南 夢(mèng), 李 歡, 陳少杰

陜西理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 陜西 漢中 723000

電力電纜在電能輸送、信息傳遞和電器電子設(shè)備領(lǐng)域中扮演著不可或缺的角色,是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“血管”與“神經(jīng)”[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,電能的需求量逐年上升,電力電纜的需求量也持續(xù)升高[2]。按導(dǎo)體材質(zhì)分類,電力電纜主要包括銅芯電纜和鋁芯電纜兩種[3]。銅作為一種優(yōu)良的導(dǎo)體材料,因具有載流量大、耐腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好和可加工性高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于電線和電纜領(lǐng)域。作為一個(gè)銅消耗量極大的國(guó)家[4],我國(guó)的銅資源卻非常短缺[5],每年大約70%的銅依賴于進(jìn)口。受國(guó)際銅價(jià)不斷升高的影響,國(guó)內(nèi)電力電纜的成本也在極速上升[6]。我國(guó)在20世紀(jì)中葉,提出了“以鋁代銅”的政策,雖然鋁導(dǎo)體的導(dǎo)電性能接近于銅導(dǎo)體,但鋁具有熔點(diǎn)低、較柔軟和機(jī)械強(qiáng)度差等缺點(diǎn),使得鋁芯電纜的可靠性低,易發(fā)生故障[7]。因此,尋找一種銅、鋁電纜的替代品迫在眉睫。

鋁合金電纜是一種由鋁合金導(dǎo)體和絕緣材料組成的電力傳輸設(shè)備。在同一電氣性能下,相比于傳統(tǒng)的銅導(dǎo)體,鋁合金導(dǎo)體具有重量輕、價(jià)格低、延展性能好等優(yōu)點(diǎn)[8-10]。8030鋁合金是目前應(yīng)用最廣泛的一種鋁合金電纜導(dǎo)體材料,其發(fā)展歷程最早可以追溯到20世紀(jì)60年代初[11],經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展,8030鋁合金導(dǎo)體終于在20世紀(jì)80年代初期被應(yīng)用于電力輸送領(lǐng)域。近年來(lái),隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排政策的不斷強(qiáng)化以及電力輸送安全和效率要求的不斷提高,電力運(yùn)行部門對(duì)8030鋁合金導(dǎo)體的性能也提出了更高的要求。但鋁合金導(dǎo)體還存在一些缺點(diǎn)需要克服,如導(dǎo)體接口處容易發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛導(dǎo)致脫落與折斷進(jìn)而引發(fā)停電事故[12]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)大量的研究對(duì)8030鋁合金進(jìn)行改性,如改變合金的成分及元素含量以及加工工藝等,使得8030鋁合金的電氣性能和力學(xué)性能得到提高,以滿足電纜導(dǎo)體的服役要求。

1 8030鋁合金導(dǎo)體的性能指標(biāo)及加工方式

1.1 鋁合金導(dǎo)體的性能指標(biāo)

8030鋁合金的成分包括鋁、鐵、銅和其他元素,其中微量元素鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%～0.80%,銅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.30%,其他微量元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.10%[13]。8030合金中通常還添加了少量稀土元素等精細(xì)化合金元素,來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化改善合金的性能。8030鋁合金導(dǎo)體與其他導(dǎo)體導(dǎo)電性能和力學(xué)性能對(duì)比[14]見(jiàn)表1,8030鋁合金具有比軟態(tài)電工鋁更高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,且伸長(zhǎng)率可達(dá)30%。相比之下,雖然硬態(tài)電工鋁的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度很高,但伸長(zhǎng)率極低,僅為0.5%～3.0%,容易在扭轉(zhuǎn)時(shí)斷裂。雖然8030鋁合金導(dǎo)體的電導(dǎo)率只有國(guó)標(biāo)銅導(dǎo)體的61.8%,但當(dāng)鋁合金導(dǎo)體的面積為銅導(dǎo)體截面積的1.6倍時(shí),兩者的導(dǎo)電性能相同。且鋁合金的密度遠(yuǎn)小于銅的密度,在相同體積下,鋁合金導(dǎo)體的質(zhì)量輕,在架空電纜的發(fā)展中有很大的潛力[15]。鋁合金錠可以通過(guò)拉伸、擠壓等工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)加工不同形狀和截面的導(dǎo)體,同時(shí)也便于加工成不同長(zhǎng)度和規(guī)格的導(dǎo)體。上述優(yōu)勢(shì)使得8030鋁合金作為導(dǎo)體材料替代銅而應(yīng)用于電力傳輸線路具備可行性[15]。

