“以鋁代銅”那些事兒

“以鋁代銅”主要是指用鋁材代替銅材生產(chǎn)導(dǎo)體。19世紀(jì)初期，鋁導(dǎo)體就已經(jīng)出現(xiàn)了。20世紀(jì)60年代以后，由于銅資源有限，較為貴重，而與銅性能最為接近的鋁資源豐富，取之不盡，“以鋁代銅”的概念被提出。鋁—鎂—硅合金是在電線、電纜中使用得最多的鋁合金，為6101及6201合金，狀態(tài)為T1及T4。2020年，該種鋁合金在全世界的用量超過(guò)5000kt，在中國(guó)的用量預(yù)計(jì)超過(guò)1600kt，約占總消費(fèi)的30%以上。俄羅斯正在研發(fā)納米顯微組織導(dǎo)線鋁合金，其抗拉強(qiáng)度為320MPa-370MPa，電導(dǎo)率為57.2% IACS-56.1% IACS（國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)，International Annealed Copper Standard）。中國(guó)銅資源較為稀缺，而銅在生產(chǎn)某些部件或產(chǎn)品時(shí)又是不可或缺的。因此，必須珍惜用銅，切實(shí)做好“以鋁代銅”工作。

銅、鋁性能比較

銅是人類使用最早的金屬元素之一。銅顏色紫紅，熱導(dǎo)率及電導(dǎo)率高，是良好的導(dǎo)體；在干燥空氣中不氧化，在含有CO2的濕空氣中會(huì)形成銅綠；與堿性溶液反應(yīng)很慢，但易與氨形成配合物；標(biāo)準(zhǔn)電極電位為+0.337V，不能置換酸液中的氫，但可溶于有氧化作用的酸中，二價(jià)銅的電化當(dāng)量為0.0003294g/C（庫(kù)倫）。銅的提取、加工、回收與再利用并不困難，因此，從原始社會(huì)到文明昌盛、科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，銅制品一直陪伴著人類，為人類的進(jìn)步作出了重大貢獻(xiàn)。

鋁是一種較為年輕的金屬元素。1746年，德國(guó)科學(xué)家波特（J.H.Pott）用明礬制得氧化鋁。1807年，英國(guó)化學(xué)家戴維（H.Davy）試圖電解熔融氧化鋁制取鋁，并于第二年給預(yù)想的金屬取名為Alumium，后改為Aluminium，即鋁。1825年，丹麥化學(xué)家奧斯特（H.C.Oersted）用鉀汞齊還原無(wú)水氧化鋁，獲得了幾毫克鋁。1827年，德國(guó)科學(xué)家沃勒（F. Wohler）用鉀還原氧化鋁，得到了少量鋁。1854年，法國(guó)科學(xué)家德維爾（S.C. Deville）用鈉還原NaAlCl4配合鹽制得鋁，并生產(chǎn)一些皇室用品，如頭盔、餐具及玩具，價(jià)格高昂，比黃金還貴。1884年，美國(guó)鋁的總產(chǎn)量為56.7kg。1886年，美國(guó)大學(xué)生霍爾（Hall）和法國(guó)大學(xué)生埃魯（Heroult）幾乎同時(shí)發(fā)明了冰晶石-氧化鋁溶鹽電解煉鋁法，宣告鋁的工業(yè)提取工藝誕生，他們分別在美國(guó)和法國(guó)取得了發(fā)明專利。

1888年，霍爾在匹茲堡成立了世界上首個(gè)鋁電解廠——匹慈堡冶金公司，并生產(chǎn)出第一塊商業(yè)用鋁。該公司制造了鋁茶壺等生活用品，并制成了幾種鋁合金。從1888年到1893年，鋁錠價(jià)格從10.7美元/kg下降到1.72美元/kg。1990年前后，鋁箔、電線、電纜等產(chǎn)品也相繼問(wèn)世。

