煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金及鋁合金電纜及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金，Fe含量為0.2～1.1％；Mg含量為0.01～0.4％；Zr含量為0.001～0.2％；Si含量為0～0.1％；B含量為0～0.2％；其余為Al和雜質，其中鋁合金電阻率不大于0.028264Ω·mm2/m，斷裂伸長率不低于10％，且90度疲勞彎折次數大于或等于30次，將上述鋁合金材料通過熔煉、鑄造、軋制工藝得到鋁合金桿，再經拉制、束絞、軟化而成鋁合金線芯，再將線芯經過擠包絕緣、成纜、擠包護套或鎧裝制成鋁合金電纜，制得鋁合金電纜具有高強度、高導電率、彎曲性能良好等特性，能滿足煤礦領域中對電纜性能的要求。
【專利說明】煤礦電纜用A卜Fe-Mg-Zr鋁合金及鋁合金電纜及制備方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤礦電纜【技術領域】，具體涉及一種煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr系鋁合金 及鋁合金電纜。

【背景技術】
[0002] 煤礦用電纜由于使用的環(huán)境復雜、工作條件惡劣、且移動頻繁，使用壽命不長，瓦 斯積聚的區(qū)域又十分危險，因此不僅對電纜本身安全性要求很高，而且對頻繁移動場合用 電纜的耐磨性、抗外界拉力性能要求很高。因此，煤礦用電纜屬于電纜行業(yè)中技術含量較高 的產品。
[0003] 普通的電纜采用銅芯導線，隨著對銅資源的過度開采，銅資源日益緊張，且瀕臨匱 乏，因此需要使用其他材料的導線代替銅芯導線，才能滿足市場的需求。金屬材料中，鋁具 有導電效果好、質輕、價格低廉等特性，且近年來，出于環(huán)保意識的加強，強烈需要減輕重量 以提高機械燃料利用率，因此，以鋁芯電纜代替銅芯電纜已是大勢所趨?，F有技術中，已研 制出鋁芯電纜，然而普通鋁芯電纜存在機械性能和抗腐蝕性能較差等缺陷，不具備滿足煤 礦用電纜頻繁移動的良好的彎曲性能；且根據煤礦用電纜的惡劣環(huán)境，對電纜導體的導電 率和機械強度有較高的要求，而現有普通的鋁芯電纜的導電率和機械強度性能不能滿足煤 礦用電纜的要求。因此，開發(fā)出一種能滿足煤礦業(yè)中使用要求的鋁合金電纜具有十分廣闊 的市場前景。


【發(fā)明內容】

[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金及鋁合金 電纜，該鋁合金具有高強度、高導電率、彎曲性能良好等特性，由該鋁合金制成的鋁合金電 纜能滿足煤礦領域中對電纜性能的要求。
[0005] 本發(fā)明的技術方案是：
[0006] -種煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金，鋁合金的各成份及重量百分比分別為：
[0007] Fe 含量為 0· 2 ?1. 1 % ;
[0008] Mg 含量為 0· 01 ?0· 4% ;
[0009] Zr 含量為 0· 001 ?0· 2% ;
[0010] Si 含量為 0 ?0· 1% ;
[0011] B 含量為 0 ?0.2%;
[0012] 其余為A1和雜質，
[0013] 其中鋁合金電阻率不大于0.028264Ω ·πιπι2/πι，斷裂伸長率不低于10%，且90度 疲勞彎折次數大于或等于30次。
[0014] 該鋁合金還包括重量百分比含量為0. 001?0. 15%的選自Ca、Ni、Ti和Ζη中的 兩種或兩種以上所組成的組合物；
[0015] 進一步地，所述錯合金中還包括稀土元素，所述稀土元素的含量占錯合金重量的 0· 1-0. 3%。
[0016] 進一步地，所述稀土元素包括Ce、La,所述Ce和La的重量占稀土元素總重量的至 少 50%。
[0017] 進一步地，所述鋁合金在溫度120°C、壓應力120MPa條件下、1?100小時的平均 蠕變速度為小于或等于1X 1(Γ2 (% Λ)。
[0018] 一種煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金電纜的制作方法，鋁合金電纜的加工工藝包 括如下步驟：