表1 不同電工導(dǎo)體的性能

1.2 8030鋁合金的鑄造加工方式

8030鋁合金的加工鑄造方式主要有三種,分別為輪帶式連鑄法、水平連鑄法、直接冷水(Direct chill,DC)半連續(xù)鑄造+擠壓法[16]。輪帶式連鑄[17-18]是采用一組帶輪和水冷帶鋼來(lái)連續(xù)鑄造金屬,從鑄坯罐中注入到澆口的金屬熔體,隨著帶鋼轉(zhuǎn)動(dòng)而凝固在其表面,最終形成所需的金屬棒材。此技術(shù)可用于制造長(zhǎng)條、圓棒以及板等多種形狀金屬材料,其成品尺寸精度高、表面質(zhì)量好等。水平連鑄[19]是一種將液態(tài)金屬直接澆筑成坯料,即一次性完成鑄造、冷卻、拉拔等多個(gè)工序的連續(xù)鑄造技術(shù)。它可以生產(chǎn)高質(zhì)量、規(guī)格精密、表面平整光滑的鋼坯,并可節(jié)約能源和原材料。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)中。DC半連續(xù)鑄造+擠壓法[20-21]是一種將鋁合金材料通過(guò)直接擠壓成型的方法,該方法是將鋁合金錠材通過(guò)預(yù)熱和熔煉,然后利用氣壓將熔融的金屬推進(jìn)擠壓機(jī)中進(jìn)行擠壓成型。使用DC半連續(xù)鑄造可以將鋁合金材料連續(xù)鑄造成所需形狀的毛坯,這樣可以進(jìn)一步減少成本和加工時(shí)間。此方法可用于生產(chǎn)高強(qiáng)度、高性能的鋁合金材料。同時(shí),該方法還具有成本低、成型速度快、制造精度高等優(yōu)點(diǎn)。綜上,三種方法都是將鋁錠加熱至熔化溫度,并添加適量的鋁中間合金錠進(jìn)行合金化,形成鋁合金熔體。然后,通過(guò)連鑄連軋法或水平引鑄法等直接將其制成桿材。整個(gè)加工過(guò)程利用了物理原理來(lái)實(shí)現(xiàn),加工流程[22]如圖1所示。采用DC半連續(xù)鑄造+擠壓法生產(chǎn)8030鋁合金電工圓桿,具有可操控性強(qiáng)、工藝好和生產(chǎn)質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。在冷卻速率適當(dāng)?shù)那疤嵯履鼙ＷC鑄造的冶金質(zhì)量高,同時(shí)在擠壓前進(jìn)行車皮處理,去除鑄錠表面的偏析層,并實(shí)施熱處理,實(shí)現(xiàn)很大的塑性變形,從而得到尺寸精度高的電工圓桿產(chǎn)品[16]。因此,該方法更適合生產(chǎn)高質(zhì)量的鋁合金電工圓桿產(chǎn)品,尤其在某些特殊情況下需要使用鋁合金導(dǎo)電細(xì)絲甚至導(dǎo)電超細(xì)絲時(shí),采用DC半連續(xù)鑄造+擠壓的方法更有利于生產(chǎn)。已加工好的電工圓桿經(jīng)退火、拉拔和熱處理可改變鋁合金的性能,最后絞合、擠包絕緣成電纜。

圖1 鋁合金導(dǎo)體電纜的加工流程圖

2 合金元素對(duì)8030鋁合金性能的影響

2.1 Cu、Fe和Mg元素對(duì)8030鋁合金的影響

經(jīng)過(guò)微合金化處理的電氣用8030鋁合金中主要含有除Al元素之外的Fe、Cu兩種元素,其中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%～0.80%,Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.30%,這兩種元素的含量、形態(tài)及分布狀態(tài)對(duì)鋁合金性能具有顯著的影響[23-24]。

Cu在鋁基體中一般以固溶態(tài)或析出態(tài)的形式存在,通過(guò)固溶強(qiáng)化作用能明顯提高鋁合金的抗拉強(qiáng)度。固溶的Cu原子在鋁基體中引起晶格畸變,增加了電子在傳播過(guò)程中的散射源,導(dǎo)致鋁合金導(dǎo)體的電導(dǎo)率降低[25-26]。圖2所示為不同含量的Cu元素對(duì)8030鋁合金鑄態(tài)組織產(chǎn)生的影響。在未添加銅元素之前,合金的枝晶較粗,晶界較寬,在晶界處存有空洞和夾雜物。較大的枝晶和晶界都意味著晶體內(nèi)部密紋度不高,存在晶格缺陷及其他缺陷的可能性較大,從而削弱了合金的力學(xué)性能。此外,晶界上的空洞和夾雜物也容易成為裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展的位置,形成的應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)一步降低了合金的力學(xué)性能[27]。添加銅元素以后,8030鋁合金凝結(jié)的組織形態(tài)為樹(shù)枝晶,合金的顯微組織得以細(xì)化,并且伴隨著較多顆粒狀的第二相生成。因?yàn)镃u、Fe、Si在α-Al基體中的溶解度低,其中Cu在548 ℃的溶解度為5.65%,在室溫的溶解度下降至0.1%以下,所以Cu在α-Al基體主要以CuAl2相偏聚于晶界處。CuAl2分子會(huì)阻礙晶粒的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),使得合金抗拉強(qiáng)度提升,但由于CuAl2相脆性較低,鋁合金在延伸時(shí)晶界分離,導(dǎo)致鋁合金的伸長(zhǎng)率降低[28]。隨著Cu含量的增加,由于Al原子與Cu原子半徑之差引起晶格畸變,電子散射增加使得電導(dǎo)率下降[29]。

