。我国 输电的架空输电线路以l g j 系列钢芯铝绞线( a c s r ) 为主，在国际上，这类导线的 应用历史己超过了1 0 0 年。钢芯铝绞线( a c s r ) 中的硬铝导体的连续使用温度为7 0 9 0 ( 我国目前为8 0 ) ，导电率在2 0 为6 1 认c s ，由于连续使用温度较低使得输 电容量受到了限制并且线损较大。其中导体是由要求纯度的铝制成，铝的含量不小于 9 9 5 列1 1 。 1 1 2 全铝合金导线 目前在西欧、北欧、北美、日本、南亚等国家，铝合金导线作为架空输电线路已 广泛应用，但我国目前应用量还非常少。全铝合金导线与目前普通采用的钢芯铝绞线 ( a c s r ) 相比，具有弧垂特性高、耐腐蚀、表面耐损伤、伸长率大、线损小以及抗蠕 变性能好等优点。 全铝合金架空线的使用，迄今已有近7 0 多年历史，所用的铝合金主要是以铝镁 硅系列为基准，它与牌号为6 2 0 1 的铝合金相类似。这类合金中含有约o 5 的镁和硅。 铝镁一硅合金是热处理型合金。在正常情况下，镁和硅可沉淀为m s i 微粒，这种弥散 的微粒可起到增强作用及接合加工硬化作用，可以明显地提高强度。铝合金单线比重 与硬铝相当，但强度却为硬铝的两倍。因此，高强度铝合金导线重量轻、强度大，可 减小弧垂、增大架线档距、降低塔杆高度或减少塔基数，降低成本。全铝合金导线有 很多的标准，瑞典标准a 1 5 9 ，导线率为5 9 队c s ，抗拉强度2 5 0 m p a 。法国标准 n f c 3 4 1 2 5 ，导电率5 3 队c s ，强度3 3 0 m p a 。英国标准b s 3 2 4 2 ，导电率为5 3 认c s ， 抗拉强度2 9 5 m p a 【2 1 。 北京t 业人学t 学硕卜学位论文 1 1 3 耐热铝合金导线 美国g e l l e r a le 1 e c t r i cr e s e a r c hl a b d r a t 嘶e s 的h a 州n 垂0 nr ，h 通过研究并于1 9 4 9 年发表的论文认为：添加金属锆( z r ) 元素能提高铝材的耐热性能。该项发现受到国际上 相关专业人士的关注和重视，尤其是日本在开发和研究耐热导线方面取得较大进展， 开发出在铝中添加o 1 左右的锆的耐热铝合金导线，并于上世纪6 0 年代初开始在输 电线路实际应用。 上个世纪6 0 年代，日本为研制成功了钢芯耐热铝合金绞线( t a c s r ) ，它的导电 部分用耐热铝合金线( t a l ) 代替了传统钢芯铝绞线( a c s r ) 中的硬铝线( h a l ) ，把 连续使用温度提高至1 5 0 ，从而使线路的输送容量大增，达到扩容的目的。 t a c s r 中的耐热铝合金线主要有导电率为5 8 n c s ( 5 8 t a l ) 和6 0 认c s ( 6 0 t a l ) 两种，制成的绞线分别称为5 8 t a c s r 和6 0 t a c s r 。在耐热铝合金导线系列中还有导 体部分用超耐热铝合金线( u t a l 和z t a l ) 的钢芯超耐热铝合金绞线( u t a c s r 和 z t a c s r ) 、用高强度耐热铝合金线( 队1 ) 的钢芯高强度耐热鲳合金绞线( k t a c s r ) 等线种。 耐热铝合金线根据耐热等级和强度分为高导电超耐热( z t a l ) 、超耐热( u t a l ) 、特 耐热( x t a l ) 、耐热( t a l ) 和高强度耐热铝合金( k t a l ) 五种，按导电率分有5 8 、6 0 、 5 5 n c s 等几档【3 1 。在几十年的发展中尽管牌号甚多，但都属a 1 z r 系合金。表1 1 是几种耐热铝合金导线和硬铝线的比较【4 剖。 