高強度導(dǎo)電性鋁合金金具材料的研究

重慶德普電氣有限公司 楊 徽 龔 亮 張軍強 黃儒偉 王 超 重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院 曾 文 曹獻(xiàn)龍

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會的進(jìn)步，超高壓、遠(yuǎn)距離電網(wǎng)已成為電能傳輸?shù)闹髁?。電力金具是連接和組合這些電力系統(tǒng)中所涉及的各類裝置、傳遞機械、電氣負(fù)荷及某些起防護(hù)作用的金屬附件，在輸變電工程中發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用，其產(chǎn)品質(zhì)量不僅影響到電網(wǎng)的安全運行，還關(guān)系到生命財產(chǎn)的安全。在實際應(yīng)用過程中，電力金具既要滿足良好的電氣性能要求，又要滿足較高的機械性能要求，這對電力金具的制造材料提出了更高的要求。以往，電力金具材料多采用鐵基金屬，其具有較好的力學(xué)性能，但其結(jié)構(gòu)粗大笨重、施工不便，更重要的是這類鐵磁性材料在交變電磁場中產(chǎn)生顯著的渦流損耗和磁滯損耗，造成電能巨大損失，給電網(wǎng)帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。

為解決這一問題，學(xué)者們對電力金具材料進(jìn)行了廣泛的探索，主要集中在傳統(tǒng)材料改性、新型材料的研發(fā)、新型制造工藝及新型結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面。其中研究和開發(fā)新型鋁合金材料是公認(rèn)的經(jīng)濟(jì)有效的途徑，尤其是節(jié)能型的無磁高強鋁合金作為金具材料使用具有重要意義，它可有效降低能量損耗。為了更好地發(fā)揮新開發(fā)的鋁合金電力金具材料的作用，有必要進(jìn)行其基本的電氣性能及力學(xué)性能的評估和分析。

1 試驗方法及過程

力學(xué)性能試驗。鋁合金的力學(xué)性能對鋁合金金具的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用，特別是當(dāng)鋁合金金具通電運行時，其力學(xué)性能勢必會隨著溫度的升高而降低。本試驗是根據(jù)GB/T228.1-2010和GB/T228.2-2015的要求，在純鋁棒和制造鋁合金金具的坯料上取樣，所有試樣均為圓棒狀（圖1），原始標(biāo)距為25mm、平行長度為50mm，使用中機試驗裝備股份有限公司DNS20型號電子萬能試驗機進(jìn)行拉伸測試，拉伸速度為3mm/min，分別測試在25℃、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃時試樣力學(xué)性能的變化，分析其在增容導(dǎo)線傳輸線路的實際運行溫度及高溫狀態(tài)下運行的可靠性。

圖1 原始拉伸試樣外觀

金相組織觀察。將純鋁和鋁合金試樣用砂紙逐級打磨，然后用拋光機進(jìn)行拋光，隨后用由95mlH2O、1.0mlHF、2.5mlHNO3和1.5mlHCl組成的Keller's浸蝕劑進(jìn)行浸蝕20～30s。采用奧林巴斯GX71光學(xué)顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察；電阻率試驗。鋁合金電阻率的高低決定了鋁合金電阻的大小，鋁合金電阻的大小又決定了通電運行時鋁合金的溫度，且鋁合金的電阻率會隨著溫度的升高而受到影響。本試驗是根據(jù)GB/T3048.2-2007的要求，分別從純鋁棒和制造鋁合金金具的DP-L007鋁合金坯料中進(jìn)行取樣，利用凱爾文電橋的原理，分別測試其在25℃～250℃時的電阻率，每25℃測一個點。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能試驗

由試件的斷口照片圖2可知：不論是在高溫條件下還是室溫條件下，DP-L007鋁合金的破壞大多數(shù)接近于塑性破壞，斷口截面有較明顯的頸縮現(xiàn)象。純鋁和鋁合金在不同溫度下的拉伸力與位移實測曲線如圖3和圖4所示。鋁合金和純鋁抗拉強度隨溫度的變化關(guān)系如圖5所示。表1為試樣的力學(xué)性能指標(biāo)實測結(jié)果。從表1、圖3中可看出：隨著溫度的升高，純鋁和鋁合金抗拉強度均逐漸降低，這與鋁材料中位錯的運動和熱激活有關(guān)，在低溫情況下，變形使鋁材料中生成高密度位錯[1]，導(dǎo)致位錯運動受阻致使鋁材具有較高的強度。純鋁的抗拉強度下降幅度相對較小，當(dāng)溫度從室溫升高到100℃時，純鋁抗拉強度降低3.5MPa，當(dāng)進(jìn)一步升至150℃時則降低6MPa。