(a) 0% (b) 0.3% (c) 0.5%

Fe元素對(duì)8030鋁合金的影響包括兩個(gè)方面:一方面,Fe在鋁合金凝固的過(guò)程中促進(jìn)了壁晶核游離的形成和型壁晶核中α-Al質(zhì)點(diǎn)數(shù)目的增加,導(dǎo)致晶粒尺寸下降,進(jìn)而達(dá)到了細(xì)晶強(qiáng)化的效果[30];另一方面,隨著Fe含量的增加,鋁合金中含F(xiàn)e的β相數(shù)目增多,β相大的長(zhǎng)徑比易阻礙位錯(cuò)滑移,產(chǎn)生的應(yīng)力集中會(huì)影響鋁合金的力學(xué)性能[31]。

吳振江[32]研究了8030鋁合金中Fe和Cu元素含量的合理化,研究表明當(dāng)鋁合金中加入Fe和Cu時(shí),可以得到更細(xì)小的鑄態(tài)組織,并在隨后的加工過(guò)程中形成紋理組織和分散的第二相。不僅提高了合金的強(qiáng)度,而且也能保持其優(yōu)良的延展性和導(dǎo)電性。在8030鋁合金中,當(dāng)鐵的含量為0.45%、銅的含量為0.22%時(shí),該合金的綜合性能較好。相比Fe、Cu元素,Mg元素在8030鋁合金中含量很少,其含量小于等于0.05%。少量的Mg元素可提高合金的抗拉強(qiáng)度[33]。

2.2 B元素對(duì)8030鋁合金的影響

向8030鋁合金中加入適量的B元素減少了鋁合金中雜質(zhì)含量且使其在晶界上分散,從而使鋁合金的晶粒變小[34]。B原子吸附于晶界可降低晶界的界面能,不僅降低了合金組織的回復(fù)再結(jié)晶度,而且阻礙了鋁合金退火時(shí)晶界的遷移和拉拔時(shí)的位錯(cuò)滑移,進(jìn)而提高了鋁合金的抗拉強(qiáng)度[33]。相比于Cu和Fe元素,B元素最大的優(yōu)點(diǎn)在于不僅能提高鋁合金的力學(xué)性能還能提高電導(dǎo)率。B可與鋁合金中的鈦、釩、錳、鉻等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成一種密度較大的化合物,在鋁合金熔融時(shí)過(guò)濾掉沉淀,使得鋁合金的電導(dǎo)率提高[35]。圖3所示為B元素對(duì)8030鋁合金抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)率的影響。隨著B(niǎo)元素含量的增加,鋁合金的抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)率先上升后下降,當(dāng)B元素的摻入量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.04%時(shí),抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)率達(dá)到最大,鋁合金的綜合性能最優(yōu)。盡管B元素對(duì)鋁合金導(dǎo)體的性能有一定的提升,但它無(wú)法消除Si、Fe元素對(duì)鋁合金導(dǎo)電性能造成的極大危害。因此,仍然需要進(jìn)一步研究其他元素對(duì)鋁合金導(dǎo)電性能的影響。

圖3 不同B元素對(duì)抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)率的影響

2.3 稀土元素(La、Ce、Yb、Er)對(duì)8030鋁合金的影響

研究人員嘗試在8030鋁合金中加入La(質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%)、Ce(質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%)的混合稀土Al-10Re中間合金來(lái)改善鋁合金的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能[36]。在未添加混合稀土之前,鋁合金的枝晶呈現(xiàn)粗大的形態(tài),枝晶之間的間距較為寬闊,且枝晶周圍沒(méi)有出現(xiàn)任何析出相,同時(shí)在枝晶臂間還可觀察到少量的黑色相。隨著混合稀土的加入,鋁合金的枝晶越來(lái)越細(xì),晶內(nèi)出現(xiàn)了較細(xì)的鋁合金化合物。當(dāng)加入的混合稀土含量為0.3%時(shí),晶粒的平均直徑有所變大,這主要是加入的稀土原子與鋁合金中的第二相發(fā)生反應(yīng),使得晶界中化合物溶解,質(zhì)量分?jǐn)?shù)變得不均勻?qū)е碌木ЯｉL(zhǎng)大。拉拔態(tài)8030鋁合金導(dǎo)體的導(dǎo)電性能隨著混合稀土的加入先升高后降低,當(dāng)混合稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí),鋁合金導(dǎo)體電導(dǎo)率達(dá)到最高62.31%IACS;當(dāng)混合稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí),鋁合金導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度達(dá)到233 MPa,伸長(zhǎng)率也有所提高[37]。

