架空鋁合金導線的研究與應用

張瑞峰　董亞光　譚瑞　趙紅亮

（鄭州大學材料科學與工程學院，河南鄭州　450001）

架空鋁合金導線的研究與應用

張瑞峰董亞光譚瑞趙紅亮

（鄭州大學材料科學與工程學院，河南鄭州450001）

鋁具有良好的綜合性能，且成本較低，是取代銅的首選材料。基于此，對國內(nèi)常見的架空導線作對比，重點對全鋁合金導線的發(fā)展進行評述，介紹鋁合金導線通過優(yōu)化成分、加工工藝和熱處理方式來提高性能的最新研究進展。

鋁合金導線；合金元素；連續(xù)鑄擠；熱處理

銅由于其優(yōu)異的導電性和良好的抗拉強度和耐蝕性能而被選作為導體材料，而鋁的導電性僅次于銅，且在地殼中含量豐富，具有良好的導電導熱性、加工成型性［1］，銅資源匱乏及銅價較高使得“以鋁代銅”成為熱點［2］。目前銅的價格約為3.5萬～4.0萬/t，而鋁的價格約為1.2萬～1.4萬/t，鋁的電導率約為銅的62%，而密度是Cu的33%，輸送同樣的電量，所需Al導線的質(zhì)量只有Cu導線質(zhì)量的50%即可［3］，且價格較低，因此Al導線的應用越來越廣泛。

沿海、東部工業(yè)城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，對于電力能源的需求不斷加大，而我國發(fā)電基地主要集中在中西部地區(qū)，需要使用長距離、大規(guī)模的架空輸電導線才能實現(xiàn)“西電東送”［4］。目前，架空輸電導線仍以傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線（ACSR）為主，但隨著電力的發(fā)展以及智能電網(wǎng)的建設(shè)的全面展開，ACSR已經(jīng)不能滿足要求，而鋁合金導線的優(yōu)異性能卻逐漸凸顯出來。國內(nèi)外相繼開發(fā)出一系列具有優(yōu)異性能的鋁合金導線，主要包括鋼芯鋁合金絞線（AACSR）、鋁合金芯鋁絞線（ACAR）、全鋁合金絞線（AAAC）3種類型［5］。本文就3種鋁絞線與鋼芯鋁絞線進行對比，重點對全鋁合金絞線的特點及未來發(fā)展進行了評述。

1　鋁絞線的主要分類

1.1鋼芯鋁絞線（ACSR）

目前，國內(nèi)使用的架空輸電線依然是鋼芯鋁絞線，導電率約為55.8%IACS。線芯多為鍍鋅鋼線，外層絞制電工圓鋁線，其載流量低、耐蝕性能差［6］，鋼芯對導電性幾乎沒有任何改善作用。但由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、線路造價低等優(yōu)點，依然被用于各種電壓級別的輸電線上［5］。

1.2鋼芯鋁合金絞線（AACSR）

該絞線的線芯為鋼線絞合而成的多股實心絞線，外層絞制鋁合金線，導電率約為48%IACS。這種絞線比鋼芯鋁絞線具有更大的抗拉強度，比普通鋼芯鋁絞線的綜合抗拉強度高出1.27～2.45倍，質(zhì)量輕，弧垂小［7］，一般鋼芯鋁合金絞線的拉重比可以達到12km，而常用鋼芯鋁絞線為7～9km［7］，鋁合金線的表面硬度上約比普通鋁線高1倍，且鋼芯鋁合金絞線內(nèi)外層延伸率相當，受力均勻，外層不易斷股，特別適合在大跨越或者重度結(jié)冰區(qū)使用，能夠減少跨越塔的建設(shè)投資。