圖2 拉伸試樣斷后狀態(tài)

表1 純鋁及鋁合金力學(xué)性能數(shù)據(jù)表

圖3 純鋁在不同溫度下的拉伸力與位移曲線（a25℃，b100℃，c150℃，d200℃，e250℃，f300℃）

圖4 鋁合金在不同溫度下的拉伸力與位移曲線（a25℃，b100℃，c150℃，d200℃，e250℃，f300℃）

圖5 純鋁（a）及鋁合金（b）抗拉強度隨溫度變化曲線

對于鋁合金而言，抗拉強度下降幅度較大，分別降低22.5MPa和30MPa。但整個溫度變化過程中，鋁合金的抗拉強度均為純鋁的5倍以上。此外，溫度變化對兩者的斷后伸長率的影響規(guī)律不明顯。從圖4的拉伸-位移曲線還可看出，隨著溫度的升高，鋁合金由彈性階段逐漸變化到塑性階段的過程中出現(xiàn)了上下抖動，這種輕微的鋸齒狀流變現(xiàn)象，與拉伸試驗過程中發(fā)生的Portevin-Lehatelier（PLC）效應(yīng)有一定關(guān)系[2-3]，這也意味著溫度越高材料的應(yīng)變硬化程度越低。盡管如此，總體來看，鋁合金在150℃高溫時抗拉強度仍能維持在300MPa以上，這有利于金具的安全穩(wěn)定工作。

2.2 試樣金相組織

純鋁和鋁合金的金相顯微組織如圖6所示。DPL007鋁合金為Al-Si-Mg系合金，硅、鎂在鋁中可形成固溶體發(fā)揮固溶強化的作用，同時鎂和硅可形成金屬間化合物Mg2Si，其作為合金的第二相而存在并起到重要強化作用[2]。由圖6可知，第二相總體分布均勻，析出相尺寸可達(dá)50um，呈現(xiàn)球形，減小了對合金基體的割裂作用，有利于保障鋁合金的力學(xué)性能[4]。

圖6 純鋁（a）和鋁合金（b）的金相顯微形貌

2.3 電阻率試驗

由圖7可知，隨著溫度的升高鋁合金和純鋁的電阻率均呈現(xiàn)上升趨勢，整個升溫過程中鋁合金的電阻率始終高于純鋁電阻率。在室溫時，鋁合金的電阻率為3.45×10-8Ω·m、純鋁的電阻率為2.71×10-8Ω·m；而當(dāng)溫度升高到250℃時，鋁合金的電阻率增加到6.05×10-8Ω·m、純鋁的電阻率增加到5.23×10-8Ω·m，兩者的電阻率均增加了接近2倍，但純鋁電阻率增加得更快。經(jīng)計算，純鋁的平均電阻溫度系數(shù)為0.0040/℃，鋁合金的平均電阻溫度系數(shù)為0.0034/℃，可見鋁合金電阻率隨溫度的變化相對更小，隨著溫度的增加，鋁合金的電阻率增加速率比純鋁棒緩慢，即鋁合金的電導(dǎo)率衰減比值優(yōu)于純鋁。對于鋁合金金具而言，在保證機械特性的情況下電導(dǎo)率緩慢衰減，有利于減小交流電阻，進(jìn)而增加金具的載流能力。

圖7 鋁合金及純鋁隨著溫度變化其電阻率的變化

綜上，在常溫狀態(tài)下，DP-L007鋁合金擁有較低的電阻率，較高的力學(xué)性能。在增容導(dǎo)線傳輸線路的實際運行溫度下，制作的金具的力學(xué)性能和電氣性能均能滿足使用要求；隨著溫度的升高，該鋁合金的電阻溫度系數(shù)優(yōu)于純鋁，其在導(dǎo)電性能上的衰減較慢，在高溫下具有良好的導(dǎo)電性能；在高溫時，該鋁合金仍具有較高的力學(xué)性能(抗拉強度)，使用該鋁合金制作的金具運行更穩(wěn)定可靠。