鋁的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-1.662V，電化當(dāng)量為0.3356g/（A·h）。鋁的密度只有銅的30.13%，因此，用鋁取代銅可以顯著降低工件的質(zhì)量，從而節(jié)約能源，減少溫室氣體排放。

以鋁代銅可行嗎

“以鋁代銅”并不是指在所有領(lǐng)域和部門都使用鋁材取代銅材，而主要是指用鋁代替銅生產(chǎn)導(dǎo)電及導(dǎo)熱（散熱）件。

鋁比銅輕約70%，可以減輕工件質(zhì)量，從而使工件安裝更為便捷。早在20世紀(jì)初，就開始用鋁取代銅生產(chǎn)高壓線路，使導(dǎo)線和線桿（鐵塔）受到的張力大大下降。汽車工業(yè)和航空工業(yè)也紛紛采用鋁導(dǎo)線。Airbus A380飛機(jī)是歐洲空客公司制造的世界上最大的客機(jī)，可容納約800人，該客機(jī)上的所有導(dǎo)線都是鋁的。

但是，在家中，使用鋁導(dǎo)線取代銅導(dǎo)線安全嗎？事實(shí)證明，是安全的，一點(diǎn)都不用擔(dān)心。北美從20世紀(jì)60年代中期開始，就將住宅電線大規(guī)模改成鋁制的。在世界其它地區(qū)，“鋁線進(jìn)家庭”的時(shí)間更早一些。鋁線大概出現(xiàn)在1990年，當(dāng)時(shí)，美國(guó)鋁業(yè)公司用其提取的鋁拉出了線材。

鋁在哪些方面不如銅

必須承認(rèn)的是，鋁在一些方面不如銅。

鋁的電導(dǎo)率比銅的低。99.990% Al在20°時(shí)的電阻率為2.6548×108Ω·m，等體積電導(dǎo)率為64.94% IACS。因此，必須采用直徑更大的鋁導(dǎo)線，才能使鋁線的導(dǎo)電性與銅線相當(dāng)。

鋁的硬度比銅的低。99.5% Al退火狀態(tài)的維氏硬度約為200MN/m2，比銅的低得多。電工的體會(huì)是，在剝?nèi)?dǎo)線上的絕緣材料后，鋁線比銅線更易產(chǎn)生切口、切痕、壓痕等。因此，在進(jìn)行鋁線剝皮、對(duì)接與布線時(shí)宜格外小心，否則，傷口可能會(huì)成為過(guò)熱點(diǎn)，引發(fā)過(guò)熱現(xiàn)象。

鋁的熱脹系數(shù)比銅的大。電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線會(huì)發(fā)熱。在反復(fù)的加熱膨脹與冷卻收縮中，鋁線會(huì)產(chǎn)生蠕變，從而引起連接松動(dòng)和過(guò)熱。

氧化鋁的導(dǎo)電性能較差。銅線銹蝕并不是大問(wèn)題，因?yàn)檠趸~導(dǎo)電，銅線仍然能正常地工作。但鋁線銹蝕形成的氧化鋁不是一種很好的導(dǎo)電體，對(duì)電流有阻礙作用，容易引起過(guò)熱。該問(wèn)題主要發(fā)生在連結(jié)處，如插座、閉合器、夾具、裝置連接點(diǎn)、配電盤等。解決方案是采用專業(yè)連接件。

近年來(lái)，電動(dòng)汽車市場(chǎng)成為投資熱點(diǎn)。為降低CO2排放、減少電纜用量，電氣配線成為重點(diǎn)問(wèn)題。因此，改用專利1XXX、6XXX及8XXX系合金取代純電工鋁EC（Pure EC Grade Aluminium，99.7% Al）。這種趨勢(shì)在20年前的歐洲就已經(jīng)出現(xiàn)了，一些公司開始采用Aluflex 137050鋁合金和標(biāo)準(zhǔn)電工合金EC Grade 1370-Conductal 137050鋁合金制造汽車的鋁電池電纜。為了降低汽車的凈質(zhì)量，日本的一些汽車公司倡導(dǎo)采用鋁線替代銅線，目標(biāo)是減輕20kg，現(xiàn)在已經(jīng)接近此目標(biāo)。

