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铝合金导体抗张强度的影响因素

发表日期:2020-02-03 23:20:00   编辑:梅国瑞

  摘要

  铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,在电线电缆技术中广泛应用于制造架空输电线用的钢芯铝绞线;铝和铝合金绞线;电线电缆导电线芯、扁线、母线以及电缆的金属屏蔽层,金属套等。铝合金它的密度小,强度也比较高,塑形好;同时它的导电性、耐蚀性、导热性也比较好。铝合金电缆之所以能够取代铜芯电缆,是因为它的导电性能、抗蠕变性能、抗拉强度和延展性能、防腐蚀性能、柔韧性能都要比铜芯电缆好,同时它的价格便宜、重量轻便于敷设。不同的铝合金有着不同的抗张强度。通过本文的论述,读者可以对铝合金导体及其抗张强度有个初步的认识乃至了解!

  关键词

  铝合金导体;抗张强度;拉力实验;

  目 录

  第一章前言 2

  第二章铝及铝合金 3

  2.1 铝的结构特点及基本性能 3

  2.2 铝合金的定义 3

  2.3 铝合金和铜对比的优势 3

  第三章铝合金导体 4

  3.1 电线电缆常见的导体结构类型 4

  3.2 导体用铝 5

  3.3 铝合金导体用在架空线 7

  3.4 影响架空线抗张强度的主要因素 10

  3.5 铝合金电力电缆抗张强度的影响因素 11

  3.6 zl101系列铝合金抗张强度影响因素 12

  3.7 Mg含量对ADC12铝合金抗张强度的影响 15

  第四章铝合金导体抗张强度试验 16

  4.1 拉力实验 16

  结论 19

  参考文献 20

  致谢 21

  第一章前言

  铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,在电线电缆技术中广泛应用于制造架空输电线用的钢芯铝绞线;铝和铝合金绞线;电线电缆导电线芯、扁线、母线以及电缆的金属屏蔽层,金属套等。铝合金电缆产品具有低烟、无卤、阻燃、防鼠、防蚁等特点。对人员无伤害,对环境无影响。铝合金已广泛应用于电线电缆导体中,如铝镁硅铁高强度合金等,品种很多;主要用于架空导线、接触网导线等。可提高导线的强度、导电率、耐振动、耐腐蚀等。加入少量稀土材料的稀土铝合金可提高强度,耐腐蚀,成本低,是我国首先广泛采用铝合金。和铜芯电缆相比,普通铝芯电缆虽然有价格上的优势,但由于铝的抗蠕变性能比较差,随着时间的延长和导体工作温度的变化,会导致导体接头处变的松动,造成电阻增大或者是接触不良,最终会使电缆过热而出现故障。当前市场上AA8000系列铝合金导体能克服普通铝芯的不足,接头处长期牢固。因此,AA8000系列铝合金导体正越来越受到建筑开发商的欢迎。铝合金电缆只要是指的导体材料为AA8000系列铝合金。铝合金电缆在世界上应用的工程越来越多,如何制造出质量稳定,性能优秀的优质铝合金电缆,确保铝合金电缆的长期安全运行,是各大电缆公司的最重要的任务。

  第二章铝及铝合金

  2.1 铝的结构特点及基本性能

  纯铝的原子序号为13、原子量为26.9815,属面心立方晶格,晶格常数为405,原子半径为286,密度为27。

  作为电线电缆导电线芯应采用含铝量99.5%以上的电工用铝,其化学成分应符合GB5585-85中的一号铝和特二号铝的、规定。

  2.2 铝合金的定义

  铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展,对铝合金焊接结构件的需求日益增多,使铝合金的焊接性研究也随之深入。目前铝合金是应用最多的合金。

  2.3 铝合金和铜对比的优势

  第一,铝的成本比铜低,价格便宜。

  第二,铝的导电率是61%,导电率高。

  第三,比铜密度小,轻便。

  第四,铝合金的耐腐蚀性能比铜好。

  第三章铝合金导体

  3.1 电线电缆常见的导体结构类型

  导体的结构包括形状、截面大小、组成、材质等,主要取决于产品的功能与应用要求。必须指出,圆形导体是线缆产品最基本的结构,绝大多数的品种,特别是电力系统用电力电缆大都采用各种圆形导体结构。

