架空铝合金导线的研究与应用

张瑞峰　董亚光　谭瑞　赵红亮

（郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州　450001）

架空铝合金导线的研究与应用

张瑞峰董亚光谭瑞赵红亮

（郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州450001）

铝具有良好的综合性能，且成本较低，是取代铜的首选材料。基于此，对国内常见的架空导线作对比，重点对全铝合金导线的发展进行评述，介绍铝合金导线通过优化成分、加工工艺和热处理方式来提高性能的最新研究进展。

铝合金导线；合金元素；连续铸挤；热处理

铜由于其优异的导电性和良好的抗拉强度和耐蚀性能而被选作为导体材料，而铝的导电性仅次于铜，且在地壳中含量丰富，具有良好的导电导热性、加工成型性［1］，铜资源匮乏及铜价较高使得“以铝代铜”成为热点［2］。目前铜的价格约为3.5万～4.0万/t，而铝的价格约为1.2万～1.4万/t，铝的电导率约为铜的62%，而密度是Cu的33%，输送同样的电量，所需Al导线的质量只有Cu导线质量的50%即可［3］，且价格较低，因此Al导线的应用越来越广泛。

沿海、东部工业城市经济的快速发展，对于电力能源的需求不断加大，而我国发电基地主要集中在中西部地区，需要使用长距离、大规模的架空输电导线才能实现“西电东送”［4］。目前，架空输电导线仍以传统的钢芯铝绞线（ACSR）为主，但随着电力的发展以及智能电网的建设的全面展开，ACSR已经不能满足要求，而铝合金导线的优异性能却逐渐凸显出来。国内外相继开发出一系列具有优异性能的铝合金导线，主要包括钢芯铝合金绞线（AACSR）、铝合金芯铝绞线（ACAR）、全铝合金绞线（AAAC）3种类型［5］。本文就3种铝绞线与钢芯铝绞线进行对比，重点对全铝合金绞线的特点及未来发展进行了评述。

1　铝绞线的主要分类

1.1钢芯铝绞线（ACSR）

目前，国内使用的架空输电线依然是钢芯铝绞线，导电率约为55.8%IACS。线芯多为镀锌钢线，外层绞制电工圆铝线，其载流量低、耐蚀性能差［6］，钢芯对导电性几乎没有任何改善作用。但由于其具有结构简单、线路造价低等优点，依然被用于各种电压级别的输电线上［5］。

1.2钢芯铝合金绞线（AACSR）

该绞线的线芯为钢线绞合而成的多股实心绞线，外层绞制铝合金线，导电率约为48%IACS。这种绞线比钢芯铝绞线具有更大的抗拉强度，比普通钢芯铝绞线的综合抗拉强度高出1.27～2.45倍，质量轻，弧垂小［7］，一般钢芯铝合金绞线的拉重比可以达到12km，而常用钢芯铝绞线为7～9km［7］，铝合金线的表面硬度上约比普通铝线高1倍，且钢芯铝合金绞线内外层延伸率相当，受力均匀，外层不易断股，特别适合在大跨越或者重度结冰区使用，能够减少跨越塔的建设投资。

1.3铝合金芯铝绞线（ACAR）

内层采用高强度铝合金芯，外层绞制硬铝线，硬铝导电率高，铝合金强度高而质量轻，导电率约为58%IACS。硬铝的成分为2.2%～4.9%Cu、0.2%～1.8%Mg、0.3%～0.9%Mn，少量的Si，其余是Al［5］。由于其内芯为高强度铝合金，能够承担起较高的负荷，适用于中重冰区、跨越线路区等，并能够减少输电线铁塔的数量，节省成本。由于绞线内无钢芯，不存在磁滞损耗和涡流损耗，提高了电量传输率；同时也不会形成电化学电池，提高了产品的耐蚀性能。铝合金芯铝绞线的使用增强了电网稳定性，是比较实用的输电线材料。

