架空導線殷鋼加工工藝與檢測方法范文

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摘要：殷鋼導線作為一種新型的增容導線已在電網中得到應用，但現有國家和電力行業標準中針對架空導線用殷鋼芯線的性能檢測實驗方法尚不明確，質量管控的依據還不完善。闡述了殷鋼芯線的制備工藝，并對市售殷鋼芯線進行了取樣實驗分析。結果表明，架空導線用殷鋼芯線的成分與冶金標準存在差異，金相組織中也存在晶界碳化物聚集的問題。由此提出了架空導線用殷鋼芯線質量檢測的方法和檢測項目要求。

關鍵詞：架空導線；殷鋼；加工工藝；檢測方法

架空輸電線路是電能長距離、大容量輸送的主要通道。架空輸電線路一般由導線、地線、金具、絕緣子、桿塔和防雷接地等部分組成，這其中架空導線是輸電線路的關鍵設備，是電能傳輸的通路。長期以來，架空導線主要使用鋼芯鋁絞線，伴隨著電網的快速發展，對電網可靠性和經濟性的要求逐步提高，各種通流容量大、高溫弧垂特性好的新型導線逐漸在電網中得到應用[1]。與傳統的鋼芯鋁絞線最大的不同是，新型導線的芯線材料由傳統的碳素鋼或低合金鋼轉變為殷鋼、纖維增強復合材料（如碳纖維復合材料、鋁基陶瓷纖維復合材料）等新型材料[2-4]。這類材料具有強度高、耐腐蝕和熱膨脹系數小的特性。纖維增強復合材料芯導線，顧名思義，是采用樹脂固化的單根圓棒狀纖維復合材料作為芯線，外部絞合多層鋁線制成[5]。由于纖維增強復合材料壓接、彎折后易出現開裂等問題，這類導線的配套金具和安裝方式與傳統的鋼芯鋁絞線差別較大。殷鋼導線是采用殷鋼作為線芯材料，由于殷鋼本質上也是一種鋼鐵材料，其線芯制備和絞制成型工藝與傳統的鋼芯鋁絞線幾乎一致，所用配套金具和安裝方式也基本相同，線路增容改造施工相比纖維增強復合材料芯導線更方便，因此得到了較廣泛的現場應用[6-10]。

1殷鋼技術特性

1897年，瑞士物理學家發現了一種奇妙的合金，在室溫附近的一個很寬的溫度范圍內，合金的熱膨脹系數幾乎等于零。這種合金的元素成分組成是65%Fe和35%Ni，晶體結構呈面心立方結構[11]。由于其熱膨脹系數幾乎為零，因此被命名為因瓦合金（Invaralloy），意為不脹鋼，中文名稱為殷鋼。殷鋼最顯著的特性是其非常低的室溫熱膨脹系數，僅為3.7×10-6℃-1，是普通鋼的1/3、鋁的1/5。常規的鋼芯鋁絞線在傳輸大電流時由于溫度升高而伸長，造成導線弧垂增大，影響線路安全運行。相比較而言，殷鋼材料的膨脹系數是普通鋼絲的1/3，強度卻能與普通鋼絲相當，可緩解導線熱伸長，減小導線弧垂，通過提高運行溫度可實現增加輸送容量的目的。圖1為不同檔距（L）下的SB-ZTACIRAS149/43SQ型殷鋼導線的弧垂溫度變化曲線[12]。可看出，殷鋼導線存在明顯的弧垂變化溫度拐點，導線運行溫度超過拐點后，弧垂變化很小。除了低熱膨脹性能外，耐腐蝕性能也是殷鋼的一個特性。殷鋼中含有36%以上的Ni元素，其室溫金相組織為單相奧氏體，因此在大氣、海水中具有較好的耐腐蝕性。用殷鋼做架空導線的線芯時，采用鋁包覆工藝，殷鋼芯線的抗腐蝕能力大為提高，適用于各種工況環境。