表1 1 几种耐热铝合金材料与硬铝线的主要性能 t a b 1 1t h em a i l lp r o p e r c i e so ft t l eh a r da l u m i n u ma n dh e a t - r e s i s t a l l ta l u m i n u ma l l o y s 1 1 4 新型复合材料合成芯导线 随着材料技术的不断进步，2 0 世纪末人们尝试用有机复合材料代替金属材料制作 第1 辛绪论 导线的芯材，开发出了新型复合材料合成芯导线。这种导线充分发挥了有机复合材料 的特点，与目前各种架空导线相比，具有重量轻、强度高、热稳定性好、驰度低、载 流量大、耐腐蚀的特点，从节能、节地、节材、环保j 提高输电能力等方面看，具有 很好的应用前景，特别适用于老线路的改造。 2 0 世纪9 0 年代日本开发了复合材料合成芯导线，产品分为碳纤维芯铝绞线 ( a c f r ) 和耐热碳纤维芯耐热铝合金绞线( t a c f r ) 两种。复合材料芯线主要由碳纤 维和热硬化性树脂构成。用12 0 0 0 根直径为7 “的n 系碳纤维涂上未硬化的热硬化 性树脂绞在一起，在缠上有机纤维形成一根股线，然后用7 根股线绞成合成绞线。再 经过最后的热处理使树脂完全硬化，最后形成复合材料芯线。复合材料芯线质量是常 规钢芯的约1 5 ，线膨胀系数约为1 1 2 。试验证明，这种新型复合材料芯导线的抗拉强 度远远超过了a c s r ，在常温下的应力伸长特性呈现弹性体，没有塑性变性，破断时 的伸长量比钢绞线小，约为1 6 。耐热性基本与a c s r 相刚7 1 。 a c c c 复合材料合成芯导线的特点是【8 】： ( 1 ) 强度大。a c c c 导线的抗拉强度为2 3 9 9 m p a ，是一般钢丝抗拉强度的1 9 7 倍，是高强度钢丝的1 7 倍。试验证明其破断力比常规a c s r 提高了3 0 。 ( 2 ) 导电率高，载流量大。由于复合材料不存在钢丝材料引起的磁损和热效应， 而且输送相同电力的条件下，具有更低的运行温度，可以减少输电线损6 左右。另外， 相同直径时a c c c 导线的铝材截面积为常规a c s r 的1 2 9 倍。因此可以提高载流量 2 9 。在1 8 0 条件下运行，其载流量理论上为常规a c s r 的两倍。 ( 3 ) 线膨胀系数小，驰度小。a c c c 导线与a c s r 导线相比具有显著的低驰度特 性，在相同的试验条件下，温度从2 6 1 上升到1 8 3 时，常规a c s r 导线的驰度从 2 3 6 m 如增加到1 4 2 2 姗 i l ，提高了5 倍；而a c c c 导线的驰度仅从1 9 8 m m 增加到3 1 2 m m ， 提高仅o 5 7 倍，其驰度变化量仅为常规a c s r 的9 6 ，在高温下弧垂不到a c s r 的 1 l o 。 ( 4 ) 重量轻。复合材料的密度约为钢的1 4 。单位长度总量约为常规a c s r 的7 0 8 0 。 ( 5 ) 耐腐蚀、使用寿命长。碳纤维复合材料与环境亲和，而且又避免了导体在通 电时铝线与镀锌钢线之间的电化腐蚀问题，较好地解决铝导线长期运行的老化问题。 从上面的叙述中可以看出耐热导线是一种非常好的用于架空导线的材料，它的应 用具有十分重要的现实意义。因此有必要对其进行深入的研究，下面首先介绍一下其 国内外的现状。 北京t 业大学t 学硕 ：学位论文 1 2 耐热导线的国内外现状 1 2 1 国外耐热铝合金导线的现状 日本自2 0 世纪6 0 年代开始研究导电率为6 0 i a c s 的普通耐热导线( t a c s r ) ，即 在铝中添加金属锆从而提升导线正常运行温度。