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圆铝杆电阻率影响因素的探讨

ldx_8261

2017/07/19

私聊

试验机/硬度计

摘要：本文通过对圆铝杆中铝的纯度、杂质、缺陷、温度对电阻率影响的分析，以及分析不同检测方法计算出的电阻率偏差，探讨控制电阻率超标的一些方法，为圆铝杆生产工艺的改进、控制及电阻率检测方法的选择提供一些参考依据。
关键词：电阻率；圆铝杆；纯度；杂质；温度；误差
中图分类号：文献表示码：文章编号：
Abstract:This article through to the round aluminum rod chinalco's purity, impurities, defects, temperature analysis of the impact of resistivity, resistivity of different testing methods and analysis to calculate the deviation, discusses some way to control the resistivity exceeds bid, for the round aluminum rod production process improvement, control and the selection of resistivity test method to provide some reference.

前言
随着科学技术的快速发展，圆铝杆在工业生产中得到了大量的应用，如电线电缆、电磁线、铝绞线、铝管、空调散热管、汽车冷凝管等都是使用圆铝杆后续加工而成，虽然圆铝杆得到了大量的应用，但是制约其发展的主要因素大多数集中在电阻率不合格上。采用电解铝液生产圆铝杆可减少铝锭的再次重熔工序，能降低圆铝杆约30%的成本，但由于电解铝液中杂质含量高，含氢量大，并含有较多的金属和非金属夹杂物，在铸造前若不及时去除，会在圆铝杆中形成组织缺陷，从而会引起电阻率的升高。
银湖合金公司是直接采用电解铝液生产的圆铝杆，自2009年投产以来，圆铝杆质量不合格大多数与电阻率超标有关。本文通过对银湖合金公司生产的不同牌号的圆铝杆电阻率及成分的分析，探讨控制电阻率超标的一些方法。
1 铝的纯度对电阻率的影响
一般来讲，铝的纯度愈高，电阻率就愈低，铝的纯度愈低，电阻率就愈高，任何杂质元素对铝的导电性都是有害的。根据银湖合金公司近些年生产情况，选取几个不同系别的圆铝杆进行分析，探讨铝的纯度与电阻率的关系，挑选的牌号分别为1370、6101、6201和8030的圆铝杆各11个铸次，计算每个铸次平均电阻率和平均铝含量，见表1。

表1 不同牌号圆铝杆电阻率与铝的纯度表

1370			6101			6201			8030
编号	电阻率（nΩ•m）	Al含量 (%)	编号	电阻率（nΩ•m）	Al含量 (%)	编号	电阻率（nΩ•m）	Al含量 (%)	编号	电阻率（nΩ•m）	Al含量 (%)
59	27.56	99.81	728	32.72	98.54	106	33.79	98.27	27	28.41	99.39
60	27.57	99.81	001	32.48	98.55	107	33.56	98.24	23	28.26	99.42
61	27.49	99.82	002	32.94	98.63	108	33.68	98.30	35	28.28	99.39
62	27.43	99.81	003	32.72	98.57	109	33.00	98.24	295	28.41	99.41

63	27.49	99.81	006	32.74	98.53	110	33.1	98.29	284	28.43	99.42
84	27.51	99.80	007	33.2	98.46	111	32.96	98.34	635	28.79	99.39
85	27.44	99.83	008	33.13	98.55	112	33.32	98.27	582	28.49	99.37
86	27.44	99.81	009	33.13	98.50	113	33.38	98.29	581	28.40	99.38
87	27.42	99.81	116	32.50	98.52	114	33.48	98.29	562	28.63	99.42
88	27.67	99.81	117	32.75	98.52	115	33.54	98.34	563	28.66	99.38
89	27.23	99.82	118	33.13	98.49	005	33.57	98.33	548	28.52	99.36
平均	27.48	99.81	平均	32.86	98.53	平均	33.40	98.29	平均	28.48	99.39

根据表1数据可得到铝的纯度与电阻率的趋势图，见图1。

从表1和图1来看，铝含量从99.81%下降到99.39时，铝含量变动幅度为0.42%，电阻率变动幅度为3.64%；铝含量从99.39%下降到98.53%时，铝含量变动幅度为0.87%，电阻率变动幅度为15.38%。说明合金化程度越高，其电阻率的上升幅度也越大。
2 杂质元素对电阻率的影响
在铝的杂质元素中，影响电阻率的主要有：Si、Fe、Cu、Mg、Zn、Mn、Ti、V、Cr。为了便于细致分析它们对电阻率的影响程度，对银湖合金公司生产的1370、6101、6201和8030这4个系列的圆铝杆，分别统计了11个铸次的平均电阻率及平均元素含量，分析它们之间对电阻率影响的强烈程度。见表2。

表2 不同牌号圆铝杆电阻率与化学成分表

电阻率	化学成分，%
电阻率	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	V	Ti
27.49	0.03	0.12	0.0007	0.0009	0.0005	0.0003	0.0064	0.0016	0.0001
28.48	0.05	0.34	0.1817	--	0.0005	--	0.0059	--	0.0086
32.86	0.48	0.21	0.0039	0.0015	0.7075	0.0019	0.0070	0.0006	0.0148
33.40	0.62	0.22	0.0238	0.0016	0.7749	0.0020	0.0070	0.0007	0.0156