2架空導線用鋁包殷鋼芯線的成分控制、強化機理和制備工藝

2.1成分控制

普通殷鋼的化學成分主要為Fe64Ni36，不添加其他合金元素成分。但是該成分配比的殷鋼強度較低，通過冷加工后的強度也低于900MPa，遠低于架空導線用鋼芯線的強度要求，需要在成分組成中添加碳元素作為強化元素。按照金屬材料強化理論，在奧氏體的Fe-Ni合金中，在鎳原子周圍的鐵原子和碳原子形成類似滲碳體Fe3C的配位原子組態，使合金的硬度增大，在塑性變形過程中能更有效地產生加工硬化。雖然游離的碳原子可改變合金的晶格常數，但對膨脹系數帶來不利影響，在合金中加入微量的鈮（含量小于0.3%）形成富鈮顆粒，可固定游離的碳原子，從而降低合金的膨脹系數[13-14]。這種顆粒彌散分布在晶界與晶內，也有利于合金強度的提高。通過添加上述合金成分，就能在后續的生產加工過程中形成碳化物和析出相，為合金的強化奠定基礎。

2.2強化機理

強度是架空導線用線芯材料的關鍵技術指標之一，目前，提高合金的強度主要有固溶強化、沉淀強化、細晶強化和形變強化等技術措施，殷鋼芯線的制備過程中主要采用沉淀強化、形變強化來提高線芯的強度。（1）沉淀強化是指金屬在過飽和固溶體中溶質原子偏聚區和（或）脫溶出微粒彌散分布于基體中而導致硬化的一種熱處理工藝。沉淀強化中所形成的碳化物具有硬脆特性，析出沉淀的碳化物成為第二相強化質點，能阻礙位錯運動而起到強化作用。（2）形變強化是通過冷加工達到強化目的。在一定壓縮率范圍內，冷加工使得合金的內部組織改變，造成了晶粒中位錯密度的增加，位錯移動更加困難，因而合金形變遇到的抗力也就隨之而增大，合金的強度也隨之提高。

2.3制備工藝

架空導線用殷鋼芯線的生產工藝通常是采用真空感應爐或非真空感應爐冶煉殷鋼，經熱加工后進行輕度冷變形和酸洗，再冷加工拉拔成絲材。

2.3.1加熱制度殷鋼的塑性與溫度關系曲線呈波浪形。在800℃左右時，熱加工性能最差，因此，殷鋼在800℃附近的升溫速度應緩慢，以使其均勻加熱，升溫速度控制在15℃/min。在800～1100℃時，隨著溫度的提高，塑性急劇上升，升溫速度應控制在30℃/min。在超過1150℃之后，塑性指標的增加已不太明顯，為了減少高溫氧化，保溫溫度應為1150℃左右，不宜太高。由于合金的導熱系數低，應采用較長的加熱時間，鋼錠的加熱時間為2.0～2.5h，保證鋼錠的內外溫度一致性[15]。

2.3.2變形制度變形是形變強化的關鍵工藝，變形加工過程中的延伸系數分配需遵循先大后小的原則。在粗軋道次中，由于溫度高，所以伸長率好，變形量大，延伸系數大；中軋道次仍處于高溫階段，塑性好，變形抗力小，延伸系數應稍大于平均延伸系數；精軋道次的延伸系數應小于平均延伸系數，呈逐步遞減的趨勢。

2.3.3拉拔工藝從殷鋼盤條到成品絲的變形過程，總壓縮率超過了85%，中間還需要進行包鋁，而包鋁對鋼絲表面的光潔度要求高，不能直接在盤條上包鋁，需借助拔絲工藝將盤條拉拔出鋼絲將表面光潔度提高后再包鋁，然后再拉拔成品。因此，需要分配2次變形，將盤條粗拔至半成品后進行時效處理，并不會降低鋼絲的強度，而使斷后伸長率提高到8%以上，以改善后續拉拔條件。殷鋼芯線在拉拔前要進行固溶處理，隨著固溶溫度的升高，合金的晶粒會逐漸長大，強度也隨著退火溫度的升高而下降。在840℃固溶處理時，合金的顯微組織晶粒分布比較均勻，有利于下一步的冷加工。

2.3.4時效處理冷拔變形后，在殷鋼基體上的位錯密度會顯著提高。時效主要起到以下兩個作用：碳化物析出后，能提高后續冷加工過程的硬化率；提高了材料的塑性，有利于進一步拉拔。

2.3.5鋁包殷鋼芯線的拉拔鋁包殷鋼芯線屬于雙金屬復合材料，外部為包覆鋁層，芯部為高強度殷鋼線，外層與芯部的2種金屬強度的差別達到了5倍以上。為保證較軟的鋁層和較硬的殷鋼芯能同時等比例拉伸，必須要有同步變形的工藝，采用組合壓力模具及專用的拉絲粉進行拉拔，可達到既阻止鋁層拉拔時往后移動，又保證拉拔時鋁包鋼線坯整體同步向前延伸，最終實現鋁/鋼同步拉拔的目的。