铝材中锆的加入，使得即使在高温条 件下铝线的屈服强度和残余张力也能保持在一个很高的水平。 2 0 世纪7 0 年代，日本开始研究在钢芯中添加金属镍，采用殷钢芯取代传统的导线 钢芯。采用殷钢芯的导线运行温度迸一步提高，而导线弧垂进一步降低。这个时期普 通耐热导线t a c s r 在日本就得到了普遍应用。2 0 世纪9 0 年代以后日本的新1 日线路几 乎全部是耐热( t a c s r ) 导线【5 1 。资料显示，日本已大量使用6 0 导电率耐热铝合金导线 代替普通钢芯铝绞线，使用量已占全国输电线路总长的7 0 。目前日本的高强度耐热 铝合金线技术指标中，其抗拉强度为2 2 5 m p a ( 直径4 o n l m ) ，比5 8 执c s 、6 0 认c s 耐热铝合金线高4 1 5 4 6 7 ，以接近高强度铝镁硅合金( a 2 型) 线。可在1 5 0 下 长期使用，载流量比钢芯铝绞线提高8 0 1 0 0 ，显著地增大线路容量，载流量高于铝 镁硅合金线，达9 3 2 ，在1 5 0 使用温度下，高达1 2 7 ，即载流量可提高1 2 7 倍， 是高压及超高压大跨越线路不可缺少的新线种。美国、加拿大、法国在输电线路上使 用耐热铝合金导线也有相当数量，东南亚地区的使用量也正以较大幅度上升。 韩国自1 9 8 4 年在日本耐热导线应用的基础上开始研究普通耐热导线，自2 0 世纪 8 0 年代后期开始大面积使用普通耐热导线t a c s r 。2 0 世纪9 0 年代中期，开始研究殷 钢耐热导线，2 0 世纪9 0 年代后期开始大面积使用超耐热导线s t a c i r 。目前，韩国普 通耐热和超耐热导线均有数干公里的运行业绩。 1 2 2 国内耐热导线的现状 目前。我国电网输电能力不足的问题十分突出，而在输电线路扩容改造中，尤其是 在经济发达人口稠密地区，由于走廊资源的缺乏，遇到了种种阻力。最近，国家电网 公司已经明确各省电力部门，必须充分利用现有的电力走廊资源，制定提高送电线路 耐受温度的技术，要采用耐热导线，增强热稳定水平提高线路的输电能力。将提高输 电线路导线的运行温度，作为电网改造的重要手段。 目前，我国架空输电线路所使用的导线基本上仍旧是传统的钢芯铝绞线( l g j ) ，由 于其耐热性能相对较差，输电容量受到一定限制而且输电损失较大。而高强度耐热铝 合金是具有较高的抗拉强度又有很好耐热性能的铝合金导体材料，做成导线后使用温 度高、耐热性好、载流量大、抗拉力大等突出优点，在国外己普遍使用，效果良好。 特高强度耐热铝合金导线用于旧线路改造，增容效果突出，并可节约大量的金属材料 和基建投资，尤其适用于需要高强度、容量大的线路，在长距离、大跨越、超高压输 电中，独占优势，在电网改造中，是既先进又经济的好产品，它是普通钢芯铝绞线的更 第1 章绪论 新换代产品，也是节能、节材、节地( 节约输电走廊) 的产品，如大跨越线路，可显 著地提高输送容量和线路安全性。特高强度耐热铝合金导线的使用将带来显著地社会、 经济效益。将成为我国在大跨越输电线路中一种非常重要的新型架空导线。 我国应用耐热铝合金导线已有十余年历史，在1 9 8 6 年，首先在安徽繁昌5 0 0 k v 变 电站采用国产1 4 4 0 n l r i l 2 钢芯5 8 导电率耐热铝合金绞线m r l h 5 8 g j ) 。 近几年国内地区如上海、厦门、福州、广州、沈阳、无锡等地耐热导线的应用逐 年增多。目前国内已有多家生产厂商具备生产耐热导线的能力，如武汉电缆、青岛汉 缆、上海中天。最近，上海中天铝线有限公司成功研发出6 0 高导电率耐热铝合金导 线，可使导线的载流量提高1 4 1 6 倍，技术达到了国际先进水平，填补了国内空白。 