高強(qiáng)度大伸率鋁包鋼線生產(chǎn)工藝研究

（江蘇亨通電力智網(wǎng)科技有限公司，江蘇 蘇州 215000）

鋁包鋼產(chǎn)品經(jīng)過二十多年的發(fā)展，隨著生產(chǎn)工藝的日漸成熟對于鋁包鋼單絲的機(jī)械性能要求也有了較大的提高。鋁包鋼作為光纖復(fù)合架空地線的防護(hù)纜，鋁包鋼芯鋁絞線的加強(qiáng)芯，架空導(dǎo)線的承力線，其重量輕、載流量大、弧垂小、電力損耗少、且防腐性能好、使用壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、架設(shè)和維護(hù)方便、傳輸容量大。能夠適用于多種電壓等級的輸電線路，也可以適應(yīng)沿海、工業(yè)污染等環(huán)境較為惡劣的區(qū)域，起到防雷防腐的作用[1]。目前國際市場對鋁包鋼線的要求越來越高，我國行業(yè)內(nèi)也于2019年7月《中國電器工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)》提出高強(qiáng)度大伸率鋁包鋼線性能要求。為滿足此類高強(qiáng)度單絲的正常生產(chǎn)，我們采用低溫時(shí)效提高強(qiáng)度的方法對φ5.25mm包覆桿拉制的φ2.45mm鋁包鋼單線進(jìn)行低溫時(shí)效實(shí)驗(yàn)，通過大量實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)基本掌握了鋁包鋼低溫時(shí)效工藝[2]。

1 生產(chǎn)方案及制備結(jié)果

（1）方案1

在不考慮附加工藝的前提下，優(yōu)先考慮一次生產(chǎn)。以5.1mm高強(qiáng)度鋼絲作為優(yōu)先材料，生產(chǎn)2.45mm的鋁包鋼單絲其面縮率在82.46%，在拉制過程中會產(chǎn)生大量的熱量使鋼絲產(chǎn)生脆性導(dǎo)致在拉拔過程中鋁包鋼線脆斷，且面縮率越大對于鋼絲的索氏體化率要求也更高。

結(jié)合生產(chǎn)難度提出一種能夠大幅提高大面縮率鋁包鋼拉絲合格率的生產(chǎn)方法。

鋁包鋼拉絲用到的模具包括壓力模和拉絲模，普通鋁包鋼拉絲使用的壓力模通常為一段式硬質(zhì)合金鑲嵌在壓力模導(dǎo)管內(nèi)以保證工作區(qū)壓力的穩(wěn)定，但是其余部分直接與鋁包鋼線接觸在高溫高壓的情況下容易產(chǎn)生變形包括出口處更容易磨損?；诖私Y(jié)合大面縮率鋁包鋼線生產(chǎn)的難度，我們把壓力模分成三段式分為入口區(qū)、穩(wěn)壓區(qū)、出口區(qū)，將整個(gè)壓力模導(dǎo)管內(nèi)全部鑲嵌硬質(zhì)合金形成合金壓力模，加長了壓力模工作區(qū)的同時(shí)增強(qiáng)了模具的耐磨性能夠長時(shí)間，高速度的進(jìn)行穩(wěn)定的生產(chǎn)。

對拉絲粉進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)純鈣基拉絲粉能夠較好的適應(yīng)大壓縮比拉絲能夠滿足本次試制要求。同時(shí)我們也針對拉絲配模進(jìn)行了改進(jìn)，傳統(tǒng)配模通常按照第一道較小，第二道最大后逐道遞減的方式進(jìn)行配模（見表1），而本次則是第一道較小，后7道等面縮率的方式進(jìn)行配模（見表2）。

從上表中可以看出，由于包覆桿規(guī)格的增大材料硬度等因素的影響我們將壓力模相應(yīng)的放大使保證包覆桿能夠順利通過模具進(jìn)入到拉絲過程。事實(shí)證明壓力模放大不僅能夠使材料更容易通過模具且附粉效果更好。