1.3鋁合金芯鋁絞線（ACAR）

內(nèi)層采用高強度鋁合金芯，外層絞制硬鋁線，硬鋁導電率高，鋁合金強度高而質(zhì)量輕，導電率約為58%IACS。硬鋁的成分為2.2%～4.9%Cu、0.2%～1.8%Mg、0.3%～0.9%Mn，少量的Si，其余是Al［5］。由于其內(nèi)芯為高強度鋁合金，能夠承擔起較高的負荷，適用于中重冰區(qū)、跨越線路區(qū)等，并能夠減少輸電線鐵塔的數(shù)量，節(jié)省成本。由于絞線內(nèi)無鋼芯，不存在磁滯損耗和渦流損耗，提高了電量傳輸率；同時也不會形成電化學電池，提高了產(chǎn)品的耐蝕性能。鋁合金芯鋁絞線的使用增強了電網(wǎng)穩(wěn)定性，是比較實用的輸電線材料。

表1　常見架空導線的基本性能指標

1.4全鋁合金絞線（AAAC）

該絞線的全部線段均由同質(zhì)的鋁合金構(gòu)成。以230～265MPa抗拉強度的中強度全鋁合金絞線為代表，導電率約為51.4%IACS。與ACSR相比，其具有以下優(yōu)點：①由于拉重比較大，弧垂特性較好，因此可增大輸電桿塔檔距，降低投資；②具有較強的延伸率，在高溫下仍保持一定的強度；③接續(xù)簡便，維護保養(yǎng)方便；④當水平載荷相當時，其垂直載荷減少約10%，施工上也簡單的多；⑤全鋁合金絞線硬度較高，為普通鋁材料的2倍，且質(zhì)地輕，施工時可減小表面摩擦；⑥全鋁合金絞線本身抗腐蝕能力強，又避免了電化學腐蝕，增加了導線壽命；⑦其受力相對值較低，因此耐震性能更佳。另外，AAAC無鋼芯，因此回收方便。

表1為常見架空鋁導線的基本性能指標［4］。綜合比較4種類別的絞線，可以歸納為：①鋼芯鋁合金絞線的抗拉強度最高，而其導電率最低；②強度和電導率是協(xié)調(diào)平衡的一個問題，強度增加的同時要以電導率的降低為代價；③綜合分析，全鋁合金絞線是最適宜的選擇。

2　全鋁合金絞線性能的影響因素

全鋁合金絞線采用的大多為Al-Mg-Si系鋁合金，該系列鋁合金是可熱處理型合金，具有比強度高、密度低、導電性能好等優(yōu)點。鋁合金導線的性能主要受合金元素、加工工藝及其熱處理工藝等方面的影響。

2.1合金元素

Al-Mg-Si系列鋁合金主要由Al、Mg、Si、Fe、V、Mn和Cr等元素組成，其中Fe為基本雜質(zhì)元素，V、Mn、Cr等為過渡族微量雜質(zhì)元素。通常，在鋁合金中加入其他元素成分來改善鋁合金材料在抗拉強度、導電性能等方面的不足。

添加Mg和Si后，Mg和Si在鋁中可以形成Mg2Si微粒，其能夠釘扎晶界和位錯，從而起到強化作用。當鋁合金中Mg/Si比為1.73時，將會形成Al-Mg2Si偽二元合金（也稱為平衡合金）。當Mg+Si質(zhì)量分數(shù)高于一定值時，將會出現(xiàn)“停放效應”，人工時效后強度降低；低于某一值時，不僅不會出現(xiàn)“停放效應”，人工時效后強度提高。

添加元素Fe后，在鋁中會形成Al-Fe-Si陰極相，增強了材料的腐蝕傾向，但Fe的適量添加能夠提高其強度，且不會明顯降低導電率［3］。吳克義研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e/Si比應為1.3～1.5，過高將會導致電阻率大幅度升高。

添加元素Zr后，會在鋁中形成Al3Zr第二相，并作為異質(zhì)核心顯著細化晶粒，并對導電率影響較小；Sc同時具有稀土元素和過渡族的特征，能夠明顯提高再結(jié)晶溫度；添加Ti后能細化晶粒，提高強度與韌性。方三明等人將Sc、Zr和Ti微合金化加入鋁基體中，研究發(fā)現(xiàn)微量Sc、Zr和Ti微合金化復合添加比單獨添加所產(chǎn)生的效果好，這不僅減少昂貴的Sc的加入量，還大大提高了材料的強度。

