高导电率圆铝杆连续铸挤成形技术实验研究

周天国，张雪飞，陈超君

（沈阳大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110044）

随着国民经济的高速发展，我国对电力需求量持续增长，由于我国资源与发展的东西差距，发达工业主要在沿海和东部地区，而电力能源主要分布在西部地区，发达地区对电力需求非常巨大［1-2］.为更好地满足国民经济的发展需要和国家电网“西电东送，南北互供，全国联网”的十二五建设目标，确保国家电力安全.电力传输必须解决远距离传输线路电损的问题，降低线路电损，提高输电质量.实现节约输电的最有效的办法是提高铝架空导线中导体的导电率.为了提高铝导线的导电率，国内外开展了广泛的研究.铝导线的导电率和生产原料的铝含量及加工工艺有关.美国等发达国家采用含铝99.85%～99.66%，含 Si 0.05%高纯电工铝生产铝导线［3］.

目前我国生产铝导线的铝原料含硅量偏高，是由于我国电缆工业进料铝锭品位比较杂，只有少量电工级铝锭，其他为非电工级铝锭或硅量较低而有害微量元素较高的进口铝锭、用进口氧化铝生产的国产铝锭以及线路上换下的废铝线等.铝导体的加工工艺目前主要为单一的铝连铸连轧技术，对其他生产电工圆铝杆的成形技术工艺缺乏研究.

连续铸挤工艺是一种短流程，近终成形新技术.产品的生产从浇注到产品成形在一台连续铸挤设备上一次连续铸挤完成.由于其单辊的独特剪切作用与半固态连续成形，表面质量高，尺寸均匀，晶粒均匀，连续铸挤成铝合金导电材料具有较高的综合力学性能和导电性能，是极具潜力的高性能铝导电材料加工新工艺［3-4］.目前对电工圆铝杆连续铸挤成形工艺与成形产品性能缺乏研究.本文拟对连续铸挤成形电工圆铝杆的工艺及性能进行研究，以期开辟高导电性能电工圆铝杆制备新途径.

1 实验方法

1.1 试样制备

选取Al99.70纯铝为实验用的原料，将一个铝绽（约18.5kg）放入到高纯石墨坩埚为炉膛的中频熔化炉升温熔化，当铝熔体温度达到750℃后，加入290g纯度为98%的KBF4对熔体进行15min富硼化处理，除去重熔铝锭中使电工铝杆导电性能中毒的合金杂质元素Cr、Mn、V、Ti等.然后将熔体重新升温到750℃，用六氯乙烷对熔体进行除气精炼、搅拌、拔渣处理；最后在750℃保温静置30min，再在DZJ350连续铸挤机连续铸挤成形直径9mm铝杆.圆铝杆连续铸挤成形原理如图1所示.为研究连续铸挤工艺对合杆性能的影响规律，在连续铸挤成形过程中，将一部分铝杆从铸挤机中挤出后，直接进行连续在线喷水快速冷却处理后卷取成盘；将另外一部分连续铸挤成形圆铝杆后直径卷取中空冷至室温.选取三个样品连续铸挤成形圆铝杆的化学成分和工艺参数分别如表1、表2所示.

图1 铝杆连续铸挤成形工艺流程图Fig.1 Procedure chart for producing electric aluminum rods by using Castex process

表1 试样的化学成分（质量分数）Table 1 the chemical composition of the samples%

表2 连续铸挤圆铝杆的工艺参数Table 2 Parameters of producing electric aluminum rods by using Castex process

1.2 显微组织观察与性能测试

将连续铸挤成形圆铝杆分别制成金相试样、力学性能试样（长度250mm，标距200mm）导电性能试样（长度为1 200mm，测用长度1 000 mm）.金相试样经机械磨光、抛光和化学腐（腐蚀液为：17mLHF＋3mLHCl＋5mLHNO3＋75mLH2O），使用光学显微镜进行金相组织观察；力学性能测试在INSTRON4206电子拉伸试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为25mm／min，直接从拉伸机相联的电脑中获取试样的强度和伸长率；导电性能测量用QJ36型两用直流电桥，分别测量试样的电阻值.试样电阻测量过程为：先将圆铝杆电阻试样在20℃恒温条件下放置24h，然后在20℃恒温条件下对其试样进行测量.最后将测量电阻分别转换成电阻率.

2 实验结果与讨论

2.1 连续铸挤成形圆铝杆的微观组织

图2为在线水冷连续铸挤成形圆铝杆的微观组织.从图2可以看出，连续铸挤成形圆铝杆的微观组织呈现典型的较细小等轴晶组织.这主要是：一方面，连续铸挤成形过程中，单辊对铝溶体强烈的剪切、细化和枝晶的破碎作用，促进了铝晶粒的形核，提高了晶粒的形核率；另一方面，由于热挤压成形出口温度较高，有利于晶粒的再结晶形核与长大，加之，圆铝杆脱模后立即受到强烈的冷却作用，限制了晶粒的长大.因此形核成为较均匀的细等轴晶组织.