  结构类型 品种例 备注

  圆形 圆单线 铜、铝及其合金圆单线

  双金属圆单线(如铝包钢线)

  镀层圆铜线(如镀锡) 单线除了直接作为小截面电线的导体外,大部分作为绞合线芯的半成品用

  圆绞线 铜及其合金圆绞线

  铝及其合金圆绞线

  铜、铝绞线大多供各种产品做导体用,少部分作为裸导线直接做产品用

  钢芯铝绞线或钢芯铝合金绞线

  双金属绞线或组合绞线 架空导线大部分用钢芯铝绞线正在发展铝合金绞线和双金属绞线

  紧压型绞线 紧压型铜或铝绞线 交联电力电缆及架空绝缘电缆用

  中空圆绞线 内层由Z行单绞线构成中空,或绞在螺旋管上 充油电缆用,中空为绝缘油通道

  扇形芯(单根或绞线) 三芯电缆:导体为120°扇形四芯电缆:100°(主线芯)和60°(中心线)扇形 粘性油和不滴流油纸电缆中采用。小截面的塑料绝缘3~4芯电力电缆也可采用单根实芯扇形铝芯线

  扁平形 中、小截面铜、铝扁线 漆包线、绕包线用

  大截面铜、铝排 母线(汇流排)用

  细小截面压扁铜皮线 特别柔软的电线用,铜皮线缆在中心纤维绳上构成导线,如电话耳机线

  同轴电缆外导体和波导管 铜带纵包成管状构成

  铜丝编织在绝缘表面 同轴电缆的线对,内导体在中心,外导体在绝缘外表面

  铜波导管 电台、电视台大功率、高频发射用射频电缆

  异型 双沟型铜接触线,葫芦型钢铝接触线 电气化铁道、城市工矿和电车、地铁用

  非金属导体 光导纤维 传输光波用

  导电石墨浸涂纱芯导线

  导电塑料导线 汽车点火线、音响耳机线等用

  3.2 导体用铝

  铝是金属中另一个能符合导线用材料的品种。其导电率仅次于铜;导热性好;塑形好便于冷加工;在大气中的耐腐蚀好(表面生成的氧化铝膜,强度高,可防止内层继续氧化),有足够的机械强度(但为铜的1/3左右)。但由于铝的资源丰富、密度小(为铜的30%),因此被线缆产品大量采用。

  在导体电阻相同情况下,铝线的截面比铜线大1.68倍,但重量只有铜的54%。因此,特别适用于裸导线(架空线等),也适用于低压电线和电力电缆等品种。

  导电用铝的主要性能与工艺参数表

  名称 单位 数值

  熔点(20℃) ℃ 658

  密度(20℃) g/cm³ 2.7

  比热 Cal/g. ℃ 0.22

  熔解热 Cal/g 93

  导热系数(20℃) Cal/cm.s. ℃ 0.52

  线胀系数(20~100℃) 10 -6/℃ 23

  电阻率(20℃) 10 -2. Ω. mm² 2.83

  电阻温度系数(20℃) 1/℃ 0.00403

  抗拉强度(软态) kgf/ 7~9.5

  (半硬态) 9.5~14

  (硬态) 15~18

  延伸率 (软态) % 20~40

  (硬态) ℃ ≥0.5

  热轧温度 ℃ 440~490

  热挤温度 ℃ 400~480

  退火温度(达到软态) ℃ 300~350

  (达到半硬态) ℃ 240~260

  再结晶温度 ℃ 150~250

  导线用铝要求选用含铝量99.5%及以上的品种,即国家便准中的一号或特二号铝;在制造铝软线或电磁线的导体时应用特一号铝。

  导线用铝的品种表

  品种 代号 含铝量(不小于) 杂质含量%(不大于)