Er具有改善鋁合金的組織和抑制再結(jié)晶的特性,可提高鋁合金的強(qiáng)度、耐熱和抗腐蝕性能等。Yb是一種有效的微合金化元素,具有較好的抑制再結(jié)晶性能,可提高鋁合金強(qiáng)度和斷裂韌度[38-40]。陳雪姣等[41]對(duì)8030鋁合金中的Yb、Er元素進(jìn)行了優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)合金元素含量越高,室溫力學(xué)性能越好,但導(dǎo)電性能越差。當(dāng)熱擠+熱軋+冷軋后經(jīng)180 ℃+1 h時(shí)效處理,元素比例為Al-0.55Fe-0.15Cu-0.05Yb-0.10Er的鋁合金具有最優(yōu)的室溫力學(xué)、高溫抗蠕變和導(dǎo)電性能[41]。

2.4 不同元素改性對(duì)比

幾種元素對(duì)8030鋁合金導(dǎo)體的性能都有較大影響,Fe、Cu元素的添加主要提高抗拉強(qiáng)度。Cu元素在鋁基體中以固溶強(qiáng)化形成的Cu2Al分子阻礙晶粒位錯(cuò)作用提高抗拉強(qiáng)度,但固溶的Cu、Al原子半徑相差較大,使得α-Al晶格畸變,增加了電子傳播時(shí)的散射,進(jìn)而導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。另一方面Cu2Al分子較脆,塑性形變可導(dǎo)致晶界裂開(kāi),導(dǎo)致伸長(zhǎng)率下降。Fe元素在鋁基體中的溶解度很低,主要以Al3Fe相分布在晶界上,阻礙晶界移動(dòng)來(lái)提高抗拉強(qiáng)度,但對(duì)電導(dǎo)率影響太大。向鋁合金中加入B元素,一方面降低晶界界面能使再結(jié)晶度降低,阻礙晶界遷移,提高抗拉強(qiáng)度,這與Fe元素效果相近;另一方面凈化了鋁基體中的雜志,提高了電導(dǎo)率。相比于Fe、Cu、B元素,稀土元素對(duì)鋁合金導(dǎo)體的影響包括三個(gè)方面——變質(zhì)作用、凈化作用和合金化作用[42]。變質(zhì)作用:稀土元素可以細(xì)化鋁合金的晶枝,抑制富鐵相的形成。大部分稀土元素原子比較大,只能存在晶界處,使鋁原子之間的作用力變大,從而提高鋁合金的力學(xué)性能[43]。凈化作用:稀土元素可以凈化鋁合金加工過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣,稀土原子與鋁合金導(dǎo)體中的氫氣、氧和硫元素等反應(yīng)生成固體雜質(zhì)在熔煉過(guò)程中排除,可去除雜質(zhì)元素對(duì)鋁合金性能的影響[44]。合金化作用:稀土元素的加入對(duì)鋁合金晶體起強(qiáng)化作用,當(dāng)加入稀土元素含量小于0.1%時(shí),固溶強(qiáng)化占主導(dǎo)作用;當(dāng)加入稀土元素含量大于0.3%時(shí),第二相強(qiáng)化占主導(dǎo)作用[45-46],這與Cu原子固溶強(qiáng)化作用相似。

3 加工工藝對(duì)8030鋁合金性能的影響

3.1 擠壓工藝對(duì)8030鋁合金的影響

擠壓工藝可以提高8030鋁合金的性能。鋁合金擠壓是對(duì)盛有鋁合金錠胚擠壓筒施加外力,使得擠壓成型的鋁合金棒從特定膜孔中出來(lái)。羅子健[47]和白星良[48]研究發(fā)現(xiàn)擠壓溫度、擠壓速度和擠壓型變量對(duì)鋁合金導(dǎo)體的組織和性能有較大的影響。隨著擠壓溫度的上升,擠壓成型的鋁合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度降低,但伸長(zhǎng)率有所提高。當(dāng)擠壓溫度達(dá)到500 ℃時(shí),合金晶粒過(guò)大導(dǎo)致伸長(zhǎng)率下降。擠壓速度較高,合金導(dǎo)體表面易產(chǎn)生裂紋,且溫度過(guò)高易使工具粘鋁;擠壓速度較低,易產(chǎn)生加工組織。陳慶強(qiáng)[22]研究發(fā)現(xiàn)擠壓工藝的溫度和速度會(huì)對(duì)鋁合金導(dǎo)體的表面產(chǎn)生影響,擠壓溫度和速度不合適時(shí)導(dǎo)體表面會(huì)產(chǎn)生竹節(jié)紋,導(dǎo)體表面還會(huì)出現(xiàn)兩條首尾貫穿較輕的凹痕。當(dāng)擠壓溫度為380 ℃時(shí),金屬桿表面光滑、表面竹節(jié)紋消失。擠壓速度在0.5～4.0 mm/s時(shí),對(duì)鋁合金的形貌影響不大,鋁合金導(dǎo)體表面光滑。從480 ℃開(kāi)始鋁合金桿內(nèi)部已完成了動(dòng)態(tài)結(jié)晶,中心部晶粒較大,外部晶粒尺寸較小。隨著擠壓溫度的上升,再結(jié)晶度上升,隨著擠壓速度的上升,鋁合金晶粒在高溫段停留較短,晶粒未長(zhǎng)大溫度就已降至結(jié)晶溫度以下,這兩種變化都導(dǎo)致鋁合金導(dǎo)體內(nèi)部的晶粒數(shù)增加。圖4所示為當(dāng)溫度為380 ℃時(shí),抗拉強(qiáng)度隨著擠壓速度增大先減小,再趨于波動(dòng)的趨勢(shì),伸長(zhǎng)率隨著擠壓速度增大而增大,后趨于平緩。擠壓溫度和擠壓速度對(duì)鋁合金導(dǎo)體的電導(dǎo)率影響不大(在59.5%～59.9%IACS之間變化),當(dāng)擠壓溫度為380 ℃和擠壓速度為4 mm/s時(shí)鋁合金綜合性能最佳,此時(shí)電導(dǎo)率為59.9%IACS,抗拉強(qiáng)度為107.4 MPa,伸長(zhǎng)率為40.1%。

