Al-Fe-Sr-RE鋁合金電纜銅鋁過渡端子及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于銅鋁過渡端子的技術(shù)領(lǐng)域，涉及鋁合金電纜用銅鋁過渡端子，具體涉及一種Al-Fe-Sr-RE鋁合金電纜銅鋁過渡端子及其制備方法。本發(fā)明的銅鋁過渡端子電氣性、機(jī)械性、抗蠕變性能優(yōu)異，質(zhì)量可靠，不存在安全隱患。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)電力的需求持續(xù)增加，電線電纜行業(yè)的市場(chǎng)空間巨大。但在電線電纜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中占主要成分的銅、鋁導(dǎo)體本身存在著難以克服的缺點(diǎn)，因而需要設(shè)計(jì)制造銅鋁過渡端子。
[0003]現(xiàn)有的銅鋁過渡端子主要由銅鼻子和普通的鋁連接管組成，其銅鼻子主要采用電工銅，連接管多采用普通鋁材，如1350牌鋁材，該普通銅鋁過渡端子用于鋁合金電纜存在以下缺陷:1、普通鋁材長(zhǎng)期在溫度不斷變化的作用下易發(fā)生蠕變，使其結(jié)構(gòu)尺寸產(chǎn)生不可逆變化。2、圓柱形連接管用于低壓電力電纜異形導(dǎo)體(如扇形、瓦型、半圓型)，由于二者形狀相差太大，在接頭時(shí)即使采取整形措施，也難以保證把導(dǎo)體做到圓整的外形，導(dǎo)致導(dǎo)體外表面和連接管內(nèi)壁之間空隙不均勻，給電纜長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。3、電纜在使用安全性上主要是受制于端子連接穩(wěn)定性，目前鋁合金電纜主要使用的是銅鋁過渡端子，銅鼻子材質(zhì)為電工銅，連接管為純鋁并不是鋁合金材料，這就導(dǎo)致了鋁端子與鋁合金導(dǎo)體壓接后，在使用過程中存在安全隱患，同時(shí)鋁導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度偏低，焊接性能差，接觸電阻大，在工程項(xiàng)目中推廣應(yīng)用受到限制。4、現(xiàn)有的銅鋁過渡端子是鋁連接管與銅鼻子的直接焊接成一體結(jié)構(gòu)，由于鋁與銅的電阻率、載流能力的不同，由鋁直接過渡到銅會(huì)引起電氣現(xiàn)象，銅鋁結(jié)合面斷裂、易造成觸電等危害，這種現(xiàn)有的銅鋁過渡端子由鋁合金電纜過渡到鋁再過渡到銅，強(qiáng)制性、硬轉(zhuǎn)接的過渡方式，存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題和安全隱患。5、目前市場(chǎng)上使用銅鋁端子的生產(chǎn)工藝，普遍采用將銅、鋁棒先焊接后沖壓成型工藝，而銅棒在沖壓成接近90°平面時(shí)，焊縫處銅截面向受沖壓方向拉伸傾斜變形，再由于鋁比銅的延展性好，故導(dǎo)致焊縫邊上的鋁同樣往受沖壓方向拉伸，使整個(gè)焊縫傾斜變形，導(dǎo)致鋁截面周邊的分子晶體結(jié)構(gòu)變異，出現(xiàn)裂紋、松散等現(xiàn)象，影響整個(gè)焊接面的牢固度(DTL類型產(chǎn)品屬于直接對(duì)焊縫沖壓，焊縫影響更為嚴(yán)重)，而銅鋁焊接面的牢固度又是整個(gè)連接器最為關(guān)鍵的所在。使用焊接不牢固、虛焊及焊接面分子晶體結(jié)構(gòu)受影響的銅鋁連接器時(shí)，易出現(xiàn)銅鋁結(jié)合面斷裂和電化腐蝕等現(xiàn)象，導(dǎo)致電力中斷、觸電及發(fā)生火災(zāi)事故。
[0004]還有的采用鋁合金材質(zhì)的連接管和銅鼻子，該種設(shè)計(jì)雖然在一定程度上對(duì)電力的輸出有改善作用，但是該種過渡方式依然存在在結(jié)合面電阻增大，易發(fā)生短路、過燒和截面斷裂的問題，在銅鋁過渡區(qū)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)和瓶頸效應(yīng)。