鋁線應(yīng)用發(fā)展歷程

鋁電線的小范圍應(yīng)用大概始于1900年，而其較大規(guī)模應(yīng)用至今有100多年左右的歷史。1944年，美國(guó)華盛頓哥倫比亞特區(qū)和馬里蘭州巴爾的摩間的線路最早采用鋁電纜作為商業(yè)通信線。

早期，電纜線是用鐵拉制的，很難生產(chǎn)，為了提高效率，工廠在鐵線表面浸涂一層硫酸銅作為潤(rùn)滑劑，生產(chǎn)效率大為提高，于是改用銅制電線。1913年，國(guó)際電工委員會(huì)制訂了IACS，認(rèn)定銅的電導(dǎo)率為100% IACS。

1930年，德國(guó)試用PVC絕緣鋁電纜。第二次世界大戰(zhàn)末，人造橡膠和聚乙烯電纜開始大量應(yīng)用。20世紀(jì)50年代，PVC在許多領(lǐng)域得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用，特別是在家用線纜方面，“以鋁代銅”幾乎得到普及。在很長(zhǎng)時(shí)間里，鋁線纜大都是采用99.5%的工業(yè)純鋁AA1350制造的。

鋁線纜新時(shí)代來(lái)臨

在最初生產(chǎn)鋁線纜時(shí)，采用的是8000系鋁合金。美國(guó)鋁業(yè)公司在開拓導(dǎo)體鋁合金方面做了許多工作，首個(gè)8000系合金于1972年獲得專利，緊接著，AA8030合金于1973年獲得專利，AA8176合金于1975年獲得專利。它們的力學(xué)性能與銅的等同，標(biāo)志著鋁線纜新時(shí)代的來(lái)臨。

20世紀(jì)40年代后期，普羅帕齊（Properzi）鋁線桿連續(xù)鑄軋工藝和裝備進(jìn)入市場(chǎng)，用于連續(xù)鑄軋有色金屬線桿，最先生產(chǎn)的是市場(chǎng)急需的純鋁線桿；在滿足純鋁線桿市場(chǎng)需求后，又進(jìn)入鋁合金線桿市場(chǎng)。先后推出的產(chǎn)品有AAC（全鋁導(dǎo)線，All-Aluminium Conductors）、AAAC（全鋁合金導(dǎo)線，All Aluminium Alloy Conductors）、ACAR（合金加強(qiáng)的鋁導(dǎo)線，Aluminium Conductor Alloy Reinforced）、ACSR（鋼加強(qiáng)的鋁導(dǎo)線，Aluminium Conductor Steel Reinforced）、AACSR（鋼加強(qiáng)的鋁合金導(dǎo)線，Aluminium Alloy Conductor Steel Reinforced）、ACSR/AS（鋁包鋼加強(qiáng)的鋁導(dǎo)線（Aluminium Conductor Aluminium Clad Steel Reinforced）、ACSR/TW（鋼加強(qiáng)的異型鋁導(dǎo)線（Shaped Wire Aluminium Conductor，Steel Reinforced）、ACSS/AS （鋁包鋼芯的鋁導(dǎo)線Aluminium Conductors-Aluminium Clad steel suported）、ACCC（復(fù)合材料芯的鋁導(dǎo)線，Aluminium Conductor Composite Core）、高溫及HTLS導(dǎo)線（High Thermal and HTLS Conductors）。