圖4 380 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨擠壓速度變化曲線

3.2 退火工藝對(duì)8030鋁合金導(dǎo)體的影響

退火工藝是鋁合金導(dǎo)體加工過(guò)程中重要的步驟,對(duì)導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和性能有較大的影響[49]。段賀等[50]認(rèn)為退火改變了鋁合金加工留下的晶體缺陷,晶粒發(fā)生再結(jié)晶,提高了導(dǎo)體拉拔過(guò)程中的加工硬化率,從而改善了鋁合金導(dǎo)體的伸長(zhǎng)率和電導(dǎo)率。

鑄態(tài)鋁合金元素含量分布不均勻,產(chǎn)生的晶內(nèi)偏析對(duì)導(dǎo)體后續(xù)加工性能有不良的影響,均勻退火可消除晶體內(nèi)的成分不均勻和非平衡組織,提高鑄態(tài)合金的加工組織性能[51]。均勻退火具有細(xì)化晶界和固溶第二相的作用,退火20 h以后的晶界細(xì)化較為明顯。經(jīng)過(guò)均勻化處理后,Fe元素明顯均勻分布于鋁基體,而Cu、Si元素不太明顯,其中Cu元素對(duì)電導(dǎo)率影響較大。經(jīng)過(guò)470 ℃均勻退火24 h后,Cu元素在合金中以Al-Fe-Cu相存在,此時(shí)8030鑄態(tài)合金的綜合性能最優(yōu)[28]。

退火溫度從320 ℃升高至380 ℃時(shí),連鑄連軋態(tài)8030鋁合金的伸長(zhǎng)率增加,抗拉強(qiáng)度降低,電導(dǎo)率先增加后降低,在350 ℃時(shí),電導(dǎo)率達(dá)到最高值。將350 ℃退火時(shí)間延長(zhǎng)至200 min時(shí),鋁合金導(dǎo)體的性能不再變化,這是因?yàn)樵?50 ℃退火200 min的鋁合金導(dǎo)體內(nèi)部晶體缺陷完全修復(fù)[52]。樊祥澤[53]探究了250～450 ℃退火工藝對(duì)連鑄連軋態(tài)8030鋁合金的影響,隨著退火溫度升高,8030鋁合金導(dǎo)體的伸長(zhǎng)率和電導(dǎo)率上升,抗拉強(qiáng)度下降,這與上述規(guī)律一致。退火溫度在300 ℃以下時(shí),伸長(zhǎng)率緩慢增加,大于300 ℃時(shí),伸長(zhǎng)率快速增加,電導(dǎo)率的增加速率與之相反。由于在300 ℃以下退火時(shí),鋁合金導(dǎo)體低溫回復(fù)使得空位密度減少,電導(dǎo)率對(duì)空位密度變化敏感,伸長(zhǎng)率反之。退火溫度在300 ℃度以上時(shí),鋁合金晶體的再結(jié)晶作用使抗拉強(qiáng)度明顯降低,伸長(zhǎng)率明顯上升。退火溫度上升至450 ℃時(shí),已完全再結(jié)晶,鋁合金導(dǎo)體缺陷最小。在350 ℃退火2 h,連鑄連軋態(tài)8030鋁合金桿抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和電導(dǎo)率分別為110.5 MPa、24.1%、61.56%IACS,符合國(guó)標(biāo)要求,綜合性能最優(yōu)[53]。