表1　常见架空导线的基本性能指标

1.4全铝合金绞线（AAAC）

该绞线的全部线段均由同质的铝合金构成。以230～265MPa抗拉强度的中强度全铝合金绞线为代表，导电率约为51.4%IACS。与ACSR相比，其具有以下优点：①由于拉重比较大，弧垂特性较好，因此可增大输电杆塔档距，降低投资；②具有较强的延伸率，在高温下仍保持一定的强度；③接续简便，维护保养方便；④当水平载荷相当时，其垂直载荷减少约10%，施工上也简单的多；⑤全铝合金绞线硬度较高，为普通铝材料的2倍，且质地轻，施工时可减小表面摩擦；⑥全铝合金绞线本身抗腐蚀能力强，又避免了电化学腐蚀，增加了导线寿命；⑦其受力相对值较低，因此耐震性能更佳。另外，AAAC无钢芯，因此回收方便。

表1为常见架空铝导线的基本性能指标［4］。综合比较4种类别的绞线，可以归纳为：①钢芯铝合金绞线的抗拉强度最高，而其导电率最低；②强度和电导率是协调平衡的一个问题，强度增加的同时要以电导率的降低为代价；③综合分析，全铝合金绞线是最适宜的选择。

2　全铝合金绞线性能的影响因素

全铝合金绞线采用的大多为Al-Mg-Si系铝合金，该系列铝合金是可热处理型合金，具有比强度高、密度低、导电性能好等优点。铝合金导线的性能主要受合金元素、加工工艺及其热处理工艺等方面的影响。

2.1合金元素

Al-Mg-Si系列铝合金主要由Al、Mg、Si、Fe、V、Mn和Cr等元素组成，其中Fe为基本杂质元素，V、Mn、Cr等为过渡族微量杂质元素。通常，在铝合金中加入其他元素成分来改善铝合金材料在抗拉强度、导电性能等方面的不足。

添加Mg和Si后，Mg和Si在铝中可以形成Mg2Si微粒，其能够钉扎晶界和位错，从而起到强化作用。当铝合金中Mg/Si比为1.73时，将会形成Al-Mg2Si伪二元合金（也称为平衡合金）。当Mg+Si质量分数高于一定值时，将会出现“停放效应”，人工时效后强度降低；低于某一值时，不仅不会出现“停放效应”，人工时效后强度提高。

添加元素Fe后，在铝中会形成Al-Fe-Si阴极相，增强了材料的腐蚀倾向，但Fe的适量添加能够提高其强度，且不会明显降低导电率［3］。吴克义研究发现，Fe/Si比应为1.3～1.5，过高将会导致电阻率大幅度升高。

添加元素Zr后，会在铝中形成Al3Zr第二相，并作为异质核心显著细化晶粒，并对导电率影响较小；Sc同时具有稀土元素和过渡族的特征，能够明显提高再结晶温度；添加Ti后能细化晶粒，提高强度与韧性。方三明等人将Sc、Zr和Ti微合金化加入铝基体中，研究发现微量Sc、Zr和Ti微合金化复合添加比单独添加所产生的效果好，这不仅减少昂贵的Sc的加入量，还大大提高了材料的强度。

添加稀土元素RE后，对于铝合金在保证强度提高的同时，也会提高电导率。稀土元素可与铝基体中固溶的杂质元素形成化合物，并通过时效析出，从而降低固溶元素对铝晶格造成的畸变程度，提高导电率。樊磊等人研究表明稀土La、Ce的加入能使得铝合金中Si由固溶态转变为析出态，从而改善杂质元素的分布规律，以此来减轻Si的不利影响。

添加元素B后，可与的杂质元素反应生成B化物，该B化物以炉渣的形式沉于炉底，通过除渣过程被清除，因此大大降低了杂质元素对材料性能的有害作用。国内目前普遍应用稀土处理来改善导电性，而国外普遍采用B化处理［2］。由于对B的优化机理不明确，使得在高性能Al合金中的应用受到阻碍。