[0019] a、通過對權利要求1-4的任一項的鋁合金熔融，再進行鑄造得到鑄造材料：按 比例加入本發(fā)明中提到的鋁合金成分，在700°C或以上溫度條件下進行熔煉工藝，然后在 680°C或以下溫度條件下進行鑄造，得到鑄錠；
[0020] b、將步驟a得到的鑄錠在460-550°C范圍內固溶處理2-6h，然后在20-KKTC的冷 卻水中快速淬火；
[0021] c、將步驟b得到的鑄錠在150-250°C范圍內時效處理6-10h，再升溫至300°C以上 乳制成合金桿；
[0022] d、在300°C或以下溫度條件下，將步驟c軋制成的合金桿進行拉制處理，使截面積 縮小至步驟c中合金桿截面積的50-60%，得到鋁合金線；
[0023] e、在形成鋁合金核的溫度條件下，將步驟d得到的鋁合金線再次進行拉制處理， 使截面積縮小至步驟d中鋁合金線截面積的70-100%，得到鋁合金導體單絲；
[0024] f、將若干根步驟e得到的鋁合金導體單絲絞合，在230-320°C條件下進行第一次 熱處理3-6h，然后在300-400°C條件下將再次熱處理8-14h，得到鋁合金的線芯；
[0025] g、將步驟f得到的線芯經過擠包絕緣、成纜、擠包護套或鎧裝制成鋁合金電纜。
[0026] 一種煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金電纜，由上述鋁合金制成該鋁合金電纜的線 芯，且該鋁合金電纜包括由動力線芯、接地線芯、控制線芯三種線芯絞合而成的纜芯，線芯 之間設有填芯層，纜芯外設置有外護套層。
[0027] 進一步地，所述絕緣層和外護套層采用聚氯乙烯、交聯聚乙烯、聚氯乙烯-丁腈聚 合物、聚酰胺、氟化乙丙烯、氯化聚乙烯或聚丙烯中的至少一種。
[0028] 進一步地，所述線芯由數量為10?2000根，直徑為0. 2mm?0. 5mm單絲束絞而成， 所述單絲由所述鋁合金制成。
[0029] 進一步地，所述鋁合金電纜在9000次抗彎曲試驗后不短路、不斷路，且在90°C長 期運行情況下，載流量不低于相同截面銅電纜的80 %。
[0030] 進一步地，所述鋁合金電纜適用于額定電壓8. 7/10kV及以下等級的煤礦用移動 類橡套軟電纜。
[0031] 本發(fā)明的有益效果為：
[0032] 1、本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金，對鋁合金的元素進行優(yōu)化，從而改善該鋁合金的 性能。本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金，選用Al-Fe-Mg-Zr系列，通過加入Fe元素，可以改善合 金的機械強度和拉伸性能，Fe以金屬化合物的形式結晶并析出能明顯的提高高溫抗蠕變性 能，以及抗疲勞性能；在鋁合金中加入少量的Mg細化鑄造組織，形成MgSi強化相提高再結 晶溫度和改變時效行為，使制品的再結晶晶粒得以細化，強度、韌性得以提高，塑性、耐蝕性 得到改善，提高鋁合金的屈服強度及延伸率，避免鋁合金產品的再加工，提高生產效率，降 低生產成本。在鋁中同時加入鋅和鎂，形成強化相Mg/Zn2，對合金產生明顯的強化作用。Mg/ Zn2含量提高時，可明顯增加抗拉強度和屈服強度。本發(fā)明方案中，在Al-Zn-Mg基礎上加入 銅元素，形成Al-Zn-Mg系合金，強化相Mg/Zn 2強化效果大大提高，在所有鋁合金中最大。鋯 和鋁形成ZrAl3化合物，可阻礙再結晶過程，細化再結晶晶粒，由于鋯對淬火敏感性的影響 比鉻和錳的小，因此宜用鋯來代替鉻和錳細化再結晶組織，同時Zn的加入還可配合抑制晶 粒粗化。Zr還可顯著改性合金的抗疲勞彎曲性能，提高電纜的使用壽命。
[0033] 鈣在鋁合金中固溶度極低，與鋁形成CaAl4化合物，鈣能強化鋁合金的高溫性能， 與Fe等金屬元素配合作用能提高鋁合金的抗蠕變性能，同時微量鈣有利于去除鋁液中的 氫。鈣又是鋁合金的超塑性元素，鈣和硅形成CaSi，不溶于錯，由于減小了硅的固溶量，可稍 微提高工業(yè)純鋁的導電性能。Ni的加入，提高了鋁合金材料的熱處理溫度，使鋁合金的強化 相得到充分擴散進基體強化相，進一步提高了強度和導電性能，是對材料抗蠕變性能的補 充，提高材料力學性能和塑性加工性，可順利地熱軋和冷軋，本發(fā)明還優(yōu)選加入一定量的B， 可以改善加工性能，特別是單絲微拉和束絞方面的加工性能。鈦是鋁合金中常用的添加元 素，以Al-Ti或Al-Ti-B中間合金形式加入。鈦與鋁形成11八1 2相，成為結晶時的非自發(fā)核 心，起細化鑄造組織和焊縫組織的作用。Ti的加入不僅有利于最終產品鋁合金線的機械性 能的提高而且一定量的Ti保證了鋁合金的柔韌性。