图2 连续铸挤在线水冷工艺制备的电工铝杆的微观组织Fig.2 Microstructure of pure aluminum electric conductor prepared by CASTEX process with on-line water cooling

2.2 连续铸挤成形圆铝杆的力学性能和导电性能

表3为连续铸挤成形圆铝杆的力学性能和导电性能.由表3可知：连续铸挤在线水冷工艺与空冷生产的电工圆铝杆的力学性能和导电性能优良.其主要杂质元素硅的化学成分（质量分数）为0.7%～0.9%范围内变化时，在线水冷连续铸挤成形直径9mm电工圆铝杆的拉伸强度为93.3～97.4MPa，延伸率为21.1%～23.1%，电阻率为27.20～27.30nΩm；连续铸挤空冷盘状铝杆的拉伸强度、伸长率和电阻率分别为90.4～95.2 MPa，21.1%～22.1%和27.09～27.20nΩm.呈现出优良的力学性能和导电性能，且空冷技术提高圆铝杆的导电性能.这主要原因是：①由于圆铝杆中含有一定量的硼，除去了重熔铝锭中严重影响铝杆导电性能的杂质元素（Cr、Mn、V、Ti、Zr）和改变了铝基体Fe杂质化合物的形貌与分布［5-7］；②连续铸挤成形工艺所具有的单辊剪切作用，改善了组织均匀性，提高了杆材表面质量、几何尺寸均匀性和电工圆铝杆成形过程中的变形均匀性，从而综合提高了电工圆铝杆的力学性能和导电性能.目前工业生产圆铝杆广泛采用连铸连轧生产技术，铝杆生产过程中，由于设备制造与装备精度与成品孔型系统采用弧三角-圆孔型系统，圆铝杆几何尺寸在横断面和长度方向上存在较大偏差和圆铝杆的“椭圆化”现象，影响了其变形的均匀性；而连续铸挤成形工艺制备圆铝杆其几何尺寸均匀，变形均匀性提高，所以连续铸挤成圆铝杆表现为优良的延伸性能.

表3 连续铸挤在线水冷成形圆铝杆的力学性能和导电性能Table 3 The mechanical properties and electric conductivities of aluminum rods prepared by Castex process with in-line cooling

空冷态电工圆铝杆的导电性能较水冷态圆铝的导电性能略有提高，主要是由于连续铸挤成形铝杆脱模温度高，有利于晶粒的再结晶长大和铝杆成形过程中位错、缺陷及空位等的消除，提高了电工圆铝杆的组织均匀性的原故.

3 结 论

（1）连续铸挤工艺可制备组织良好的电工圆铝杆导电材料.其微观组织为较均匀的细等轴晶组织.

（2）连续铸挤成形电工圆铝杆的最佳工艺：浇注温度为730℃，铸挤轮转速为15r／min，挤压出口杆温度为500℃，成盘杆空冷至室温，制成电工圆铝杆的拉伸强度为90.4～95.2MPa，伸长率为21.1% ～22.1%，电阻率为 27.09～27.20 nΩm，综合力学性能和导电性能优良.

［1］ 黄豪士.用于资源节约型输电线路的导线之一［J］.电线电缆，2011（1）：1-4.

［2］ 黄豪士.用于资源节约型输电线路的导线之二［J］.电线电缆，2011（2）：17-21.

［3］ ZhouT G，Jiang Z Y，Wen J L，et al.Semisolid continuous casting and extrusion of AA6201redraw rods［J］.Materials Science and Engineering A，2008（485）：108-114.

［4］ Zhou T G，Jiang Z Y，Wen J L，et al.On-line aging to improve the tensile strength and conductivity of colddrawing AA-6201aluminum alloy wires［J］， Materials Science Forum，2007（561-565）：349-352.

［5］ Katabay S，Uzman I.Inoculation of transition element of AlB2and AlB12to detrimental effect on the conductivity of 99.6%aluminum CCL for manufacturing of conductor［J］.Journals of Materials Processing Technology，2005，160（2）：174-182.

［6］ 刘顺华，王桂芹，高洪吾，等.高导电率含硼铝导体的研制［J］.电线电费，2003，4：16-19.

［7］ 杨钢，何正夫，张红耀，等.含稀土、硼的高导电率电工圆铝杆试验研究［J］.轻合金加工技术，2005，33（7）：38-40.