3殷鋼芯線檢測方法

對于拉制成型的架空導線用殷鋼芯線，目前尚無專門的國家及行業標準。參照GB/T3428-2012《架空絞線用鍍鋅鋼線》對于碳素鋼芯線的檢測技術和方法，殷鋼芯線的檢測項目也應至少包括外觀、尺寸偏差、化學成分、力學性能（包括拉伸強度、斷后伸長率、卷繞和扭轉性能）、金相組織等。其中，外觀和尺寸偏差的檢測方法可依據GB/T14985-2007《膨脹合金尺寸、外形、表面質量、實驗方法和檢驗規則的一般規定》進行檢測和驗收，其它檢測實驗方法如下。

3.1成分檢測

經調研，目前架空導線用殷鋼芯線的材料牌號多為YB/T5241-2005《低膨脹鐵鎳、鐵鎳鈷合金》標準中的4J36。由于線芯直徑較小，無法采用直讀光譜儀進行元素成分分析，只能采用化學方法進行檢測。表1為對市面上6種不同廠家、不同規格的殷鋼芯線采用化學方法對成分分析的結果。可見，樣品的碳元素含量普遍超過4J36對應的標準要求值，說明殷鋼導線線芯為了提高強度，增加了碳元素的含量。3.2殷鋼芯線力學性能檢測殷鋼芯線的抗拉強度、斷后伸長率可通過拉伸實驗測量，實驗方法可參照GB/T3428-2012。與常規碳素鋼鋼芯線不同的是，殷鋼芯線的斷后伸長率要遠小于常規鋼芯，斷后伸長率只有1%～2%，因此不測量1%伸長時的應力。表2為三種規格的殷鋼芯線拉伸實驗結果。可見其強度與G1級的鋼芯線相當。

3.3殷鋼芯線卷繞、扭轉實驗

卷繞實驗和扭轉實驗是評判鋼芯線韌性的有效方法。殷鋼芯線的卷繞實驗和扭轉實驗方法也可參照GB/T3428-2012進行；但考慮到殷鋼芯線塑性低于普通鋼絞線，為從嚴檢驗其韌性指標，實驗速率可取標準的上限要求，即卷繞實驗的速率取15r/min，卷繞芯軸直徑選擇為近似1倍鋼線芯直徑，扭轉實驗的速率可取60r/min。

3.4殷鋼芯線金相組織檢測

殷鋼芯線的金相組織為奧氏體，晶內有少量彌散分布的碳化物，如圖2所示。碳素結構鋼的芯線金相組織一般為細珠光體+少量鐵素體，如圖3所示。值得注意的是，有的產品為了提高強度，而在成分中添加了較多的碳化物形成元素，致使碳化物析出后在晶界聚集，見圖4。在晶界聚集的碳化物會降低晶界強度，影響了材料的韌性和持久強度，因此對殷鋼芯線進行金相分析是非常重要的檢測手段。

4結語

（1）殷鋼導線作為一種新型的增容導線已在電網中得到應用，但由于目前尚無針對架空導線用殷鋼芯線的國家和行業標準，使得殷鋼芯線的質量管理和規范存在一定程度的技術空白，亟需制定相應的標準予以規范。（2）架空導線用殷鋼芯線的生產工藝常是采用真空感應爐或非真空感應爐冶煉殷鋼，經熱加工后進行輕度冷變形和酸洗，再經冷加工拉拔成絲材。強化機理主要為沉淀強化和形變強化，關鍵的加工工藝包括加熱制度、變形制度、拉拔工藝、時效處理，對于有防腐要求的線芯還需要覆鋁處理后再進行拉拔。（3）由于殷鋼芯線與傳統的碳素鋼芯線在材料特性上存在較大的不同，用作架空導線線芯的殷鋼芯線在超過溫度拐點（遷移點）后承受全部的導線張力，因此其質量檢驗應予以重視。殷鋼芯線的外觀成型質量、尺寸偏差、化學成分、力學性能（包括拉伸強度、斷后伸長率、卷繞和扭轉性能）、金相組織應確定為判定殷鋼芯線質量的必檢性能指標項目。

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作者：李鴻澤 劉建軍 李成鋼 祝志祥 張強 單位：國網江蘇省電力有限公司