制備與分析：

為減少材料脆斷的可能性，模具冷卻水溫度控制在30℃左右，拉絲速度控制在3.0m/s～3.5m/s，使鋁包鋼線有更多的時(shí)間冷卻同時(shí)拉絲粉的溫度提升也能得到一定的緩解以此保證鋁包鋼拉絲的連續(xù)生產(chǎn)。試驗(yàn)用13卷鋼絲盤條一次合格率為80%，共2300km鋁包鋼線投入絞線后斷線26次（客戶對產(chǎn)品有特殊要求所以未經(jīng)過篩選）。

此方案生產(chǎn)鋁包鋼線時(shí)位錯(cuò)密度不斷增加，對鋁包鋼線的應(yīng)力產(chǎn)生了極大的消耗，使得其抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到1780Mpa～1800Mpa，斷時(shí)伸長率在1.2%～1.5%，斷后伸長率為0.2%～0.6%，扭轉(zhuǎn)24～30圈。

（2）方案2

使用5.25mm材料我們在配模以及拉絲粉方面未做更改，只是將上述所述的合金壓力模繼承。后期通過我們大量的實(shí)驗(yàn)證明此種三段式合金壓力?？梢宰龅椒€(wěn)定恒壓，但是由于長期連續(xù)高速生產(chǎn)會使其內(nèi)部壓力變大。鋁包鋼作為一種雙金屬復(fù)合材料在拉制過程中需要做到雙金屬同步變形才能形成生產(chǎn)導(dǎo)地線、防雷線所需的鋁包鋼線，在雙金屬同步變形的過程中依舊有受力順序，20%IACS材料鋁層較雙金屬受力幾乎是同步的。而30%甚至40%導(dǎo)電率的鋁包鋼線鋼鋁比重達(dá)到3.8：6.2，雙金屬受力出現(xiàn)時(shí)間差，鋁層受力時(shí)間更長導(dǎo)致了鋁包鋼線本身出現(xiàn)竹節(jié)狀使得壓力模導(dǎo)管內(nèi)壓力出現(xiàn)變化生產(chǎn)過程反而不順利。所以合金壓力模的使用只適合于低導(dǎo)電率材料的生產(chǎn)。

表1 鋁包鋼拉絲配模數(shù)據(jù)遞減

表2 鋁包鋼拉絲配模等面縮率方式

此種方式生產(chǎn)成材率相對更高，但是鋁包鋼線的力學(xué)性能無法滿足，理論計(jì)算強(qiáng)度最高為1630Mpa左右。為使產(chǎn)品性能盡量靠近上限，我們將拉絲速度盡量提高，冷卻循環(huán)水流量減小，將拉制溫度控制在180℃左右得到的產(chǎn)品強(qiáng)度接近理論值在1630Mpa～1650Mpa，斷時(shí)伸長率在1.3%～1.5%，但是鋁包鋼在高溫下拉制必定帶來鋼絲產(chǎn)生脆性特別是在伸長率低的情況下更加增加了斷線的風(fēng)險(xiǎn)。

高強(qiáng)度大伸率鋁包鋼線需同時(shí)滿足抗拉強(qiáng)度和伸長率的要求，所以我們需要對產(chǎn)品進(jìn)行二次處理使其達(dá)到我們所需要的性能。

高碳鋼在經(jīng)過冷拉后抗拉強(qiáng)度大幅提高，塑性大幅降低，為了得到更好的綜合力學(xué)性能需經(jīng)過一定溫度的回火處理。鋁包鋼線抗拉強(qiáng)度主要有鋼芯提供，在經(jīng)過拉絲的強(qiáng)制拉拔后與高碳鋼冷拉后的狀態(tài)相近，高碳鋼回火須450℃左右，而鋁包鋼線因?yàn)殇X的存在導(dǎo)致其回火溫度不能過高。我們從140℃至260℃分別做了多次時(shí)效實(shí)驗(yàn)，分別在160℃，240℃兩個(gè)溫度下對加溫時(shí)間進(jìn)行控制得到的鋁包鋼線的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖。