目前，我国2 2 0 k v 以上的大跨越输电线路由于其强度的特殊要求，都采用钢芯铝 合金导线系列的导线，除了少数几条跨越采用国产的钢芯铝合金导线以外。大部分都 采用进口的钢芯铝合金导线。有若干条大跨越输电线路兼顾提高强度和载流量的双重 考虑，采用了进口的耐热铝合金导线。例如哈尔滨的松花江大跨越、广东的珠江大跨 越和上海黄浦江大跨越等。 6 0 队c s 耐热铝合金导线作为一种性能良好的特种导线，在我国城网增容改造、 变电站建设、大跨越线路以及一般线路，都有它的用武之地，具有很大的发展和应用 前景。6 0 认c s 耐热铝合金导线还具有良好的性能价格比，目前，国产的耐热铝合金 导线单价约为普通导线的1 3 倍左右，由于它的载流量是普通导线的1 4 至1 6 倍，单 位输送容量的造价比普通导线要低许多。另外，采用6 0 认c s 耐热铝合金导线使线路 结构简化，金具及零部件数量减少，对线路的安全运行有很大的好处。 与先进的工业国家相比，我国在应用耐热铝合金导线的方面，发展较迟缓，国内 导线制造业从设备和技术上与国际先进水平相比较还存在不小的差距，产品品种也比 较单一【5 1 。 1 3 合金元素在导电用铝合金中的作用 在耐热铝合金导线中加入的合金元素大部分为：z r 、b 、稀土元素i 也。下面分别 讲一下其作用。 1 3 1 锆在导电用铝合金中的应用 2 0 世纪五十年代，前苏联著名科学家h h 弗里德良捷尔首次在a z n m g c u 合金中添加锆元素，并成功研制出b 9 6 i i 合金，引起了人们的普遍关注。锆元素在各 铝合金中均有显著影响。a 1 c u ，舢l i ，a 1 c u l i ，a 1 l c u m g 系合金中，锆元素作 为“痕量元素”，促进各强化相的形核。a 卜m n ，a 1 c u m g 系合金中，锆元素明显减缓 时效沉淀早期阶段的进程。a 1 z n m g ，a 1 z n m g c u 系合金中，微量元素锆的作用 北京t 业大学t 学硕十学位论文 更为显著：抑制再结晶，提高合金再结晶温度，改善合金的强度、断裂韧性及抗应力 腐蚀性能。当前锆元素应用最多的也就是在a 1 z n m g c u 合金系中【9 】。 锆位于元素周期表中的第n 僵族第二过渡系。电子结构为 心】4 d 2 5 s 2 。金属锆有同 素异构现象，有低温的0 【变体( 密排六方结构) 和高温的p 变体( 体心立方结构) ，转变温 度8 6 2 。金属锆的部分物理性质如表1 2 所示。 表1 2 锆元素的基本性质 t a b 1 2s e v e r a la 州b u t e so fe l e m e n tz r 图1 1a 1 z r 二元相图的富铝端 f 讲一1a l 啪m mc o m e r o fm e 舢- z re q u i l i b r i 啪d i a 粤砌 z r 二元相图铝端的反应为包晶反应：液体+ a 1 3 z r _ 赳固溶体，液体含0 1 1 锆。 反应温度为9 3 3 5 k 。此时锆在铝中的最大固溶度为0 2 8 叭。7 0 0 k 时下降到 o 0 5 、讥o 0 6 、矶。 第1 章绪论 锆可以作为铝的结晶核心【1 2 】，当z r 以极细的沉淀物形式存在时，其强化效果最明 显，结晶时快速冷却，随后在高温下析出，可获得细小弥散的a 1 ，z r 。 锆元素作为微量元素添加到铝合金中，在不同热加工及热处理状态下有四种不同 的存在形式：( 1 ) 固溶在铝基体中。锆元素在未热处理的合金中主要以置换固溶的方式 存在，这对合金后续处理产生积极的影响，对导电性能有极大的危害。( 2 ) 生成粗大的 初生a 13 z r 相。合金含锆量过高( o 3 叭) ，或者合金熔铸过程中控制不当而导致锆元 素的偏聚，均会形成粗大相a 1 3 z r 。