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摘要：殷鋼導(dǎo)線作為一種新型的增容導(dǎo)線已在電網(wǎng)中得到應(yīng)用，但現(xiàn)有國(guó)家和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)架空導(dǎo)線用殷鋼芯線的性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方法尚不明確，質(zhì)量管控的依據(jù)還不完善。闡述了殷鋼芯線的制備工藝，并對(duì)市售殷鋼芯線進(jìn)行了取樣實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，架空導(dǎo)線用殷鋼芯線的成分與冶金標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)線用殷鋼芯線質(zhì)量檢測(cè)的方法和檢測(cè)項(xiàng)目要求。

關(guān)鍵詞：架空導(dǎo)線；殷鋼；加工工藝；檢測(cè)方法

架空輸電線路是電能長(zhǎng)距離、大容量輸送的主要通道。架空輸電線路一般由導(dǎo)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(dǎo)線是輸電線路的關(guān)鍵設(shè)備，是電能傳輸?shù)耐贰ｉL(zhǎng)期以來，架空導(dǎo)線主要使用鋼芯鋁絞線，伴隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)可靠性和經(jīng)濟(jì)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(dǎo)線逐漸在電網(wǎng)中得到應(yīng)用[1]。與傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線最大的不同是，新型導(dǎo)線的芯線材料由傳統(tǒng)的碳素鋼或低合金鋼轉(zhuǎn)變?yōu)橐箐摗⒗w維增強(qiáng)復(fù)合材料（如碳纖維復(fù)合材料、鋁基陶瓷纖維復(fù)合材料）等新型材料[2-4]。這類材料具有強(qiáng)度高、耐腐蝕和熱膨脹系數(shù)小的特性。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯導(dǎo)線，顧名思義，是采用樹脂固化的單根圓棒狀纖維復(fù)合材料作為芯線，外部絞合多層鋁線制成[5]。由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓接、彎折后易出現(xiàn)開裂等問題，這類導(dǎo)線的配套金具和安裝方式與傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線差別較大。殷鋼導(dǎo)線是采用殷鋼作為線芯材料，由于殷鋼本質(zhì)上也是一種鋼鐵材料，其線芯制備和絞制成型工藝與傳統(tǒng)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(qiáng)復(fù)合材料芯導(dǎo)線更方便，因此得到了較廣泛的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[6-10]。

1殷鋼技術(shù)特性

1897年，瑞士物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種奇妙的合金，在室溫附近的一個(gè)很寬的溫度范圍內(nèi)，合金的熱膨脹系數(shù)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(jié)構(gòu)呈面心立方結(jié)構(gòu)[11]。由于其熱膨脹系數(shù)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?zé)崤蛎浵禂?shù)，僅為3.7×10-6℃-1，是普通鋼的1/3、鋁的1/5。常規(guī)的鋼芯鋁絞線在傳輸大電流時(shí)由于溫度升高而伸長(zhǎng)，造成導(dǎo)線弧垂增大，影響線路安全運(yùn)行。相比較而言，殷鋼材料的膨脹系數(shù)是普通鋼絲的1/3，強(qiáng)度卻能與普通鋼絲相當(dāng)，可緩解導(dǎo)線熱伸長(zhǎng)，減小導(dǎo)線弧垂，通過提高運(yùn)行溫度可實(shí)現(xiàn)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(dǎo)線的弧垂溫度變化曲線[12]。可看出，殷鋼導(dǎo)線存在明顯的弧垂變化溫度拐點(diǎn)，導(dǎo)線運(yùn)行溫度超過拐點(diǎn)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(gè)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(dǎo)線的線芯時(shí)，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(huán)境。

2架空導(dǎo)線用鋁包殷鋼芯線的成分控制、強(qiáng)化機(jī)理和制備工藝

2.1成分控制

普通殷鋼的化學(xué)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(qiáng)度較低，通過冷加工后的強(qiáng)度也低于900MPa，遠(yuǎn)低于架空導(dǎo)線用鋼芯線的強(qiáng)度要求，需要在成分組成中添加碳元素作為強(qiáng)化元素。按照金屬材料強(qiáng)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(tài)，使合金的硬度增大，在塑性變形過程中能更有效地產(chǎn)生加工硬化。雖然游離的碳原子可改變合金的晶格常數(shù)，但對(duì)膨脹系數(shù)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(shù)[13-14]。這種顆粒彌散分布在晶界與晶內(nèi)，也有利于合金強(qiáng)度的提高。通過添加上述合金成分，就能在后續(xù)的生產(chǎn)加工過程中形成碳化物和析出相，為合金的強(qiáng)化奠定基礎(chǔ)。