因而，為鋁合金電纜產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，研究并解決銅鋁過渡端子的技術(shù)方案是目前迫切需要解決的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中銅鋁過渡端子因其電氣性、機(jī)械性、抗蠕變性能力差，導(dǎo)致鋁合金電纜在實(shí)際應(yīng)用連接中存在著極大的質(zhì)量問題和安全隱患的問題，提供了一種Al-Fe-Sr-RE鋁合金電纜銅鋁過渡端子及其制備方法。本發(fā)明的銅鋁過渡端子電氣性、機(jī)械性、抗蠕變性能優(yōu)異，在溫度不斷變化的情況下，也具有可靠地連接性，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，從鋁合金電纜到連接管到銅鼻子的過渡平穩(wěn)、溫和。
[0006]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)其目的采用的技術(shù)方案是:
[0007]Al-Fe-Sr-RE鋁合金電纜銅鋁過渡端子，包括與電纜導(dǎo)體連接的鋁合金連接管、與鋁合金連接管另一端連接的銅鼻子，在鋁合金連接管與銅鼻子之間設(shè)置有銅鋁過渡件，所述銅鋁過渡件為柱狀實(shí)心結(jié)構(gòu)的鋁合金。
[0008]所述的銅鋁過渡件按重量百分比包含:Si 0.015-0.018%,Fe 0.15-1.13%、Cu0.5-1.43%、Mg 0.25-0.33%、Zn 0.09-0.17 %、Mn 0.08-0.11 %、Ti 0.15-0.26%、Co0.08-0.10%、Be 0.05-0.09% ^Ca 0.09-0.16 % ^ Sr 0.25-0.33 %、RE 0.卜 0.6%、Cr0.001-0.003%^Ag 0.01-0.05%、Bi 0.0005-0.0008% ^Sb 0.001-0.0015% ^As 0.001-0.0015%,Ni 0.001-0.0015%,Pb 0.001-0.0015%、余量為鋁。該銅鋁過渡件化學(xué)成分及比例的控制，改善了銅鋁過渡區(qū)熱膨脹系數(shù)，提高了抗過載能力，實(shí)現(xiàn)了鋁合金連接管電流向銅鼻子的平穩(wěn)過渡。
[0009]所述的銅鋁過渡件的直徑小于鋁合金連接管的直徑，該設(shè)計(jì)主要由于銅鋁過渡件的長(zhǎng)度小于鋁合金連接管的長(zhǎng)度，為了保證鋁合金連接管的電流向銅鋁過渡件的平穩(wěn)過渡，應(yīng)保證傳輸電阻的穩(wěn)定性，緩慢的降低電阻，故而發(fā)明人將銅鋁過渡件的直徑設(shè)計(jì)的比鋁合金連接管的直徑小，進(jìn)一步優(yōu)選的，銅鋁過渡件的長(zhǎng)度為鋁合金連接管長(zhǎng)度的1/4-1/3，銅鋁過渡件的直徑為鋁合金連接管直徑的1/3-1/2。
[0010]鋁合金連接管的材質(zhì)成分與所連接的電纜導(dǎo)體的材質(zhì)成分相同，該設(shè)計(jì)使得鋁合金連接管與電纜導(dǎo)體的過渡自然平穩(wěn)，不會(huì)造成電流的跳級(jí)或大幅度的波動(dòng)，降低了傳輸電阻，避免了經(jīng)過多種媒介質(zhì)導(dǎo)致的發(fā)熱現(xiàn)象。
[0011]所述鋁合金連接管按重量百分比包含:Si 0.013-0.03%,Fe 0.05-2.3%,Cu0.05-0.13%、Mg 0.15-0.6%、Ζη 0.05-0.27 %、Μη 0.07-0.18% ^Ti 0.15-0.26 %、Co0.06-0.12%、Be 0.05-0.09% ^Ca 0.05-0.28 % ^ Sr 0.25-0.33 %、RE0.卜0.6 %、Cr
0.003-0.005%、余量為鋁。本鋁合金連接管可以適用于所有的鋁合金電纜，本鋁合金連接管無需考慮鋁合金電纜的化學(xué)成分，通過控制本鋁合金連接管各元素的比例，可以有效避免由于媒介質(zhì)不同導(dǎo)致的發(fā)熱現(xiàn)象，同樣可以實(shí)現(xiàn)電纜導(dǎo)體和鋁合金連接管的自然、平穩(wěn)過渡，不會(huì)造成電流跳級(jí)和大幅度波動(dòng)。
[0012]所述鋁合金連接管為堵油型結(jié)構(gòu)。
[0013]所述的銅鼻子的材質(zhì)為Tl純銅或T2純銅。
[0014]所述的銅鼻子為L(zhǎng)型，包括與斷路器連接的底板和與底板連接的連接柱，連接柱的另一端與銅鋁過渡件連接。優(yōu)選的，連接柱的直徑與銅鋁過渡件的直徑相同。