  铜 铁 铝 铁+硅 总和

  一号铝 L-1 99.5 0.015 0.30 0.22 0.45 0.50

  特二号铝 L-0 99.6 0.010 0.25 0.18 0.36 0.40

  特一号铝 L-00 99.7 0.010 0.14 0.13 0.26 0.30

  注:铝中含有十几种杂质,标准中各有规定,但以铜、铁、硅影响最大

  铝中含有的主要杂质是铁和硅,其含量及其相对比例(铁硅比)对铝的导电率和机械性能、工艺性影响最大。我国在八十年代初在熔铝工艺进行了研究并制订了电工用铝标准(即特二、特一号铝),技术性能达到国际先进水平。目前99.5%铝的导电率为61%IACS(注),特二号铝可达62-63% IACS,纯度99.996%的铝可达65% IACS。

  注:IACS是导电率的一个国际比较单位,国际电工委员会(IEC)规定,以纯铜在20℃时的标准导电率0.017241. Ω. mm²/m的倒数作为100%的导电率。习惯上,铝与铜对比时,也以% IACS表示。

  3.3 铝合金导体用在架空线

  架空导线大致可以分为两类:钢芯铝绞线和绝缘架空线。

  (一)钢芯铝绞线

  钢芯铝绞线大多用于干线电力输送,造价较低,假设成本比较低,产品本身无绝缘,依靠空气绝缘,所以架设时应和周围物体保持距离,它有很多的型号,可以根据用户不同的需求来选择型号。

  钢芯铝绞线结构图:

  钢芯铝绞线种类:JL/G1A、JL/G1B、JL/G2A、JL/G2B、JL/G3A钢芯铝绞线,JLHA1/G1A、JLHA1/G1B、 JLHA1/G3A 、JLHA2/G1A 、JLHA2/G1B、JLHA2/G3A钢芯铝合金绞线,殷钢芯耐热铝合金绞线,碳纤维高导电率铝合金绞线等等

  钢芯铝绞线型号含义:JL/G1A-630/45-45/7代表:普通强度钢芯;630 mm²铝导体面积和45 mm²钢芯截面积;45根铝单线和7根钢线。

  把钢芯铝绞线外面的铝导体换成铝合金之后,就是钢芯铝合金绞线。此处我们以耐热铝合金绞线为例。

  耐热铝合金导线是用耐热铝合金圆线和镀锌钢线绞合而成的导线。随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,对电力的需求急剧增长,输电线路日益向大容量方向发展,这就要求增大导线的输电容量。耐热铝合金作为一种性能良好的特种导线,在我国城网增容改造、变电站建设以及一般线路上具有良好优势。

  二、特性(与普通钢芯铝绞线相比)

  1、长期工作温度150℃,短时温度可达180℃,从而连续容许载流量为同规格普通导线的1.5~1.6倍。

  2、常温下,与普通铝线有着相同的强度,高温运行机械强度保持率能保持在90%以上。

  3、无论在常温还是在高温,与普通铝线相比均保持有相同程度的蠕变特性。

  4、经实验室盐雾试验和室外大气暴露试验,两种无大的差别。

  三、使用场合

  1、特别适合作变电站、发电厂等大电流输送用母线,可节约工程投资。

  2、在城网线路扩容改造工程中,尤其在线路走廊狭窄地区,只需更换相近截面规格的导线,基本上不需要更换铁塔,即能满足强度和导线对地驰度的要求。

  3、在双回路线路中,还可短时承载另一回路的载流量,便于一个回路发生事故时的抢修和维护。

  4、在新线路上,采用耐热铝合金导线使线路结构简化,金具及零部件数量减少,对线路的安全运行有很大好处。

  四、型号

  耐热铝合金导线的型号为 NRLH58J。

  五、规格

  耐热铝合金导线的规格用耐热铝合金线的截面积和钢芯的截面积表示。面积单位为mm2。耐热铝合金导线可生产规格35~800 mm2,钢芯耐热铝合金导线可生产规格95~1440 mm2。