添加稀土元素RE后，對于鋁合金在保證強度提高的同時，也會提高電導率。稀土元素可與鋁基體中固溶的雜質(zhì)元素形成化合物，并通過時效析出，從而降低固溶元素對鋁晶格造成的畸變程度，提高導電率。樊磊等人研究表明稀土La、Ce的加入能使得鋁合金中Si由固溶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲龀鰬B(tài)，從而改善雜質(zhì)元素的分布規(guī)律，以此來減輕Si的不利影響。

添加元素B后，可與的雜質(zhì)元素反應生成B化物，該B化物以爐渣的形式沉于爐底，通過除渣過程被清除，因此大大降低了雜質(zhì)元素對材料性能的有害作用。國內(nèi)目前普遍應用稀土處理來改善導電性，而國外普遍采用B化處理［2］。由于對B的優(yōu)化機理不明確，使得在高性能Al合金中的應用受到阻礙。

Al-Mg-Si系鋁合金作為導線具有很多優(yōu)異的性能，電力事業(yè)的發(fā)展需要更高性能的鋁合金導線，合理配置鋁合金元素的種類及含量將會對鋁合金導線的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

2.2加工工藝

目前，世界各地大多采用連鑄連軋的方式生產(chǎn)鋁合金導線。而之前加工鋁合金導線采用的是擠壓、拉拔成型工藝。但擠壓拉拔生產(chǎn)鋁合金線材時，所造成的幾何廢料損失大，金屬流動不均勻，工具損失大且成本高。連鑄連軋相對于傳統(tǒng)加工方式的優(yōu)勢在于：單機產(chǎn)能大，產(chǎn)品品種規(guī)格多；設(shè)有廢料剪，能夠避免安全事故的發(fā)生；加工精度高，性能可靠；可實現(xiàn)一次繞制密排卷等。

隨著時代的發(fā)展，對鋁合金導線的要求不斷提升。連鑄連軋生產(chǎn)的產(chǎn)品性能已不是十分理想，需要更好的加工工藝對其進行改進。國外對加工工藝進行大量的研究，又開發(fā)出一種新型加工工藝，已從連鑄連軋工藝逐漸向連續(xù)鑄擠工藝過渡。該法在一臺設(shè)備上即可完成產(chǎn)品成型，是一種短流程、近終成型新技術(shù)，其中變形溫度易于控制是該法優(yōu)于其他加工工藝的顯著特點之一，且產(chǎn)品長度不受限制，非常適宜于生產(chǎn)鋁合金導線。周天國等人使用連續(xù)鑄擠工藝制備出的6201電工鋁合金線材，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)可直接獲得典型的細等軸晶。東北大學的溫景林課題組對連續(xù)鑄擠工藝進行了研究，通過優(yōu)化試驗方案，能夠同時提高導線的抗拉強度和導電性能。Ji等人采用連續(xù)鑄擠工藝制備出Al-Mg-Si合金導線，經(jīng)研究表明該法能夠有效細化晶粒，并經(jīng)過后續(xù)固溶處理和時效處理，電導率有了明顯提升。目前國內(nèi)主要采用固態(tài)作為原料的連續(xù)鑄擠工藝生產(chǎn)部分產(chǎn)品，研究利用液態(tài)金屬作原料的連續(xù)鑄擠工藝更有發(fā)展前景。

2.3熱處理工藝

經(jīng)拉拔獲得的鋁合金導線需要進行一定的熱處理后，其在成型過程中所產(chǎn)生的晶體缺陷才能夠逐漸被消除，從而改善結(jié)構(gòu)和性能。很多研究者在不改變成分的情況下，通過改變熱處理工藝方式，以此來改善經(jīng)過連鑄連軋后所產(chǎn)生的部分缺陷，并能夠提高材料強度和導電性能。

