高導(dǎo)電率圓鋁桿連續(xù)鑄擠成形技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

周天國(guó)，張雪飛，陳超君

（沈陽(yáng)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110044）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)對(duì)電力需求量持續(xù)增長(zhǎng)，由于我國(guó)資源與發(fā)展的東西差距，發(fā)達(dá)工業(yè)主要在沿海和東部地區(qū)，而電力能源主要分布在西部地區(qū)，發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)電力需求非常巨大［1-2］.為更好地滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要和國(guó)家電網(wǎng)“西電東送，南北互供，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的十二五建設(shè)目標(biāo)，確保國(guó)家電力安全.電力傳輸必須解決遠(yuǎn)距離傳輸線路電損的問(wèn)題，降低線路電損，提高輸電質(zhì)量.實(shí)現(xiàn)節(jié)約輸電的最有效的辦法是提高鋁架空導(dǎo)線中導(dǎo)體的導(dǎo)電率.為了提高鋁導(dǎo)線的導(dǎo)電率，國(guó)內(nèi)外開展了廣泛的研究.鋁導(dǎo)線的導(dǎo)電率和生產(chǎn)原料的鋁含量及加工工藝有關(guān).美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家采用含鋁99.85%～99.66%，含 Si 0.05%高純電工鋁生產(chǎn)鋁導(dǎo)線［3］.

目前我國(guó)生產(chǎn)鋁導(dǎo)線的鋁原料含硅量偏高，是由于我國(guó)電纜工業(yè)進(jìn)料鋁錠品位比較雜，只有少量電工級(jí)鋁錠，其他為非電工級(jí)鋁錠或硅量較低而有害微量元素較高的進(jìn)口鋁錠、用進(jìn)口氧化鋁生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)鋁錠以及線路上換下的廢鋁線等.鋁導(dǎo)體的加工工藝目前主要為單一的鋁連鑄連軋技術(shù)，對(duì)其他生產(chǎn)電工圓鋁桿的成形技術(shù)工藝缺乏研究.

連續(xù)鑄擠工藝是一種短流程，近終成形新技術(shù).產(chǎn)品的生產(chǎn)從澆注到產(chǎn)品成形在一臺(tái)連續(xù)鑄擠設(shè)備上一次連續(xù)鑄擠完成.由于其單輥的獨(dú)特剪切作用與半固態(tài)連續(xù)成形，表面質(zhì)量高，尺寸均勻，晶粒均勻，連續(xù)鑄擠成鋁合金導(dǎo)電材料具有較高的綜合力學(xué)性能和導(dǎo)電性能，是極具潛力的高性能鋁導(dǎo)電材料加工新工藝［3-4］.目前對(duì)電工圓鋁桿連續(xù)鑄擠成形工藝與成形產(chǎn)品性能缺乏研究.本文擬對(duì)連續(xù)鑄擠成形電工圓鋁桿的工藝及性能進(jìn)行研究，以期開辟高導(dǎo)電性能電工圓鋁桿制備新途徑.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

選取Al99.70純鋁為實(shí)驗(yàn)用的原料，將一個(gè)鋁綻（約18.5kg）放入到高純石墨坩堝為爐膛的中頻熔化爐升溫熔化，當(dāng)鋁熔體溫度達(dá)到750℃后，加入290g純度為98%的KBF4對(duì)熔體進(jìn)行15min富硼化處理，除去重熔鋁錠中使電工鋁桿導(dǎo)電性能中毒的合金雜質(zhì)元素Cr、Mn、V、Ti等.然后將熔體重新升溫到750℃，用六氯乙烷對(duì)熔體進(jìn)行除氣精煉、攪拌、拔渣處理；最后在750℃保溫靜置30min，再在DZJ350連續(xù)鑄擠機(jī)連續(xù)鑄擠成形直徑9mm鋁桿.圓鋁桿連續(xù)鑄擠成形原理如圖1所示.為研究連續(xù)鑄擠工藝對(duì)合桿性能的影響規(guī)律，在連續(xù)鑄擠成形過(guò)程中，將一部分鋁桿從鑄擠機(jī)中擠出后，直接進(jìn)行連續(xù)在線噴水快速冷卻處理后卷取成盤；將另外一部分連續(xù)鑄擠成形圓鋁桿后直徑卷取中空冷至室溫.選取三個(gè)樣品連續(xù)鑄擠成形圓鋁桿的化學(xué)成分和工藝參數(shù)分別如表1、表2所示.

圖1 鋁桿連續(xù)鑄擠成形工藝流程圖Fig.1 Procedure chart for producing electric aluminum rods by using Castex process

表1 試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 the chemical composition of the samples%

表2 連續(xù)鑄擠圓鋁桿的工藝參數(shù)Table 2 Parameters of producing electric aluminum rods by using Castex process