  三、执行标准

  1、耐热铝合金导线用耐热铝合金圆线执行Q/ZL3-2008标准。

  2、耐热铝合金导线用镀锌钢丝执行GB/T 3428-2002标准(等同采用IEC 60888:1987标准)。

  3、耐热铝合金导线产品执行Q/ZL 4-2008标准。

  3.4 影响架空线抗张强度的主要因素

  一、从强度出发,调整每根单线的均匀性。

  每根单线根据其强度的大小,对应力的承载程度也是不同的。就如同拉力传感器有最佳的拉伸量程一样,超过其量程后不仅会损坏设备,还会造成数据的偏差。铝单线也是一样,不同强度的铝单线对应力的承载程度也是不同的。当这些强度偏差较大的单线绞合在一起时,应力是均匀的分配到每根单线上的,强度小的单线就会因承载程度不够提前断裂,而强度大的单线就发挥不出其作用。因此强度极差是检验机械械性能利用率的重要参数。

  二、从伸长率和节径比出发调整伸长率和节径比的大小。

  钢线的伸长率对整体拉伸性能的影响也是很大的。大量实验证明,铝包钢芯铝绞线的整体拉断力很容易出现不合格现象。究其主要原因是因为铝包钢的伸长率太小。铝线机械性能的利用率太低。当铝线在绞合时,节距越小,其延展性能越好。对钢线的伸长率要求越高。而铝包钢线的伸长率在1.0左右,铝线也是1.0左右,加上绞合节距的伸缩量,钢线的伸长率远远不够。因此,针对铝包钢线的导线设计可以适当的增大其节径比,减小铝包钢线和铝线伸长量上的差距,更多的发挥铝线的机械性能。总之,铝线伸长量+因节距伸长量=钢线伸长量。

  三、 从排列结构出发单线伸长率较大的排列在最外层。

  试验证明,单线断裂大都是在最外层断裂。最外层的伸长率也是影响整体拉断力的关键因素。当单线强度一定时,伸长率越高,可以使强度高的单线机械性能最大程度的发挥作用。

  3.5 铝合金电力电缆抗张强度的影响因素

  铝合金电力电缆所具备的良好的机械性能和电性能,使得它可以广泛应用于国民经济的各个领域,如普通民灾、高层建筑、电梯、大小型超市商场、地铁、机场、车站、医院、银行、写字楼、宾馆酒店、邮政电信大楼、展览馆、图书馆、博物馆、古代建筑、学校、电力大楼、公共娱乐场所、隧道、地下建筑、仓库等,还可以用于冶金、钢铁、焦炭、煤矿、电厂、输变电站、造船、石油、化工、医药、核电站、航空航天、军事、造纸等行业,以及家电、汽车、公共交通设施等等。

  铝合金电力电缆具有以下几个优点:抗蠕变性能好、抗拉强度好和延伸率高、连接性能好、自重承载力强、防腐蚀性能、柔韧性好、铠装特性等等。

  此处我们以稀土高铁铝合金电力电缆为例,那么影响它的抗张强度的主要因素有:

  1.合金成分的添加

  铁:增强抗蠕变性能,增加了强度

  铜:提高了可焊性,降低接触电阻

  镁:提高导体强度和柔韧性

  稀土元素:净化、提高纯度、填补表层缺陷、细化晶粒、减少偏析、消除显微不均而导致的局部腐蚀的作用,从而大大提高了耐蚀性能。

  2.退火工艺

  铝合金退火处理后的延伸率能达到30%,而铜缆的延伸率为25%,所以退火能提高它的抗张强度。

  3.6 zl101系列铝合金抗张强度影响因素

  z是铸造的简称,l是铝合金的简称,第一个1是铸造铝合金的1系合金,后面两位数字是添加的元素含量。

  1. Zl101铝合金

  材料名称:ZAlSi7Mg 合金代号:Zl101 标准:GB/T1173-1995

  特性及使用范围:可热处理强化,具有自然时效能力,强度较高,塑形较好。该合金的铸造性能优良,流动性好、线收缩小、热裂倾向低、气密性高,但稍有产生气孔和缩孔倾向。合金的耐蚀性高,焊接性好,切削加工性一般。 抗拉强度σb(MPa):≥220 屈服强度σb(MPa):≥180