8030鋁合金桿拉拔至導(dǎo)線產(chǎn)生了加工硬化、晶體結(jié)構(gòu)變形和晶體缺陷等,會(huì)嚴(yán)重影響鋁合金導(dǎo)體的力學(xué)性能和電學(xué)性能[54]。通過(guò)適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚?拉拔態(tài)鋁合金導(dǎo)體發(fā)生能量再回復(fù)和再結(jié)晶,獲得細(xì)小無(wú)畸變的等軸狀再結(jié)晶,從而顯著提高材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能[26]。樊祥澤[53]進(jìn)一步探究了退火對(duì)拉拔態(tài)8030鋁合金導(dǎo)體的影響,鑄態(tài)和拉拔態(tài)退火對(duì)鋁合金的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的影響相似。拉拔態(tài)導(dǎo)體在300 ℃時(shí),抗拉強(qiáng)度為116.1 MPa,電導(dǎo)率為63.10%IACS,綜合性能最優(yōu)。退火溫度在300 ℃以下時(shí),導(dǎo)體發(fā)生的能量回復(fù)和再結(jié)晶消除了加工缺陷,產(chǎn)生無(wú)畸變等軸再結(jié)晶晶體,使性能顯著變化。退火溫度在300 ℃以上時(shí),再結(jié)晶的晶粒長(zhǎng)大,使得晶界面積變小,對(duì)位錯(cuò)的阻礙和電子傳播的阻礙作用減小,抗拉強(qiáng)度稍微下降,電導(dǎo)率變化不明顯[53]。

韓茜等[55]認(rèn)為普通的退火工藝不能闡明退火冷卻時(shí)的溫度和時(shí)間對(duì)鋁合金導(dǎo)體性能的影響。對(duì)經(jīng)過(guò)470 ℃均勻化退火24 h的8030鋁合金導(dǎo)體進(jìn)行了等溫退火,經(jīng)等溫退火后,鋁合金導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度和硬度有所降低,而伸長(zhǎng)率明顯提高。這是因?yàn)橥嘶疬^(guò)程中產(chǎn)生的能量回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大,使得位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)和重新組合。隨著等溫時(shí)間的延長(zhǎng),在相同的等溫溫度下,組織會(huì)逐漸趨于均勻化;而在相同的等溫時(shí)間下,隨著等溫溫度的升高,組織趨于均勻化的時(shí)間會(huì)縮短。當(dāng)?shù)葴販囟鹊陀?20 ℃時(shí),等溫時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致鋁合金導(dǎo)線的電導(dǎo)率先降低后升高,這是因?yàn)榫Ы缣幍牡诙辔龀鲈龃罅司Ы缣幍幕靵y度,導(dǎo)致電子散射和電阻上升。當(dāng)?shù)葴販囟雀哂?20 ℃時(shí),等溫時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致鋁合金導(dǎo)線的電導(dǎo)率先增大后減小,這是因?yàn)檩^高溫度下有更多的第二相析出,使得基體晶格畸變區(qū)變小,導(dǎo)電電子平均自由度變大,電導(dǎo)率升高。但隨著時(shí)間的延長(zhǎng),形成的金屬間化合物增加,導(dǎo)致電導(dǎo)率降低。在240 ℃均勻退火4 h時(shí),合金綜合性能較優(yōu)。

綜上,不同的退火工藝對(duì)8030鋁合金的性能都有影響,表2所示為從機(jī)理和性能變化等方面對(duì)幾種退火工藝進(jìn)行了對(duì)比。470 ℃-24 h均勻退火可使鋁合金的塑性提高,加工組織提高。但溫度過(guò)高時(shí),晶粒尺寸過(guò)大使得電導(dǎo)率下降。中間退火、終次退火和等溫退火都使得鋁合金的電導(dǎo)率和伸長(zhǎng)率升高,抗拉強(qiáng)度下降。中間退火和終次退火主要發(fā)生晶體回復(fù)和再結(jié)晶,生成無(wú)畸變的等軸再結(jié)晶晶粒,使得電導(dǎo)率升高?；貜?fù)使空位和位錯(cuò)等晶體缺陷消除,加工硬化消除,導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度明顯降低。經(jīng)過(guò)均勻退火后的合金導(dǎo)線中的加工硬化和晶體缺陷較少,等溫退火晶體回復(fù)較少,抗拉強(qiáng)度變化較小。