表3 鋁包鋼線的力學(xué)性能數(shù)據(jù)提取

圖1 鋁包鋼先在不同溫度下的機(jī)械性能

鋁包鋼線在160℃的溫度下進(jìn)行回火，鋁包鋼線主要在抗拉強(qiáng)度方面提升較大，在低溫回火1小時(shí)左右抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高值，繼續(xù)加溫對抗拉強(qiáng)度影響程度較小，因此懷疑變形時(shí)的形變儲能釋放完全，當(dāng)壓縮率達(dá)到一定值時(shí),位錯(cuò)密度的減少對強(qiáng)度的削弱和ε-碳化物在鐵素體基體表面析出的強(qiáng)化作用達(dá)到平衡。在240℃的溫度下進(jìn)行回火，主要性能提升在伸長率方面而抗拉強(qiáng)度則出現(xiàn)下降趨勢，同樣在回火1小時(shí)左右抗拉強(qiáng)度不再下降，伸長率仍有增加趨勢。此外，我們對不同規(guī)格不同線徑鋁包鋼絲也做了相同實(shí)驗(yàn)，想要達(dá)到高強(qiáng)度鋁包鋼線、大伸長率鋁包鋼線、高強(qiáng)度大伸率鋁包鋼線的力學(xué)性能指標(biāo)，都能夠使用低溫回火的方式進(jìn)行性能改善。

另外，我們對方案一提到的生產(chǎn)方法生產(chǎn)出來的2.45mm鋁包鋼線同樣進(jìn)行了低溫回火實(shí)驗(yàn)，不同溫度對產(chǎn)品的抗拉性能提升已經(jīng)不明顯，而當(dāng)溫度達(dá)到280℃～300℃，時(shí)間在半小時(shí)左右其抗拉強(qiáng)度開始下降，伸長率開始增長?；究梢耘袛?，當(dāng)鋁包鋼拉絲面縮率達(dá)到80%左右為平衡值，低于該平衡值時(shí)鋁包鋼線的抗拉強(qiáng)度有提升空間，當(dāng)面縮率大于該值時(shí)抗拉強(qiáng)度已無提升空間但是伸長率在低溫回火狀態(tài)下都能夠得到提升。

2 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)、分析和統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證了理論猜想，并的出以下結(jié)論。

（1）鋁包鋼線通過低溫回火的方式能夠進(jìn)一步改善鋁包鋼線的力學(xué)性能，可以通過實(shí)際回火實(shí)驗(yàn)得出大致的回火溫度以及回火時(shí)間，以便于后期批量生產(chǎn)。

（2）鋁包鋼線在極限面縮率下生產(chǎn)可以通過模具改進(jìn)，拉絲粉、壓力模配合，工裝及生產(chǎn)方法的優(yōu)化等方面進(jìn)行技改使得產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率大大提升。

（3）根據(jù)20%IACS鋁包鋼線低溫回火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以將低溫回火工藝參數(shù)基本確定，便于后期工藝管理，也可以為其他規(guī)格鋁包鋼線或者其他金屬材料性能提升提供合理方案。

（4）鋁包鋼線面縮率在80%時(shí)是一個(gè)平衡值，總壓縮率大于平衡值后產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度已無提升空間，總壓縮率小于平衡值時(shí)產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度能夠得到一定的提升。而此平衡值對于伸長率基本無影響。

通過合理的方式有效提高鋁包鋼線力學(xué)性能，從而提高光纜及導(dǎo)地線產(chǎn)品的綜合性能，有效改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品使用壽命，提前規(guī)避鋁包鋼產(chǎn)品因單項(xiàng)性能不合格產(chǎn)生的質(zhì)量問題，對于鋁包鋼行業(yè)的工藝完善也有很好的促進(jìn)作用。