人工時效將使過飽和固溶體析出G.P.區(qū)，進而影響材料的性能。陳敬等人改進傳統(tǒng)T6熱加工工藝，提出一種新型的形變時效工藝，對Al-Mg-Si-Cu合金進行試驗，發(fā)現(xiàn)多次人工時效的形變時效工藝能夠同時提高抗拉強度和電導率，其機理在于形變引入的位錯不僅起到強化作用，還通過改變、粗化析出相的形態(tài)進而降低對電子的散射，增強導電性能。退火可以改善經(jīng)過軋制、拉拔等工藝所產(chǎn)生的晶體缺陷，以及消除加工硬化，便于后續(xù)加工。余成等人對Al-Mg-Si合金導線在傳統(tǒng)和新型軋制拉拔技術(shù)進行了微觀組織和性能的研究，結(jié)果表明合金經(jīng)過多次中間退火后的軋制拉拔保持了合金晶粒的纖維趨向性，大大改善了合金的力學性能和電導率。時效溫度對材料性能也有很大影響。李春和等人對6201鋁合金進行不同溫度的人工時效，發(fā)現(xiàn)隨著時效溫度從150℃升高到190℃，抗拉強度及顯微硬度降低而電導率升高。

熱處理方式對最終材料性能將會產(chǎn)生很大的影響，研究者不斷開發(fā)新型工藝，如多級時效、自然時效加人工時效相結(jié)合、改變淬火冷卻速度等，將會成為鋁合金線材熱處理的主要研究方向。

3　結(jié)語

對比各類鋁絞線的特點，鋁合金線的整體性能高于鋼芯鋁絞線，在科技高速發(fā)展的今天，全鋁合金絞線得到國內(nèi)外的廣泛重視，也必將得到進一步的研究開發(fā)。同時，合金的成分決定性能，加入Fe、Zr、Sc、RE和B等元素，可改善全鋁合金絞線的性能。因此，元素成分的復合添加并優(yōu)化成分配比，將會成為架空導線未來發(fā)展的重要方向。此外，由于加工工藝和熱處理將直接影響鋁合金的性能，因此改進連鑄連軋工藝逐漸向連續(xù)鑄擠工藝過渡和新的熱處理工藝也是需要研究的問題。

［1］Liu C Y，Wang Q，Jia Y Z，et al.Evaluation of mechanical properties of 1060-Al reinforced with WC particles via warm accu?mulative roll bonding process［J］.Materials and Design，2013（43）：367-372.

［2］章德勝，劉平，劉新寬，等.高電導率、高強度耐熱鋁合金導體材料的研究進展［J］.材料熱處理技術(shù)，2012（41）：24-27.

［3］孔亞萍.Al-Mg-Si基導體材料組織和性能的研究［D］.鄭州：鄭州大學，2015.

［4］黃欲成，陳池，汪峰，等.大跨越架空輸電導線鋼芯鋁股應力分布特性研究［J］.三峽大學學報（自然科學版），2016（4）：76-81.

［5］楊恩娜，吳細毛，李春和，等.架空導線鋁合金的機電性能及現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.材料導報A：綜述篇，2014（9）：111-116.

［6］張強，陳保安，祝志祥，等.架空導線用芯線材料綜述［J］.熱加工工藝，2016（6）：20-27.

［7］葉於龍，楊昭，徐雪璇，等.過量Mg、Si元素對6101電工導線性能影響及機制［J］.稀有金屬材料與工程，2016（4）：968-974.

Research and Applications of Aluminum Alloy in Overhead Lines

Zhang RuifengDong YaguangTan RuiZhao Hongliang
（School of Materials Science and Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Due to good comprehensive properties and low cost，Aluminum is the first choice for replacing copper ma?terials.Based on this，some of domestic common overhead lines were compared，and the development of all aluminum alloy conductor（AAAC）was particularly reviewed.Then，the newest research progress for improving properties of alu?minum alloys by optimizing composition，processing technology and heat treatment was introduced.

aluminum alloy lines；alloying elements；continuous cast extrusion；heat treatment

TM726.3

A

1003-5168（2016）08-0109-03

2016-06-23

張瑞峰（1993-），男，本科在讀，研究方向，鋁合金導線。