2.2強(qiáng)化機(jī)理

強(qiáng)度是架空導(dǎo)線用線芯材料的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，目前，提高合金的強(qiáng)度主要有固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化等技術(shù)措施，殷鋼芯線的制備過程中主要采用沉淀強(qiáng)化、形變強(qiáng)化來提高線芯的強(qiáng)度。（1）沉淀強(qiáng)化是指金屬在過飽和固溶體中溶質(zhì)原子偏聚區(qū)和（或）脫溶出微粒彌散分布于基體中而導(dǎo)致硬化的一種熱處理工藝。沉淀強(qiáng)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(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)，能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而起到強(qiáng)化作用。（2）形變強(qiáng)化是通過冷加工達(dá)到強(qiáng)化目的。在一定壓縮率范圍內(nèi)，冷加工使得合金的內(nèi)部組織改變，造成了晶粒中位錯(cuò)密度的增加，位錯(cuò)移動(dòng)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(qiáng)度也隨之提高。

2.3制備工藝

架空導(dǎo)線用殷鋼芯線的生產(chǎn)工藝通常是采用真空感應(yīng)爐或非真空感應(yīng)爐冶煉殷鋼，經(jīng)熱加工后進(jìn)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(guān)系曲線呈波浪形。在800℃左右時(shí)，熱加工性能最差，因此，殷鋼在800℃附近的升溫速度應(yīng)緩慢，以使其均勻加熱，升溫速度控制在15℃/min。在800～1100℃時(shí)，隨著溫度的提高，塑性急劇上升，升溫速度應(yīng)控制在30℃/min。在超過1150℃之后，塑性指標(biāo)的增加已不太明顯，為了減少高溫氧化，保溫溫度應(yīng)為1150℃左右，不宜太高。由于合金的導(dǎo)熱系數(shù)低，應(yīng)采用較長(zhǎng)的加熱時(shí)間，鋼錠的加熱時(shí)間為2.0～2.5h，保證鋼錠的內(nèi)外溫度一致性[15]。

2.3.2變形制度變形是形變強(qiáng)化的關(guān)鍵工藝，變形加工過程中的延伸系數(shù)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(zhǎng)率好，變形量大，延伸系數(shù)大；中軋道次仍處于高溫階段，塑性好，變形抗力小，延伸系數(shù)應(yīng)稍大于平均延伸系數(shù)；精軋道次的延伸系數(shù)應(yīng)小于平均延伸系數(shù)，呈逐步遞減的趨勢(shì)。

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(jìn)行包鋁，而包鋁對(duì)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(jìn)行時(shí)效處理，并不會(huì)降低鋼絲的強(qiáng)度，而使斷后伸長(zhǎng)率提高到8%以上，以改善后續(xù)拉拔條件。殷鋼芯線在拉拔前要進(jìn)行固溶處理，隨著固溶溫度的升高，合金的晶粒會(huì)逐漸長(zhǎng)大，強(qiáng)度也隨著退火溫度的升高而下降。在840℃固溶處理時(shí)，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(shí)效處理冷拔變形后，在殷鋼基體上的位錯(cuò)密度會(huì)顯著提高。時(shí)效主要起到以下兩個(gè)作用：碳化物析出后，能提高后續(xù)冷加工過程的硬化率；提高了材料的塑性，有利于進(jìn)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?gòu)?fù)合材料，外部為包覆鋁層，芯部為高強(qiáng)度殷鋼線，外層與芯部的2種金屬?gòu)?qiáng)度的差別達(dá)到了5倍以上。為保證較軟的鋁層和較硬的殷鋼芯能同時(shí)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(jìn)行拉拔，可達(dá)到既阻止鋁層拉拔時(shí)往后移動(dòng)，又保證拉拔時(shí)鋁包鋼線坯整體同步向前延伸，最終實(shí)現(xiàn)鋁/鋼同步拉拔的目的。

3殷鋼芯線檢測(cè)方法

對(duì)于拉制成型的架空導(dǎo)線用殷鋼芯線，目前尚無專門的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。參照GB/T3428-2012《架空絞線用鍍鋅鋼線》對(duì)于碳素鋼芯線的檢測(cè)技術(shù)和方法，殷鋼芯線的檢測(cè)項(xiàng)目也應(yīng)至少包括外觀、尺寸偏差、化學(xué)成分、力學(xué)性能（包括拉伸強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、卷繞和扭轉(zhuǎn)性能）、金相組織等。其中，外觀和尺寸偏差的檢測(cè)方法可依據(jù)GB/T14985-2007《膨脹合金尺寸、外形、表面質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則的一般規(guī)定》進(jìn)行檢測(cè)和驗(yàn)收，其它檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方法如下。

