高強度導電性鋁合金金具材料的研究

重慶德普電氣有限公司 楊 徽 龔 亮 張軍強 黃儒偉 王 超 重慶科技學院冶金與材料工程學院 曾 文 曹獻龍

隨著經濟發展和社會的進步，超高壓、遠距離電網已成為電能傳輸的主力軍。電力金具是連接和組合這些電力系統中所涉及的各類裝置、傳遞機械、電氣負荷及某些起防護作用的金屬附件，在輸變電工程中發揮著十分關鍵的作用，其產品質量不僅影響到電網的安全運行，還關系到生命財產的安全。在實際應用過程中，電力金具既要滿足良好的電氣性能要求，又要滿足較高的機械性能要求，這對電力金具的制造材料提出了更高的要求。以往，電力金具材料多采用鐵基金屬，其具有較好的力學性能，但其結構粗大笨重、施工不便，更重要的是這類鐵磁性材料在交變電磁場中產生顯著的渦流損耗和磁滯損耗，造成電能巨大損失，給電網帶來了沉重的負擔。

為解決這一問題，學者們對電力金具材料進行了廣泛的探索，主要集中在傳統材料改性、新型材料的研發、新型制造工藝及新型結構設計等方面。其中研究和開發新型鋁合金材料是公認的經濟有效的途徑，尤其是節能型的無磁高強鋁合金作為金具材料使用具有重要意義，它可有效降低能量損耗。為了更好地發揮新開發的鋁合金電力金具材料的作用，有必要進行其基本的電氣性能及力學性能的評估和分析。

1 試驗方法及過程

力學性能試驗。鋁合金的力學性能對鋁合金金具的穩定性起到至關重要的作用，特別是當鋁合金金具通電運行時，其力學性能勢必會隨著溫度的升高而降低。本試驗是根據GB/T228.1-2010和GB/T228.2-2015的要求，在純鋁棒和制造鋁合金金具的坯料上取樣，所有試樣均為圓棒狀（圖1），原始標距為25mm、平行長度為50mm，使用中機試驗裝備股份有限公司DNS20型號電子萬能試驗機進行拉伸測試，拉伸速度為3mm/min，分別測試在25℃、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃時試樣力學性能的變化，分析其在增容導線傳輸線路的實際運行溫度及高溫狀態下運行的可靠性。

圖1 原始拉伸試樣外觀

金相組織觀察。將純鋁和鋁合金試樣用砂紙逐級打磨，然后用拋光機進行拋光，隨后用由95mlH2O、1.0mlHF、2.5mlHNO3和1.5mlHCl組成的Keller's浸蝕劑進行浸蝕20～30s。采用奧林巴斯GX71光學顯微鏡進行微觀組織觀察；電阻率試驗。鋁合金電阻率的高低決定了鋁合金電阻的大小，鋁合金電阻的大小又決定了通電運行時鋁合金的溫度，且鋁合金的電阻率會隨著溫度的升高而受到影響。本試驗是根據GB/T3048.2-2007的要求，分別從純鋁棒和制造鋁合金金具的DP-L007鋁合金坯料中進行取樣，利用凱爾文電橋的原理，分別測試其在25℃～250℃時的電阻率，每25℃測一個點。

2 測試結果與分析

2.1 力學性能試驗

由試件的斷口照片圖2可知：不論是在高溫條件下還是室溫條件下，DP-L007鋁合金的破壞大多數接近于塑性破壞，斷口截面有較明顯的頸縮現象。純鋁和鋁合金在不同溫度下的拉伸力與位移實測曲線如圖3和圖4所示。鋁合金和純鋁抗拉強度隨溫度的變化關系如圖5所示。表1為試樣的力學性能指標實測結果。從表1、圖3中可看出：隨著溫度的升高，純鋁和鋁合金抗拉強度均逐漸降低，這與鋁材料中位錯的運動和熱激活有關，在低溫情況下，變形使鋁材料中生成高密度位錯[1]，導致位錯運動受阻致使鋁材具有較高的強度。純鋁的抗拉強度下降幅度相對較小，當溫度從室溫升高到100℃時，純鋁抗拉強度降低3.5MPa，當進一步升至150℃時則降低6MPa。