表2 8030鋁合金的幾種退火工藝

3.3 熱處理對(duì)8030鋁合金導(dǎo)體的影響

除了上述的幾種熱加工工藝外,還發(fā)現(xiàn)固溶時(shí)效處理、淬火和時(shí)效處理等熱處理工藝對(duì)鋁合金的性能有較好的提升。韓茜等[56]研究了固溶時(shí)效對(duì)8030鋁合金導(dǎo)體的影響,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)墓倘芴幚砗笤龠M(jìn)行時(shí)效處理,可以顯著提升鋁合金導(dǎo)體的導(dǎo)電性能和電學(xué)性能。480 ℃固溶處理6 h,再經(jīng)240 ℃時(shí)效處理6 h,電導(dǎo)率最高可達(dá)56.67%IACS,比未處理時(shí)提高了3.41%;伸長(zhǎng)率從3.75%提高到31.25%。張國(guó)玲[28]則將冷拉態(tài)的鋁合金導(dǎo)體進(jìn)行淬火和時(shí)效處理,發(fā)現(xiàn)雖然淬火過(guò)程中鋁合金導(dǎo)體的電導(dǎo)率會(huì)下降,但隨后的回復(fù)和結(jié)晶效應(yīng)將導(dǎo)致其電導(dǎo)率大幅度提升。高溫淬火會(huì)產(chǎn)生晶體點(diǎn)陣畸變,而雙級(jí)低溫時(shí)效可減少固溶體減少的點(diǎn)陣畸變,從而使得鋁合金導(dǎo)電性能得到全面提升。熱處理工藝主要使鋁合金發(fā)生重結(jié)晶、晶粒生長(zhǎng)和第二相沉淀等組織演變過(guò)程,在重結(jié)晶過(guò)程中晶粒的平均尺寸增加和晶界的密度降低,從而提高了鋁合金導(dǎo)體的伸長(zhǎng)率,但降低了抗拉強(qiáng)度[57]。

3.4 拉拔工藝對(duì)8030鋁合金導(dǎo)體的影響

鋁合金的拉拔是將加工好的電工圓桿拉伸成所需要的形狀。拉拔工藝有兩種形式,一種是直接拉拔加工成型的電工圓桿,另一種是拉拔經(jīng)退火工藝處理的電工圓桿,兩種加工方式都會(huì)對(duì)鋁合金的性能產(chǎn)生影響。拉拔工藝使得合金發(fā)生了塑性變形,產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)增加了晶格畸變,且元素處于固溶狀態(tài),使得電子散射增強(qiáng),導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。但合金的變形使得晶粒尺寸變小,晶界數(shù)量增加,可阻礙位錯(cuò)的滑移,使得合金的抗拉強(qiáng)度增加[58]。陳慶強(qiáng)[22]將φ9.5 mm的8030鋁合金圓桿拉至φ2.8 mm,分析了退火前后拉拔次數(shù)對(duì)鋁合金性能的影響。經(jīng)過(guò)11次的拉拔,鋁合金的晶粒被擠壓、破碎,拉長(zhǎng)的組織向拉拔方向延伸。合金的抗拉強(qiáng)度由110 MPa提升至222.8 MPa,但電導(dǎo)率有所降低,伸長(zhǎng)率大幅度降低。樊祥澤[53]對(duì)經(jīng)過(guò)最優(yōu)退火處理的8030鋁合金導(dǎo)體進(jìn)行了9次拉拔實(shí)驗(yàn),其中退火溫度為350 ℃,時(shí)間為2 h。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)最優(yōu)退火處理的鋁合金導(dǎo)體拉拔后平均強(qiáng)度下降至200.3 MPa,伸長(zhǎng)率上升至7.3%,電導(dǎo)率上升至61.18%IACS。相較于未經(jīng)退火處理的鋁合金導(dǎo)體,經(jīng)過(guò)最優(yōu)退火處理后拉拔的鋁合金導(dǎo)體綜合性能更好,滿足國(guó)標(biāo)要求。

4 8030鋁合金導(dǎo)體的蠕變行為

鋁合金導(dǎo)體的蠕變行為是普遍存在的,蠕變變形對(duì)電力電纜的運(yùn)行有巨大的安全隱患,抗蠕變性能的研究是非常重要的。蠕變是指材料在一定的外應(yīng)力下緩慢發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象,溫度、加載應(yīng)力和蠕變時(shí)間是蠕變影響的主要參數(shù)。蠕變實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段的蠕變速率比較大,隨著蠕變時(shí)間的增加,蠕變速率逐漸下降至平緩。當(dāng)在同一溫度時(shí),隨著施加應(yīng)力的增大,或者當(dāng)施加應(yīng)力恒定時(shí),隨著溫度的升高,兩者都使8030鋁合金導(dǎo)體的穩(wěn)定蠕變階段時(shí)間延遲。8030鋁合金導(dǎo)體在不同溫度(36、40、44 ℃)和不同施加應(yīng)力(5750、6350、6950 N)的條件下,根據(jù)蠕變應(yīng)力值的大小,可判定該蠕變機(jī)制為位錯(cuò)的攀移機(jī)制,蠕變激活能隨應(yīng)力值的增大而增大。隨著溫度和施加應(yīng)力的增加,8030鋁合金導(dǎo)體的抗蠕變性能變差[33]。國(guó)標(biāo)GB/T30552—2014中規(guī)定蠕變溫度為50～120 ℃,應(yīng)力應(yīng)該小于屈服強(qiáng)度。當(dāng)8030鋁合金導(dǎo)體在恒溫(120 ℃)和不同施加應(yīng)力(15、25、35 MPa)的條件下進(jìn)行蠕變時(shí),應(yīng)力指數(shù)為3.02,此時(shí)8030鋁合金導(dǎo)體的蠕變機(jī)制為位錯(cuò)滑移機(jī)制[58]。電纜短路時(shí)導(dǎo)體的最高溫度不超過(guò)250 ℃,對(duì)8030鋁合金在200、225、250 ℃下進(jìn)行了蠕變實(shí)驗(yàn),溫度和施加應(yīng)力的增大都使蠕變速率和蠕變量增加,溫度升高比應(yīng)力增加對(duì)蠕變速率的影響更大。隨著應(yīng)力值的增加,在恒溫200 ℃時(shí)的蠕變指數(shù)為3.6,8030鋁合金的蠕變機(jī)制為擴(kuò)散控制下的位錯(cuò)粘滯性滑移蠕變[53]。綜上,8030鋁合金導(dǎo)體的蠕變速度隨著溫度和應(yīng)力的增加而增加,溫度對(duì)蠕變速率影響較大,這可能是溫度升高會(huì)增加原子的擴(kuò)散率,促使晶體位錯(cuò)滑移,且在不同溫度下都存在初始蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段。

