高性能稀土铝合金导体材料研究

摘要

随着我国经济的快速发展,电力系统的大发展、大规模的基础建设,我国对电线电缆的需求量快速的增长。目前我国电线电缆的导体材料大部分采用是铜导体,但由于我国铜资源紧张,铜价居高不下,铜导体材料占据铜电线电缆成本的约70％,导致制造铜电线电缆的成本太大;若使用纯铝导体材料,经过我国长期的使用发现纯铝导体材料长期运行或电流过载后会发生较大的蠕变,导致接触电阻增大,易引起事故,且弯曲性能不好,易开裂或折断,同样易引发事故。因此,铝合金导体材料的研究势在必行。
　　本文采用正交试验方案,通过自硬树脂砂型铸造、旋锻加工等工艺制备稀土铝合金杆,测试其抗拉强度、断裂延伸率、导电率,研究合金元素铁、铜、镁、铈对稀土铝合金导体材料力学性能与导电性能的影响,旨在获得一种具有高的导电性和良好机械性能的稀土铝合金导体材料的最佳配方。研究结果表明:合金元素铁、铜、镁、铈的加入提高了稀土铝合金导体材料抗拉强度,而且铁元素对其抗拉强度的影响最大,其次是镁、铜、铈;合金元素铁、镁的加入降低了稀土铝合金导体材料的断裂延伸率,而且铁元素对稀土铝合金导体材料的断裂延伸率的影响较大,在稀土铝合金导体材料中加入0.10%~0.40%的铜元素,随着铜元素含量的增加稀土铝合金导体材料的断裂延伸率先有所增长继而降低,但是变动数值较小,说明铜元素对稀土铝合金导体材料的断裂延伸率影响较小,在稀土铝合金导体材料中加入0.10~0.30%的稀土元素铈,当稀土铝合金导体材料中稀土元素铈的含量高于0.1%而低于0.2%时,随着铈元素含量的增加,稀土铝合金导体材料的断裂延伸性逐渐降低,当稀土铝合金导体材料中稀土元素铈的含量大于0.2%而小于0.3%时,随着铈元素含量的增加,稀土铝合金导体材料的断裂延伸率逐渐提高;合金元素铁、铜、镁的加入降低了稀土铝合金导体材料的导电率,而且铁元素对稀土铝合金导体材料的导电率的影响较大,其次是镁元素、铜元素,在试验范围内向稀土铝合金导体材料中加入稀土元素铈,随着稀土元素铈含量的增加,稀土铝合金导体材料的导电率逐渐增大;综合考虑试验分析结果及实际应用中对稀土铝导体材料力学性能和导电性能的要求,其最佳的合金元素成分配比是0.25%Fe、0.40%Cu、0.05%Mg、0.30%Ce、0.008%B、其余为铝及不可避免的杂质。
　　在确定稀土铝合金导体材料的最佳合金元素成分配比后,采用连铸连轧、拉拔制备化学成分为最佳合金元素成分配比的稀土铝合金导线,对经过了冷拉变形的稀土铝合金导线进行不同工艺参数退火处理,测试其抗拉强度、断裂延伸率、电阻率、导电率,研究退火处理工艺对稀土铝合金导线力学性能与导电性能的影响。研究结果表明:退火处理可以降低稀土铝合金导线的抗拉强度,提高其断裂延伸率,而且退火温度相同时,随着保温时间的增加,稀土铝合金导线的抗拉强度逐渐降低、断裂延伸率逐渐增大,退火处理的保温时间相同时,随着退火温度的增大,稀土铝合金导线的抗拉强度不断的降低、断裂延伸率不断的增加,退火处理的退火温度(在一定的范围内)和保温时间达到一定值时,随着退火温度或者保温时间的增加,稀土铝合金导线的抗拉强度与断裂延伸率变化不大;退火处理可以降低稀土铝合金导线的电阻率,提高其导电率,而且退火温度相同时,随着保温时间的增加,稀土铝合金导线的电阻率逐渐减小、导电率逐渐增大,退火处理的保温时间相同时,随着退火温度的增大,稀土铝合金导线的电阻率逐渐减小、导电率逐渐增大;综合考虑实验分析结果与实际应用中电线电缆线芯对铝合金导线力学性能和导电性能的要求,其最佳的退火处理工艺参数是退火温度310℃,保温时间30分钟,直接空冷,经该退火处理工艺处理的稀土铝合金导线,抗拉强度为129N/mm2,断裂延伸率为15.0%,电阻率为2.782×10-8Ω·m,导电率为62%IACS。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 铝合金导体材料在电线电缆中的应用现状

1.3 铝合金导体材料的研究现状

1.4 影响铝合金导体材料性能的因素

1.5 课题的来源、研究意义及主要内容

第二章 稀土铝合金导体材料试验方法及设备

2.1 试验方案

2.2 试验原材料

2.3 试验用仪器设备

2.4 试验方法

第三章 稀土铝合金导体材料试验结果与分析

3.1 合金元素对稀土铝合金导体材料抗拉强度的影响

3.2 合金元素对稀土铝合金导体材料断裂延伸率的影响

3.3 合金元素对稀土铝合金导体材料导电率的影响

第四章 稀土铝合金导线工业化生产设备与工艺

4.1 引言

4.2 实验原材料及设备

4.3 稀土铝合金导线的制备

第五章 退火处理对稀土铝合金导线性能的影响

5.1 引言

5.2 实验方案及设备

5.3 稀土铝合金导线力学性能与导电性能的测试

5.4 实验结果与分析

第六章 结论

参考文献

硕士期间发表的论文