根据表2数据可得出杂质元素含量与电阻率的走势图，见图2。

从表2及图2来看，在这些杂质元素中，影响电阻率的强烈程度依次为Mn、Ti、Cr、Si、Fe、Cu、Mg、Zn、V。
3 缺陷对电阻率的影响
在电解铝液中，还存在较为复杂的气体和夹渣物，在夹渣物中氧化物（Al₂O₃、MgO、CaO、Al₂O₃•MgO）占多数，同时，在抽取铝液的过程中，也会有少量的电解液进入铝液，若在精炼过程中除气、造渣不充分时，会导致气体进入形成气孔，夹渣物进入形成夹杂、裂纹，它们阻碍了电流通过，会导致电阻率升高。如图3、图4。

图3 气孔 12倍图4 夹杂、裂纹 12倍
4 温度对电阻率的影响
以自由电子的运动作为导电原理的金属材料，尤其是铝合金材料，尽管温度对有效电子数和电子的平均速度没有什么影响，但温度的升高也会引起离子振动频率的加剧，增加电子的无序排列，从而使电子的自由运动程度减少，散射几率增加，导致其电阻率升高。纯金属的电阻率与温度的关系式为

ρ_t=ρ₀（1+αΔT）（1）

其中：ρ_t——电阻率；
ρ₀——标准温度（20℃）电阻率；
α——电阻温度系数；
ΔT——温差（样品温度-标准温度）。
从式（1）中可以看出，电阻率与温差存正相关关系，温差越大电阻率越大。如果测量时试样本身温度高于或低于分析室温度，则所计算出来的电阻率偏差较大。因此，试样必须在分析室放置足够的时间，保证检测时试样的温度与分析时的温度一致，从而减小分析误差。
5 不同检测方法对电阻率的影响
根据GB/T3048.2-2007《电线电缆电性能试验方法第2部分金属材料电阻率试验》的规定，电阻率的计算可以采用两种方法：计算法与称重法。
计算法是采用游标卡尺或千分尺直接测量圆铝杆直径d，根据直径计算截面积A（t），计算式为
A（t）=πd²/4，然后根据测量的电阻计算电阻率。
称重法是采用天平称量单位长度试样的质量，根据质量计算截面积A（t），计算式为
A（t）=m×10³/L×ρ,然后根据测量的电阻计算电阻率。
计算法主要针对截面规则的试样，称重法针对截面不规则的试样，这两种计算方法计算的电阻率会存在误差，而误差究竟有多大？对此，选取银湖合金公司生产的直径分别为9.5毫米和15毫米的部分圆铝杆试样进行试验，结果见表3、表4。

表3 Φ9.5毫米圆铝杆电阻率计算法与称重法误差

编号	计算法	称重法	误差
495-01	28.75	29.19	0.44
495-03	28.98	29.22	0.24
495-09	28.52	29.08	0.56
495-14	28.62	29.19	0.57
495-17	28.79	29.09	0.3
553-01	28.15	29.21	1.06
553-06	28.42	29.33	0.91
553-11	28.69	29.33	0.64
553-13	28.23	29.30	1.07
553-15	28.22	29.28	1.06
558-01	28.27	29.07	0.8
558-04	28.11	29.17	1.06
558-06	28.18	29.20	1.02
558-11	28.19	29.11	0.92
558-13	28.22	29.05	0.83
平均	28.42	29.19	0.77

表4 Φ15毫米圆铝杆电阻率计算法与称重法误差

编号	计算法	称重法	误差
143-001	27.45	27.66	0.21
143-002	27.28	27.51	0.23
143-003	27.47	27.57	0.10
143-004	27.39	27.53	0.14
143-005	27.49	27.49	0.00
143-006	27.49	27.61	0.12
143-007	27.35	27.58	0.23
143-008	27.26	27.46	0.20
143-009	27.38	27.54	0.16
143-010	27.15	27.53	0.38
143-011	27.45	27.51	0.06
143-012	27.37	27.72	0.35
143-013	27.30	27.51	0.21
143-014	27.30	27.55	0.25
143-015	27.28	27.54	0.26
143-016	27.47	27.66	0.19
143-017	27.27	27.58	0.31
143-018	27.30	27.48	0.18
平均	27.36	27.56	0.20

从试验结果来看，称重法计算的电阻率普遍高于计算法计算的电阻率，同时，Φ9.5毫米的圆铝杆两种方法计算的电阻率误差高于Φ15毫米圆铝杆两种方法计算的电阻率误差。这说明Φ9.5毫米圆铝杆截面相对不规则，所测量的直径偏差较大，而Φ15毫米圆铝杆的截面相对较规则些，测量的直径偏差相对较小。
6 结论
6.1 当圆铝杆的合金化程度较高时，随着杂质含量的变化，电阻率的波动幅度较大，因此应严格控制杂质含量。同时，合金化程度的提高，应保证成分的均匀性，避免出现局部成分不均匀导致电阻率超标现象。
6.2 杂质元素中，Mn、Ti、Cr对电阻率的影响较大，应严格控制其含量，避免电阻率较大幅度波动。
6.3 加强精炼环节，保证除气、造渣充分，防止气体和夹渣物进入铸锭中，减少气孔、夹渣及裂纹的生成。
6.4 待测试样进入分析室，应在分析室放置足够时间，保证检测电阻时试样本身温度与室内温度一致，同时分析室温度应保持恒温状态，避免室内温度波动较大引起电阻率出现较大偏差。
6.5 在生产圆铝杆过程中，由于存在不圆度，所以在测量时，应谨慎选择分析方法，同时应与下游客户进行沟通，尽量选择相同的分析方法，减少方法误差。