[0015]一種制備Al-Fe-Sr-RE鋁合金電纜銅鋁過渡端子的方法，包括以下步驟:
[0016]A、半成品的鑄造:取鋁合金連接管的原料成分，熔融后澆鑄成型，得到鋁合金連接管半成品，取銅鋁過渡件的原料成分，熔融后澆鑄成型，得到銅鋁過渡件半成品；
[0017]B、銅鼻子的鑄造:取TI純銅或T2純銅，熔融后澆鑄成型，得銅鼻子；
[0018]C、優(yōu)化處理:將步驟A得到的半成品依次經(jīng)過均勻化處理、間歇式退火處理、時(shí)效處理，得到鋁合金連接管、銅鋁過渡件；
[0019]D、銅鋁過渡端子的制備:采用摩擦焊接工藝將鋁合金連接管、銅鋁過渡件、銅鼻子焊接成一體結(jié)構(gòu)，得到銅鋁過渡端子。
[0020]步驟C中，優(yōu)化處理具體操作包括:
[0021]C1、鋁合金連接管半成品的優(yōu)化處理:將鋁合金連接管半成品置于480-530°C溫度下，均勻化處理12-24h;然后將均勻化處理后的鋁合金連接管半成品進(jìn)行間歇性退火處理，于230-380°C溫度下，保溫0.5-3h后降溫，溫度降至120-180°C后保溫l_5h，冷卻；然后將經(jīng)過間歇性退火處理的鋁合金連接管半成品于電場(chǎng)強(qiáng)度為3-12KV/cm的均勻電場(chǎng)中進(jìn)行時(shí)效處理，控制時(shí)效處理的溫度為200-310 °C，時(shí)效處理的時(shí)間為8-24h;
[0022]C2、銅鋁過渡件半成品的優(yōu)化處理:將銅鋁過渡件半成品置于490-510°C溫度下，均勻化處理14-24h;然后將均勻化處理后的銅鋁過渡件半成品進(jìn)行間歇性退火處理，于250-410°C溫度下，保溫l_5h后降溫，溫度降至180-210°C后保溫2-3h，冷卻；然后將經(jīng)過間歇性退火處理的銅鋁過渡件半成品于電場(chǎng)強(qiáng)度為4-lOKV/cm的均勻電場(chǎng)中進(jìn)行時(shí)效處理，控制時(shí)效處理的溫度為210-280 0C，時(shí)效處理的時(shí)間為9-16h。
[0023]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明在銅鋁過渡端子上設(shè)計(jì)了銅鋁過渡件，當(dāng)由鋁合金連接管過渡到銅鼻子時(shí)，由于增設(shè)了銅鋁過渡件，使得鋁合金連接管與銅鼻子之間的過渡更平穩(wěn)，抗蠕變性增強(qiáng)，電力輸出更穩(wěn)定，同時(shí)由于銅鋁過渡件的增設(shè)，提高了過流能力，消除了輸電過程中銅鋁過渡區(qū)傳輸?shù)钠款i效應(yīng)，解決了銅鋁過渡件存在的結(jié)構(gòu)性問題，提高了連接的可靠性、降低了傳輸電阻、減少發(fā)熱損耗、延長(zhǎng)電力設(shè)施的壽命。且本發(fā)明的銅鋁過渡端子在實(shí)際應(yīng)用中極為靈活方便，具有廣泛的適應(yīng)性。
[0024]本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單、易操作，制備的銅鋁過渡端子成品率高、穩(wěn)定性好，質(zhì)量可靠。本制備方法的關(guān)鍵在于對(duì)鋁合金連接管半成品和銅鋁過渡件半成品的優(yōu)化處理，通過優(yōu)化處理解決了鋁合金澆鑄凝固時(shí)的枝晶偏析狀況，消除了在晶界和晶內(nèi)各組元分布不均勻的現(xiàn)象。通過均勻化處理促進(jìn)了合金中共晶相溶解，使合金化學(xué)成分分布趨于均勻，組織達(dá)到會(huì)接近平衡狀態(tài)，改善合金中所成相的形狀和分布，提高合金的塑性，并提高合金元素(除鋁以外的其他元素)在基體(鋁)中的固溶度從而提高合金的強(qiáng)度，最終改善合金的加工性能和最終使用性能;本發(fā)明中均勻化處理的時(shí)間和溫度是發(fā)明熱經(jīng)過長(zhǎng)期的創(chuàng)造性研究總結(jié)得到的，在該均勻化處理時(shí)間和溫度的情況下，實(shí)現(xiàn)了合金元素的擴(kuò)散，枝晶偏析消除，從晶界至晶內(nèi)的分布趨于平穩(wěn)，晶界上的殘留相也基本溶解。