1.2 顯微組織觀察與性能測(cè)試

將連續(xù)鑄擠成形圓鋁桿分別制成金相試樣、力學(xué)性能試樣（長(zhǎng)度250mm，標(biāo)距200mm）導(dǎo)電性能試樣（長(zhǎng)度為1 200mm，測(cè)用長(zhǎng)度1 000 mm）.金相試樣經(jīng)機(jī)械磨光、拋光和化學(xué)腐（腐蝕液為：17mLHF＋3mLHCl＋5mLHNO3＋75mLH2O），使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察；力學(xué)性能測(cè)試在INSTRON4206電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為25mm／min，直接從拉伸機(jī)相聯(lián)的電腦中獲取試樣的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率；導(dǎo)電性能測(cè)量用QJ36型兩用直流電橋，分別測(cè)量試樣的電阻值.試樣電阻測(cè)量過(guò)程為：先將圓鋁桿電阻試樣在20℃恒溫條件下放置24h，然后在20℃恒溫條件下對(duì)其試樣進(jìn)行測(cè)量.最后將測(cè)量電阻分別轉(zhuǎn)換成電阻率.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 連續(xù)鑄擠成形圓鋁桿的微觀組織

圖2為在線水冷連續(xù)鑄擠成形圓鋁桿的微觀組織.從圖2可以看出，連續(xù)鑄擠成形圓鋁桿的微觀組織呈現(xiàn)典型的較細(xì)小等軸晶組織.這主要是：一方面，連續(xù)鑄擠成形過(guò)程中，單輥對(duì)鋁溶體強(qiáng)烈的剪切、細(xì)化和枝晶的破碎作用，促進(jìn)了鋁晶粒的形核，提高了晶粒的形核率；另一方面，由于熱擠壓成形出口溫度較高，有利于晶粒的再結(jié)晶形核與長(zhǎng)大，加之，圓鋁桿脫模后立即受到強(qiáng)烈的冷卻作用，限制了晶粒的長(zhǎng)大.因此形核成為較均勻的細(xì)等軸晶組織.

圖2 連續(xù)鑄擠在線水冷工藝制備的電工鋁桿的微觀組織Fig.2 Microstructure of pure aluminum electric conductor prepared by CASTEX process with on-line water cooling

2.2 連續(xù)鑄擠成形圓鋁桿的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能

表3為連續(xù)鑄擠成形圓鋁桿的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能.由表3可知：連續(xù)鑄擠在線水冷工藝與空冷生產(chǎn)的電工圓鋁桿的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能優(yōu)良.其主要雜質(zhì)元素硅的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.7%～0.9%范圍內(nèi)變化時(shí)，在線水冷連續(xù)鑄擠成形直徑9mm電工圓鋁桿的拉伸強(qiáng)度為93.3～97.4MPa，延伸率為21.1%～23.1%，電阻率為27.20～27.30nΩm；連續(xù)鑄擠空冷盤狀鋁桿的拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和電阻率分別為90.4～95.2 MPa，21.1%～22.1%和27.09～27.20nΩm.呈現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能，且空冷技術(shù)提高圓鋁桿的導(dǎo)電性能.這主要原因是：①由于圓鋁桿中含有一定量的硼，除去了重熔鋁錠中嚴(yán)重影響鋁桿導(dǎo)電性能的雜質(zhì)元素（Cr、Mn、V、Ti、Zr）和改變了鋁基體Fe雜質(zhì)化合物的形貌與分布［5-7］；②連續(xù)鑄擠成形工藝所具有的單輥剪切作用，改善了組織均勻性，提高了桿材表面質(zhì)量、幾何尺寸均勻性和電工圓鋁桿成形過(guò)程中的變形均勻性，從而綜合提高了電工圓鋁桿的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能.目前工業(yè)生產(chǎn)圓鋁桿廣泛采用連鑄連軋生產(chǎn)技術(shù)，鋁桿生產(chǎn)過(guò)程中，由于設(shè)備制造與裝備精度與成品孔型系統(tǒng)采用弧三角-圓孔型系統(tǒng)，圓鋁桿幾何尺寸在橫斷面和長(zhǎng)度方向上存在較大偏差和圓鋁桿的“橢圓化”現(xiàn)象，影響了其變形的均勻性；而連續(xù)鑄擠成形工藝制備圓鋁桿其幾何尺寸均勻，變形均勻性提高，所以連續(xù)鑄擠成圓鋁桿表現(xiàn)為優(yōu)良的延伸性能.

表3 連續(xù)鑄擠在線水冷成形圓鋁桿的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能Table 3 The mechanical properties and electric conductivities of aluminum rods prepared by Castex process with in-line cooling

空冷態(tài)電工圓鋁桿的導(dǎo)電性能較水冷態(tài)圓鋁的導(dǎo)電性能略有提高，主要是由于連續(xù)鑄擠成形鋁桿脫模溫度高，有利于晶粒的再結(jié)晶長(zhǎng)大和鋁桿成形過(guò)程中位錯(cuò)、缺陷及空位等的消除，提高了電工圓鋁桿的組織均勻性的原故.

3 結(jié) 論

（1）連續(xù)鑄擠工藝可制備組織良好的電工圓鋁桿導(dǎo)電材料.其微觀組織為較均勻的細(xì)等軸晶組織.

（2）連續(xù)鑄擠成形電工圓鋁桿的最佳工藝：澆注溫度為730℃，鑄擠輪轉(zhuǎn)速為15r／min，擠壓出口桿溫度為500℃，成盤桿空冷至室溫，制成電工圓鋁桿的拉伸強(qiáng)度為90.4～95.2MPa，伸長(zhǎng)率為21.1% ～22.1%，電阻率為 27.09～27.20 nΩm，綜合力學(xué)性能和導(dǎo)電性能優(yōu)良.

［1］ 黃豪士.用于資源節(jié)約型輸電線路的導(dǎo)線之一［J］.電線電纜，2011（1）：1-4.

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