3.1成分檢測(cè)

經(jīng)調(diào)研，目前架空導(dǎo)線用殷鋼芯線的材料牌號(hào)多為YB/T5241-2005《低膨脹鐵鎳、鐵鎳鈷合金》標(biāo)準(zhǔn)中的4J36。由于線芯直徑較小，無法采用直讀光譜儀進(jìn)行元素成分分析，只能采用化學(xué)方法進(jìn)行檢測(cè)。表1為對(duì)市面上6種不同廠家、不同規(guī)格的殷鋼芯線采用化學(xué)方法對(duì)成分分析的結(jié)果。可見，樣品的碳元素含量普遍超過4J36對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求值，說明殷鋼導(dǎo)線線芯為了提高強(qiáng)度，增加了碳元素的含量。3.2殷鋼芯線力學(xué)性能檢測(cè)殷鋼芯線的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率可通過拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)方法可參照GB/T3428-2012。與常規(guī)碳素鋼鋼芯線不同的是，殷鋼芯線的斷后伸長(zhǎng)率要遠(yuǎn)小于常規(guī)鋼芯，斷后伸長(zhǎng)率只有1%～2%，因此不測(cè)量1%伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力。表2為三種規(guī)格的殷鋼芯線拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可見其強(qiáng)度與G1級(jí)的鋼芯線相當(dāng)。

3.3殷鋼芯線卷繞、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

卷繞實(shí)驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)是評(píng)判鋼芯線韌性的有效方法。殷鋼芯線的卷繞實(shí)驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)方法也可參照GB/T3428-2012進(jìn)行；但考慮到殷鋼芯線塑性低于普通鋼絞線，為從嚴(yán)檢驗(yàn)其韌性指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)速率可取標(biāo)準(zhǔn)的上限要求，即卷繞實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的速率可取60r/min。

3.4殷鋼芯線金相組織檢測(cè)

殷鋼芯線的金相組織為奧氏體，晶內(nèi)有少量彌散分布的碳化物，如圖2所示。碳素結(jié)構(gòu)鋼的芯線金相組織一般為細(xì)珠光體+少量鐵素體，如圖3所示。值得注意的是，有的產(chǎn)品為了提高強(qiáng)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(huì)降低晶界強(qiáng)度，影響了材料的韌性和持久強(qiáng)度，因此對(duì)殷鋼芯線進(jìn)行金相分析是非常重要的檢測(cè)手段。

4結(jié)語

（1）殷鋼導(dǎo)線作為一種新型的增容導(dǎo)線已在電網(wǎng)中得到應(yīng)用，但由于目前尚無針對(duì)架空導(dǎo)線用殷鋼芯線的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使得殷鋼芯線的質(zhì)量管理和規(guī)范存在一定程度的技術(shù)空白，亟需制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)范。（2）架空導(dǎo)線用殷鋼芯線的生產(chǎn)工藝常是采用真空感應(yīng)爐或非真空感應(yīng)爐冶煉殷鋼，經(jīng)熱加工后進(jìn)行輕度冷變形和酸洗，再經(jīng)冷加工拉拔成絲材。強(qiáng)化機(jī)理主要為沉淀強(qiáng)化和形變強(qiáng)化，關(guān)鍵的加工工藝包括加熱制度、變形制度、拉拔工藝、時(shí)效處理，對(duì)于有防腐要求的線芯還需要覆鋁處理后再進(jìn)行拉拔。（3）由于殷鋼芯線與傳統(tǒng)的碳素鋼芯線在材料特性上存在較大的不同，用作架空導(dǎo)線線芯的殷鋼芯線在超過溫度拐點(diǎn)（遷移點(diǎn)）后承受全部的導(dǎo)線張力，因此其質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)予以重視。殷鋼芯線的外觀成型質(zhì)量、尺寸偏差、化學(xué)成分、力學(xué)性能（包括拉伸強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、卷繞和扭轉(zhuǎn)性能）、金相組織應(yīng)確定為判定殷鋼芯線質(zhì)量的必檢性能指標(biāo)項(xiàng)目。

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作者：李鴻澤 劉建軍 李成鋼 祝志祥 張強(qiáng) 單位：國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司