Al-Mg-Si系铝合金作为导线具有很多优异的性能，电力事业的发展需要更高性能的铝合金导线，合理配置铝合金元素的种类及含量将会对铝合金导线的发展产生重要影响。

2.2加工工艺

目前，世界各地大多采用连铸连轧的方式生产铝合金导线。而之前加工铝合金导线采用的是挤压、拉拔成型工艺。但挤压拉拔生产铝合金线材时，所造成的几何废料损失大，金属流动不均匀，工具损失大且成本高。连铸连轧相对于传统加工方式的优势在于：单机产能大，产品品种规格多；设有废料剪，能够避免安全事故的发生；加工精度高，性能可靠；可实现一次绕制密排卷等。

随着时代的发展，对铝合金导线的要求不断提升。连铸连轧生产的产品性能已不是十分理想，需要更好的加工工艺对其进行改进。国外对加工工艺进行大量的研究，又开发出一种新型加工工艺，已从连铸连轧工艺逐渐向连续铸挤工艺过渡。该法在一台设备上即可完成产品成型，是一种短流程、近终成型新技术，其中变形温度易于控制是该法优于其他加工工艺的显著特点之一，且产品长度不受限制，非常适宜于生产铝合金导线。周天国等人使用连续铸挤工艺制备出的6201电工铝合金线材，经测试发现可直接获得典型的细等轴晶。东北大学的温景林课题组对连续铸挤工艺进行了研究，通过优化试验方案，能够同时提高导线的抗拉强度和导电性能。Ji等人采用连续铸挤工艺制备出Al-Mg-Si合金导线，经研究表明该法能够有效细化晶粒，并经过后续固溶处理和时效处理，电导率有了明显提升。目前国内主要采用固态作为原料的连续铸挤工艺生产部分产品，研究利用液态金属作原料的连续铸挤工艺更有发展前景。

2.3热处理工艺

经拉拔获得的铝合金导线需要进行一定的热处理后，其在成型过程中所产生的晶体缺陷才能够逐渐被消除，从而改善结构和性能。很多研究者在不改变成分的情况下，通过改变热处理工艺方式，以此来改善经过连铸连轧后所产生的部分缺陷，并能够提高材料强度和导电性能。

人工时效将使过饱和固溶体析出G.P.区，进而影响材料的性能。陈敬等人改进传统T6热加工工艺，提出一种新型的形变时效工艺，对Al-Mg-Si-Cu合金进行试验，发现多次人工时效的形变时效工艺能够同时提高抗拉强度和电导率，其机理在于形变引入的位错不仅起到强化作用，还通过改变、粗化析出相的形态进而降低对电子的散射，增强导电性能。退火可以改善经过轧制、拉拔等工艺所产生的晶体缺陷，以及消除加工硬化，便于后续加工。余成等人对Al-Mg-Si合金导线在传统和新型轧制拉拔技术进行了微观组织和性能的研究，结果表明合金经过多次中间退火后的轧制拉拔保持了合金晶粒的纤维趋向性，大大改善了合金的力学性能和电导率。时效温度对材料性能也有很大影响。李春和等人对6201铝合金进行不同温度的人工时效，发现随着时效温度从150℃升高到190℃，抗拉强度及显微硬度降低而电导率升高。

热处理方式对最终材料性能将会产生很大的影响，研究者不断开发新型工艺，如多级时效、自然时效加人工时效相结合、改变淬火冷却速度等，将会成为铝合金线材热处理的主要研究方向。

3　结语

对比各类铝绞线的特点，铝合金线的整体性能高于钢芯铝绞线，在科技高速发展的今天，全铝合金绞线得到国内外的广泛重视，也必将得到进一步的研究开发。同时，合金的成分决定性能，加入Fe、Zr、Sc、RE和B等元素，可改善全铝合金绞线的性能。因此，元素成分的复合添加并优化成分配比，将会成为架空导线未来发展的重要方向。此外，由于加工工艺和热处理将直接影响铝合金的性能，因此改进连铸连轧工艺逐渐向连续铸挤工艺过渡和新的热处理工艺也是需要研究的问题。

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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

张瑞峰（1993-），男，本科在读，研究方向，铝合金导线。