通過間歇式退火處理，降低了變形抗力，避免了過熱、過燒現(xiàn)象，提高了鋁合金的耐蝕性能，防止層狀組織的生成，減弱成分間的各項(xiàng)異性，進(jìn)一步提高鋁合金的強(qiáng)度和塑性，消除了機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的損傷，優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)，恢復(fù)線材的電性能，優(yōu)化機(jī)械性能，使材料的拉伸性能、柔韌性能和抗疲勞性能保持較好的匹配；由于鋁合金連接管半成品和銅鋁過渡件半成品中含有Cr、Mn、Ti元素，經(jīng)過間歇式退火處理，在本發(fā)明給出的退火條件下，形成A17Cr、A16Mn、A13T i金屬間化合物，他們可以穩(wěn)定位錯(cuò)、亞晶界等亞結(jié)構(gòu)，大幅提高了位錯(cuò)滑移所需的切應(yīng)力，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，有利于實(shí)現(xiàn)高溫形變熱處理，可促進(jìn)時(shí)效過程中第二相分布均勻，為銅鋁合金端子在應(yīng)用過程中溫度變化下可穩(wěn)定作用提供保障。再將退火處理后的鋁合金在均勻電場(chǎng)中進(jìn)行時(shí)效處理，通過時(shí)效處理可以使整個(gè)材料的性能達(dá)到均勻分布，各項(xiàng)性能綜合指標(biāo)達(dá)到倶佳的匹配；由于銅元素的存在，在時(shí)效處理的過程中，可以強(qiáng)化銅與鋁形成的Θ相的固溶強(qiáng)化作用和彌散強(qiáng)化作用，提高了鋁合金的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，進(jìn)一步改善了鋁合金的機(jī)械性能。
[0025]本發(fā)明鋁合金連接管和銅鋁過渡件中各合金元素的性能分析如下:
[0026]本發(fā)明以鋁為基，添加了微量的鐵，鋁能與鐵形成Al3Fe,析出的Al3Fe彌散粒子抑制了合金的蠕變變形，部分Fe還與RE形成AlFeRE化合物析出，析出相AlFeRE能增強(qiáng)合金的抗疲勞性能和高溫運(yùn)行的耐熱性能，且稀土化合物析出相還能提高屈服極限強(qiáng)度；添加的銅元素與鋁形成Θ相，而Θ相起固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，提高了鋁合金的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度;鋅與Al形成REAhZrw、Fe3AhZn等多種金屬化合物，起到改善合金的抗拉性能，且在一定程度有效的改善鋁合金的高溫防腐蝕性能;鍶在熔體中能夠形成AhSr8、Al4Sr3、AlSr2和AlSr3等多種合金元素，能起到高溫強(qiáng)化作用，提高高溫蠕變性能;稀土元素作為表面活性元素，可集中分布在晶界上，降低相與相之間的拉力，從而使晶粒細(xì)化。硅能夠促進(jìn)Al3Zr的析出，提高抗拉強(qiáng)度，娃還能與鎂形成Mg-Si金屬化合物，改善招合金的熱性能。猛與招作用得到MnAl4與鋁具有相同的電位，可以有效地改善合金的抗腐蝕性和焊接性；同時(shí)錳作為高溫強(qiáng)化相，具有提高再結(jié)晶溫度，抑制再結(jié)晶粗化的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)合金的固溶強(qiáng)化、補(bǔ)充強(qiáng)化和提高耐熱性能。1丐在合金中與招反應(yīng)形成Al4Ca、AhCa3、AlCa2等金屬化合物，能夠強(qiáng)化鋁合金的高溫性能，增強(qiáng)鋁合金的耐熱性能和抗疲勞性能。鈹在合金中形成α、β彌散性高溫強(qiáng)化相，可防止合金元素的氧化、燒損和吸氣，提高合金的冶煉質(zhì)量及表面氧化膜的致密度。鈹還能使雜質(zhì)鐵由針狀變?yōu)閳F(tuán)粒狀，可防止?jié)茶T時(shí)砂型鑄件與模型反沖。由于鈹對(duì)氧和氮有高度親和力，所以它在熔體脫氣時(shí)是高效的，從而能夠得到表面光潔度較好，強(qiáng)度較高，以及延展性得到改善的優(yōu)質(zhì)鑄件。另一方面，合金中加入鈹能使脆性的鐵金屬間晶體由大的針狀形和層狀形轉(zhuǎn)變成小的等軸晶體，改善合金的強(qiáng)度和延展性，并能夠允許鋁合金中有較高的鐵含量。鈹能改善鋁合金的流動(dòng)性，使熔體的流動(dòng)性增加，并能提高鋁合金中抗拉強(qiáng)度和屈服極限。