  伸长率σ5(%):≥2 硬度(HB):65-95

  2. Zl102铝合金

  材料名称:ZAlSi12 合金代号:Zl102 标准:GB/T1173-1995

  特性及使用范围:不可热处理强化,该合金的铸造性能优良,无热裂及疏松倾向,气密性较高。它的密度小,耐蚀性好,可在受大气或海水的环境中使用,可承受工业气氛的环境中浓硝酸.过氧化氢等的腐蚀作用;焊接性能也好。但该合金的力学性能低,耐热性和切削加工性差。

  抗拉强度σb(MPa):≥145 屈服强度σb(MPa):≥180

  伸长率σ5(%):≥4 硬度(HB):≥50(5/250/30)

  3.Zl104铝合金

  材料名称:ZAlSi9Mg 合金代号:Zl104 标准:GB/T1173-1995

  特性及使用范围:可热处理强化,其强度高于Zl101. Zl102等合金。该合金的铸造性能优良,无热裂倾向,气密性高,线收缩小;但形成针孔的倾向较大熔炼工艺较复杂。合金的耐蚀性好,切削加工性和焊接性一般。

  抗拉强度σb(MPa):≥195 伸长率σ5(%):≥1.5

  硬度(HB):≥65(5/250/30)

  4. Zl105铝合金

  材料名称:ZAlSi5Cu1Mg 合金代号:Zl105 标准:GB/T1173-1995

  特性及使用范围:经热处理强化后具有较高强度,其高温力学性能优于Zl101. Zl104等铸造合金。由于合金中铜元素的存在,使塑性和耐蚀性降低。该合金具有良好的铸造性能和较高的气密性,切削加工性和焊接性均良好,其耐蚀性一般。

  抗拉强度σb(MPa):≥225 伸长率σ5(%):≥0.5

  硬度(HB):≥70(5/250/30)HBS

  总结:通过对比上面的4个表,可以看出添加不同的元素可以改变铝合金的抗张强度。

  3.7 Mg含量对ADC12铝合金抗张强度的影响

  该图为金属型浇铸的ADC12铝合金抗拉强度随Mg添加量的变化曲线。从图中可以发现,未经热处理的合金抗拉强度随Mg含量的增加而逐渐升高,在Mg含量达到1.0%时,抗拉强度达到最大值274.60MPa,较未添加Mg的合金提高了9.2%;Mg含量继续增加时其强度下降。经过热处理的合金抗拉强度也是随着Mg含量的增加而增大,同样在Mg含量为1.0%时达到最大值355.41MPa,比未添加Mg元素、经过热处理的合金提高了14.7%;随后Mg含量继续增加时,其抗拉强度下降。

  第四章铝合金导体抗张强度试验

  4.1 拉力实验

  拉力试验的目的:测量试件的破断力和破断后的伸长率。

  实验设备:

  常用的拉力试验机(示值误差不大于1%)有机械的、液压的、微机控制的,仲裁试验用的应该是示值误差不大于5%的微机控制万能试验机。

  试样制备:

  实芯导体取样:从外检查合格的样品一端截取试件3根,试件长度为原始标距长度加两倍钳口夹持长度。取样时,应尽可能避免试件受到拉伸、扭转、弯曲或其他机械损伤。

  矫直试件:小心的用手工校直,必要时允许将试件放在木垫上用木槌轻轻敲直,当则测定抗拉强度时,试件可不必矫直。

  标出标距长度:在平直的试件中部标出原始标距长度200mm(或250mm)。标志方法应不致使试件产生早期断裂,标志线应细而清晰。标距长度误差:硬线试件为0.3mm,软线试件为。

  宽边较大的非圆截面导体,也可以机加工成较小宽边的试件。

  绞合导体取样:从外观检查合格的样品中截取试件3根,其长度应保证两钳口间试件的有效长度符合下列规定:

  标称截面为240 mm2及以下铜、铝导体不小于1m;