圖2 拉伸試樣斷后狀態

表1 純鋁及鋁合金力學性能數據表

圖3 純鋁在不同溫度下的拉伸力與位移曲線（a25℃，b100℃，c150℃，d200℃，e250℃，f300℃）

圖4 鋁合金在不同溫度下的拉伸力與位移曲線（a25℃，b100℃，c150℃，d200℃，e250℃，f300℃）

圖5 純鋁（a）及鋁合金（b）抗拉強度隨溫度變化曲線

對于鋁合金而言，抗拉強度下降幅度較大，分別降低22.5MPa和30MPa。但整個溫度變化過程中，鋁合金的抗拉強度均為純鋁的5倍以上。此外，溫度變化對兩者的斷后伸長率的影響規律不明顯。從圖4的拉伸-位移曲線還可看出，隨著溫度的升高，鋁合金由彈性階段逐漸變化到塑性階段的過程中出現了上下抖動，這種輕微的鋸齒狀流變現象，與拉伸試驗過程中發生的Portevin-Lehatelier（PLC）效應有一定關系[2-3]，這也意味著溫度越高材料的應變硬化程度越低。盡管如此，總體來看，鋁合金在150℃高溫時抗拉強度仍能維持在300MPa以上，這有利于金具的安全穩定工作。

2.2 試樣金相組織

純鋁和鋁合金的金相顯微組織如圖6所示。DPL007鋁合金為Al-Si-Mg系合金，硅、鎂在鋁中可形成固溶體發揮固溶強化的作用，同時鎂和硅可形成金屬間化合物Mg2Si，其作為合金的第二相而存在并起到重要強化作用[2]。由圖6可知，第二相總體分布均勻，析出相尺寸可達50um，呈現球形，減小了對合金基體的割裂作用，有利于保障鋁合金的力學性能[4]。

圖6 純鋁（a）和鋁合金（b）的金相顯微形貌

2.3 電阻率試驗

由圖7可知，隨著溫度的升高鋁合金和純鋁的電阻率均呈現上升趨勢，整個升溫過程中鋁合金的電阻率始終高于純鋁電阻率。在室溫時，鋁合金的電阻率為3.45×10-8Ω·m、純鋁的電阻率為2.71×10-8Ω·m；而當溫度升高到250℃時，鋁合金的電阻率增加到6.05×10-8Ω·m、純鋁的電阻率增加到5.23×10-8Ω·m，兩者的電阻率均增加了接近2倍，但純鋁電阻率增加得更快。經計算，純鋁的平均電阻溫度系數為0.0040/℃，鋁合金的平均電阻溫度系數為0.0034/℃，可見鋁合金電阻率隨溫度的變化相對更小，隨著溫度的增加，鋁合金的電阻率增加速率比純鋁棒緩慢，即鋁合金的電導率衰減比值優于純鋁。對于鋁合金金具而言，在保證機械特性的情況下電導率緩慢衰減，有利于減小交流電阻，進而增加金具的載流能力。

圖7 鋁合金及純鋁隨著溫度變化其電阻率的變化

綜上，在常溫狀態下，DP-L007鋁合金擁有較低的電阻率，較高的力學性能。在增容導線傳輸線路的實際運行溫度下，制作的金具的力學性能和電氣性能均能滿足使用要求；隨著溫度的升高，該鋁合金的電阻溫度系數優于純鋁，其在導電性能上的衰減較慢，在高溫下具有良好的導電性能；在高溫時，該鋁合金仍具有較高的力學性能(抗拉強度)，使用該鋁合金制作的金具運行更穩定可靠。