5 8030鋁合金電纜導(dǎo)體接頭現(xiàn)存問(wèn)題

對(duì)電纜導(dǎo)體而言,除了材料本身的特性之外,中間接頭及終端也會(huì)對(duì)導(dǎo)體的性能產(chǎn)生較大的影響。在電纜服役期間,鋁合金導(dǎo)體內(nèi)的電流熱效應(yīng)快速使中間連接頭和終端連接端的溫度升高,進(jìn)而產(chǎn)生較大的接觸電阻。接頭及終端處受到長(zhǎng)期的外力作用,容易發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛,進(jìn)而導(dǎo)致接觸力增大、接觸面積減小等,這會(huì)引起接頭及終端處電化學(xué)敷設(shè)、接觸電阻增大等,加速電纜的老化,甚至引發(fā)擊穿事故,直接影響電纜的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

鋁合金導(dǎo)體的中間接頭及終端是采用連接金具進(jìn)行連接、固定。連接金具是由中間連接管和連接端子組成?？訅汉蛧鷫菏悄壳皣?guó)內(nèi)鋁合金電纜導(dǎo)體與金具連接時(shí)采用的兩種主要的壓接工藝,采用兩種壓接方式連接鋁合金導(dǎo)線的實(shí)物如圖5所示。目前,關(guān)于壓接工藝對(duì)鋁合金導(dǎo)體性能影響的研究還比較少,譬如坑壓與圍壓對(duì)鋁合金導(dǎo)體力學(xué)性能和電學(xué)性能影響的差異,不同壓接工藝與導(dǎo)體生產(chǎn)工藝(線型、絞合方式等)之間的匹配問(wèn)題等均缺少系統(tǒng)和深入的研究,值得進(jìn)一步的關(guān)注。

(a) 坑壓 (b) 圍壓

6 總結(jié)

本文綜述了生產(chǎn)工藝、元素成分和加工工藝3個(gè)方面對(duì)8030鋁合金材料力學(xué)和導(dǎo)電性能影響的研究現(xiàn)狀。在生產(chǎn)工藝方面,DC半連續(xù)鑄造+擠壓法具有操控性較強(qiáng)、工藝性好和生產(chǎn)質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn),可作為8030鋁合金優(yōu)良的加工方法,但還存在著亞結(jié)晶、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和組織形變量大等缺點(diǎn),易導(dǎo)致鋁合金性能的降低,該方法還需進(jìn)一步改善。在元素成分方面,適量的Fe、Cu元素,會(huì)與Al形成Al2Cu、Al3Fe和Al7Cu2Fe相等,增強(qiáng)鋁合金的的抗拉強(qiáng)度;適量的B元素可通過(guò)去除鋁合金晶界的雜質(zhì)和細(xì)化晶粒來(lái)提高合金性能;加入稀土元素可通過(guò)細(xì)化合金晶粒、抑制富鐵相的形成和去除鋁合金加工產(chǎn)生的氣體來(lái)提高合金性能。單種合金元素對(duì)鋁合金的影響機(jī)理研究已經(jīng)很成熟,但在鋁合金導(dǎo)體中添加兩種以上元素具有復(fù)合作用,可能對(duì)鋁合金性能有影響,這個(gè)方向需要進(jìn)一步探究。在加工工藝方面,主要通過(guò)高溫使得鋁合金內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶、提高第二相的固溶和改變晶體結(jié)構(gòu)等改變鋁合金的性能。當(dāng)8030鋁合金材料應(yīng)用于電纜導(dǎo)體時(shí),中間接頭和終端的連接金具與鋁合金導(dǎo)體的配合情況、壓接工藝對(duì)鋁合金導(dǎo)體性能影響等方面目前還缺少深入的研究,值得進(jìn)一步的關(guān)注。