[0034] 本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金，本發(fā)明對Si的含量作了限定，是因為過多的Si會導 致拉伸性能降低，影響到電纜的加工性能，并且可能會降低導體的疲勞彎曲性能，且過多的 Si還會降低電性能。本發(fā)明還優(yōu)選加入一定量的B，可以改善加工性能，特別是單絲微拉和 束絞方面的加工性能。本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金，通過將適量的B作為鋁合金成分，既可 以改善合金的性能，又不會因過多的量會惡化合金的性能，特別是電性能和延伸性能。本發(fā) 明提供的鋁合金材料，通過合理的合金成分配比來保障合金的性能。
[0035] 本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金，還優(yōu)選添加一定量的稀土元素 （Rare Earth，簡稱 RE)，其中Ce、La占稀土元素總含量的至少50%，稀土元素不僅可以顯著提高合金的電性 能，高了合金室溫強度、耐熱強度和熔體流動性，還能起到提高合金抗疲勞彎曲性能的效 果，延長了電纜的使用壽命。優(yōu)選Ce和La，是因為這兩種元素在本發(fā)明中效果較其他稀土 元素改善效果更明顯。
[0036] 本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金材料，通過熔煉、鑄造、固溶與時效處理、乳制工藝后， 得到的鋁合金的電阻率小于等于0. 028264Ω · mm2/m，電導率大于等于61% IACS，斷裂伸 長率不低于10%，溫度120°C、120MPa壓應力條件下，1-100小時的平均蠕變速度小于等于 1 X 10-2 (% /h)，90度疲勞彎折次數大于等于30次，且單絲直徑最小可拉到0. 2mm，很好的 滿足了煤礦用鋁合金電纜的要求。
[0037] 2、本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金電纜，由本發(fā)明提供的鋁合金制成，得到的煤礦用 鋁合金電纜不僅具有很好的導電性能、拉伸性能、抗蠕變性能和抗疲勞性能，特別是抗彎曲 性能也達到了煤礦用銅芯的技術要求；同時，煤礦用鋁合金電纜由于柔韌性好，且重量較銅 輕很多，因而作為煤礦用軟電纜使用起來更加方便，有效的降低了煤礦用電纜的成本，提高 了工作效率，具有非常好技術經濟效益。本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金電纜，適用于煤礦用移 動類橡套軟電纜、額定電壓8. 7/10kV及以下煤礦用橡套軟電纜，在90°C長期運行條件下， 載流量不低于相同截面銅電纜的80% ;且本發(fā)明提供的煤礦用鋁合金電纜經9000次抗彎 曲試驗后不短路、不斷路，其中，9000次抗彎曲試驗按MT818. 1規(guī)定的試驗方法進行。

【具體實施方式】
[0038] 下面將對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通 技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范 圍。
[0039] 實施例1 :
[0040] 一種煤礦電纜用鋁合金，組分及各組分的重量百分比如下（總重量：1T):
[0041]

【權利要求】
1. 一種煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金，其特征在于，鋁合金的各成份及重量百分比 分別為： Fe含量為0· 2?L 1 % ; Mg含量為0· 01?0· 4% ; Zr含量為0· 001?0· 2% ; Si含量為0?0. 1% ; B含量為0?0. 2% ; 其余為A1和雜質， 其中鋁合金電阻率不大于〇. 028264Ω ·πιπι2/πι，斷裂伸長率不低于10%，且90度疲勞 彎折次數大于或等于30次。