此种形式存在的锆元素对合金有百害而无一利，在 实际生产中必须防止此类现象的发生。( 3 ) 形成亚稳p 、( a 1 3 z r ) 相。采用合适的热处理工 艺，使固溶在基体中的锆元素均匀析出( l 1 2 型) 。此类颗粒细小弥散，与基体有良好的 共格关系，且颗粒稳定性较好，对合金的性能极为有利。( 4 ) 形成平衡a 1 3 z r ( d 0 2 3 ) 相。 平衡a 1 3 z r 相中锆元素的含量为5 3 o ，熔点为1 8 5 0 k 。它是四方晶格，空间群为 1 4 m m m ，单位晶胞中有1 6 个原子，晶格常数a = 4 0 1 3 4 0 1 5 1 0 。1 0 m ， c = 1 7 3 2 1 7 3 5 l o 以o m ，与基体无固定的取向关系。它较为粗大，与基体不共格【9 】。 根据a 1 z r 二元动力学分解曲线，a 1 o 3 2 埘z r 在4 5 0 5 0 0 区间的孕育期为 1 2 0 0 0 0 s 。合金含锆量较低，温度较低，则时间就更漫长。由此可见锆元素的分解析出 是很困难的【9 1 。 根据文献报道【1 2 j ，a 1 o 1a t z r 在3 7 5 、4 0 0 、4 2 5 等温连续时效时，要大于 1 0 0 小时硬度值才能达到最大值，a 1 o 2 a t z r 在3 7 5 、4 0 0 、4 2 5 等温连续时效 时要大于2 4 小时硬度值才能达到最大值。可见z r 的析出很困难。 把锆加入到铝合金当中可以提高铝合金的耐热性，耐热铝合金的耐热机理跟一般 金属的耐热机理是相似的，就是要尽量保留变形组织，使力学性能不会因为温度的升 高而损失太多。含锆合金经过适当的热处理使基体内析出大量的弥散第二相a 1 3 z r ，这 些第二相可以有效的钉扎位错、亚晶界、晶界【l o - 1 8 】，从而防止再结晶的发生，促使铝 合金再结晶温度提高，也就是导线的耐热性得到了提高【l9 1 。同时，锆的加入还可以提 高铝合金导线的抗蠕变性能【5 3 1 ，使导线在高温下也只有微小的蠕变伸长，因此能够使 架空导线的塔杆间距增大，保持较小的悬垂度弹】。由于锆从基体当中析出导线的导电 率也就上升了【2 0 1 。 1 3 2 硼在导电用铝合金中的应用 硼作为一种非金属元素可以提高铝合金的导电性。硼元素位于元素周期表的第二 周期，第三主族，是该主族中唯一的非金属元素。外层电子排布为2 s 2 2 p 1 ，自然界中没 有游离态的硼存在，多以硼酸以及碱金属和碱土金属的硼酸盐形式存在。 在工业纯铝中杂质可分为两类：一类是基本杂质元素f e 和s i ；另一类是微量杂质 元素，主要是t i 、v 、c r 、m n 等。目前普遍的观点认为硼能够改善铝导电性的作用， 在于硼可以与铝中的微量过渡族杂质元素t i 、v 、c r 、m n 等反应，使它们由固溶态转 北京t 业大学t 学硕十学位论文 变为析出态并沉积于熔体底部，进而被清除【5 5 】。大连理工大学的王桂芹、李丰庆及昆 明理工大学的陈敬超、李玉华等人认为，硼不仅能和铝中的过渡族元素反应，还能和 f e 形成f e b 化合物，降低铝合金中f e 对电阻率的影响【5 6 1 。 1 3 3 稀土元素在铝合金中的应用 我国是全球最大的稀土资源国，由于地理的原因我国铝矿资源含硅较高曾严重影 响电工铝导体的性能和生产。从8 0 年代开始探索把稀土添加到铝合金当中来提高电工 铝导体的导电率。稀土优化综合处理技术是一项我国自主创新的先进技术，用于制造 电工铝导线可采用非电工级铝锭，降低成本，提高电工铝导体的导电、耐腐蚀和工艺 性能【3 4 1 。 稀土元素在铝及其合金中具有很多积极作