  标称截面为50 mm2(带钢芯)及以下者不小于1m;

  标称截面为240 mm2以上铜、铝导体不小于13m;

  标称截面为50 mm2(带钢芯)以上者不小于13m。

  试件加工:在剥去导体外的绝缘体应避免损伤导体,解开试件两端的股线,分开并弯成圆钩形,清洗后,用低熔合金或特殊的树脂浇灌锥体端头。也可用压接法或夹具法制作。

  由于电线电缆行业产品线芯大多数为圆形等截面导体,为了不使试样断口处在夹持部分,应尽量减少对试样的损伤,铜导体试样经清洗容易与铅合金结合,而铝合金不会与铅合金结合,因此,浇注后的铝导体试样进行拉力实验时,是容易断在钳口处的。有些钢丝铠装的电缆,试样应清洗,并套上压接管压接后,浇铸铅合金。

  实验步骤:

  将试件夹持在试验机的钳口内,标志线应露出在钳口处。夹紧后试件的位置应保证试件的纵轴与拉伸的中心线重合。

  选定拉伸速度:

  软态铜试件:不大于300mm/min;

  铝、铝合金及硬态铜试件:不大于100mm/min。

  启动试验机,加载必须平稳,速度均匀,无冲击。当试件被拉伸断裂后,读数并记录最大负荷,取三位有效数。取下试件将断口小心对齐,挤紧,测量并记录最终标距长度。

  检验结果及计算:

  抗拉强度按下式计算,精确到1N/ mm2

  σb=(N/ mm2)

  式中:–最大负荷,N:

  S-试件实测截面积,mm2

  伸长率按下式计算:

  δ=×100%

  式中:Lu-试样断裂时的伸长,单位:mm;

  Lo-试样原始的伸长,单位:mm;

  计算时,伸长率小于5%者,精确到0.1%;大于和等于5%者,精确到1%。实验结果取3个试件计算数据的算术平均值。

  结论

  通过试验我们最终得出结论,铝合金导体抗张强度的影响因素有:

  1.合金成分

  纯铝(99.97%)在拉伸时的抗张强度为150MN/,铝中含有杂质将使抗张强度增大。铁和硅都能使铝的抗张强度增大,塑形降低。

  2.冷变形

  对铝进行加工硬化可极大地铝的抗张强度,当冷变形度为90%时,抗张强度可提高到180MN/,甚至更大。控制冷变形度或退火工艺可以制成硬、半硬和软具有不同机械性能的铝线。

  3.温度

  冷变形的铝线经退火,退后温度过高会引起晶粒粗大,塑形变坏。

  铝在低温时,抗张强度、疲劳强度、硬度和弹性模量增高;延伸率和冲击值增高;无低温脆性。适合做低温导体。

  由于铝的蠕变极限和抗张强度与温度有关,铝的长期使用温度不宜超过90℃,短时使用工作温度不宜超过120℃。

  参考文献

  [1] 刘洋,张幼振.“抗张强度”名词规范性与测试方法探讨[J].煤矿开采.2010.06.15

  [2] 杨联萍,韦申,张其林.铝合金空间网格结构研究现状及关键问题[J].建筑结构学报.2013.02.05

  [3] 张新明,邓运来,张勇.高强铝合金的发展及其材料的制备加工技术[J].金属学报.2015.03.11

  [4] 陈文平.高性能稀土铝合金导体材料研究[J].合肥工业大学.2013.04.01

  [5] 凌志新,范云鹭.铝合金导体的推广应用与环保节能[J].建筑电气.2012.08.25

  [6] 黄旭.浅述铝合金电缆的选用[J].石油化工设计.2014.02.25

  [7] 吴振江.铝合金导体性能评价方法[J].合肥工业大学.2015.04.01

  [8] 淤国良.铝合金电缆导体制造技术与质量控制研究进展[J].有色金属材料与工程.2016.04.15

  [9] 王国忠.铝合金电缆的导体设计和制造[J].电线电缆.2015.08.25

  [10] 申景阳.铝合金电缆安装工艺研究[J].建筑电气.2015.11.25

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