2. 如權利要求1所述的煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金，其特征在于，該鋁合金還包括 重量百分比含量為〇. 001?〇. 15%的選自Ca、Ni、Ti和Zn中的兩種或兩種以上所組成的 組合物。
3. 如權利要求1或2所述的煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金，其特征在于，所述鋁合金 中還包括稀土元素，所述稀土元素的含量占錯合金重量的0. 1-0. 3%。
4. 如權利要求3所述的煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金，其特征在于，所述稀土元素包 括Ce、La,所述Ce和La的重量占稀土元素總重量的至少50%。
5. 如權利要求1至4任一項所述的煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金，其特征在于，所 述鋁合金在溫度120°C、壓應力120MPa條件下、1?100小時的平均蠕變速度為小于或等于 1Χ1(Γ 2(% /h)。
6. -種煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金電纜的制作方法，其特征在于，鋁合金電纜的 加工工藝包括如下步驟： a、 通過對權利要求1-5的任一項的鋁合金熔融，再進行鑄造得到鑄造材料：按比例加 入本發(fā)明中提到的鋁合金成分，在700°C或以上溫度條件下進行熔煉工藝，然后在680°C或 以下溫度條件下進行鑄造，得到鑄錠； b、 將步驟a得到的鑄錠在460-550°C范圍內固溶處理2-6h，然后在20-KKTC的冷卻水 中快速淬火； c、 將步驟b得到的鑄錠在150-250°C范圍內時效處理6-10h，再升溫至300°C以上軋制 成合金桿； d、 在300°C或以下溫度條件下，將步驟c軋制成的合金桿進行拉制處理，使截面積縮小 至步驟c中合金桿截面積的50-60%，得到鋁合金線； e、 在形成鋁合金核的溫度條件下，將步驟d得到的鋁合金線再次進行拉制處理，使截 面積縮小至步驟d中鋁合金線截面積的70-100%，得到鋁合金導體單絲； f、 將若干根步驟e得到的鋁合金導體單絲絞合，在230-320°C條件下進行第一次熱處 理3-6h，然后在300-400°C條件下將再次熱處理8-14h，得到鋁合金的線芯； g、 將步驟f得到的線芯經過擠包絕緣、成纜、擠包護套或鎧裝制成鋁合金電纜。
7. -種煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金電纜，其特征在于，由權利要求1-4任一項的鋁 合金制成該鋁合金電纜的線芯，且該鋁合金電纜包括由動力線芯、接地線芯、控制線芯三種 線芯絞合而成的纜芯，線芯之間設有填芯層，纜芯外設置有外護套層。
8. 如權利要求7所述的煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金電纜，其特征在于，所述絕緣層 和外護套層采用聚氯乙烯、交聯聚乙烯、聚氯乙烯-丁腈聚合物、聚酰胺、氟化乙丙烯、氯化 聚乙烯或聚丙烯中的至少一種。
9. 如權利要求7所述的煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金電纜，其特征在于，所述線芯由 數量為10?2000根，直徑為0. 2mm?0. 5mm單絲束絞而成，所述單絲由所述錯合金制成。
10. 如權利要求7所述的煤礦電纜用Al-Fe-Mg-Zr鋁合金電纜，其特征在于，所述鋁合 金電纜在9000次抗彎曲試驗后不短路、不斷路，且在90°C長期運行情況下，載流量不低于 相同截面銅電纜的80%，所述鋁合金電纜適用于額定電壓8. 7/10kV及以下等級的煤礦用 移動類橡套軟電纜。
【文檔編號】H01B13/02GK104299673SQ201410469622
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權日:2014年9月15日
【發(fā)明者】林澤民 申請人:安徽欣意電纜有限公司