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用的拓展，上述鋁導(dǎo)線也有較大的發(fā)展，品種更多了，應(yīng)用范圍更廣了。例如多種多樣的復(fù)合AAC鋁絞線，主要應(yīng)用于低壓線路和變電所連接線路；鋁合金芯線的AAAC絞線，主要應(yīng)用于低、中、高壓線路和特高壓的高空架線；芯線為鋁-鎂-硅合金高強(qiáng)度線與1350電線的ACAR絞合線，其絞線股數(shù)決定于設(shè)計(jì)；ACSR絞線，鋼芯線經(jīng)過(guò)電鍍，外層為1層或多層冷拉1350-H19鋁線；AACSR鋼芯鋁合金線，鋼芯線經(jīng)過(guò)電鍍，外層為絞合，主要應(yīng)用于中壓、高壓和特高壓架空線路；ACSR/AS鋼芯絞線，其力學(xué)性能與ACSR絞線相當(dāng)。但鋼芯之上包有鋁，因此，載流量更大，抗腐蝕性能強(qiáng)。這類導(dǎo)線可用于嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境中；ACSR/TW（異型鋁線，鋼芯），在高強(qiáng)度鋼絲之上絞合異型1350-H19導(dǎo)線；ACSS/AS（鋁導(dǎo)線—鋁包鋼），以鋼為芯線，鋼芯上包以鋁，再與1層或多層 350-0鋁線絞合為一體的復(fù)合電纜；ACCC（復(fù)合材料芯線鋁纜），芯線為質(zhì)輕的高強(qiáng)度碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)的熱樹脂，采用先進(jìn)的工藝制備，芯線為梯形的完全退火的高效鋁線圍繞而成；鋼芯耐熱鋁合金線TACSR，其與常規(guī)ACSR導(dǎo)線結(jié)構(gòu)相似，但常規(guī)ACSR線采用EC級(jí)鋁（EC Grade Aluminium）線，而TACSR導(dǎo)線采用冷拉的耐熱鋁合金線TAL，可在210℃或更高些的溫度下安全地長(zhǎng)期工作；帶有間隙的鋼芯增強(qiáng)的耐熱鋁合金絞線GZTASCR（Thermal resistant aluminium conductors steel reinforced with GAP）。這種導(dǎo)線的鋼芯與第一層梯形耐熱鋁合金線之間隔有一層不厚的間隙，能夠使鋼芯線承受安裝時(shí)產(chǎn)生的拉伸，間隙內(nèi)充滿耐熱潤(rùn)滑樹脂。

普羅帕齊連鑄連軋線

意大利普羅帕齊連鑄連軋線（Properzi CCR line）由普羅帕齊公司開發(fā)。目前，世界75%以上的鋼、鋁導(dǎo)線都是采用此工藝或類似的工藝生產(chǎn)的。普羅帕齊鋁導(dǎo)線連續(xù)鑄軋線由13部分組成。

經(jīng)過(guò)多年研發(fā)，普羅帕齊公司可提供CRE（連續(xù)旋轉(zhuǎn)擠壓，Continuous Rotary Extrusion）技術(shù)和普羅帕齊成型機(jī)（Pro-Form，即Properzi Forming Machine），可以生產(chǎn)加工異型鋁線（梯形線）、扇形鋁電纜與導(dǎo)線、鋁型材/母線、鋁管、鋁包鋼線等。

俄羅斯研發(fā)納米組織導(dǎo)線鋁合金

2020年，世界各國(guó)共計(jì)消費(fèi)約5000kt 6XXX系電線電纜鋁合金，即鋁—鎂—硅系的6101及6201合金，狀態(tài)為T1及T4。該種合金的抗拉強(qiáng)度為150MPa-220MPa，比電阻為0.034Ω·mm2/m-0.0360Ω·mm2/m，電導(dǎo)率相當(dāng)于50.0% IACS-47.9% IACS，在架空線路與普通導(dǎo)線領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但工業(yè)界希望能生產(chǎn)出性能比6101-T4合金更好的合金，以延長(zhǎng)線塔距離。6101合金的典型成分（質(zhì)量%）為：Si 0.54、Fe 0.23、Cu 0.003、Mg 0.58、Zn 0.01、B 0.002、（Ti+V+Cr+Mn） 0.012、Al余量；典型性能為：抗拉強(qiáng)度195MPa，伸長(zhǎng)率28%，比電阻0.03420Ω·mm2/m，電導(dǎo)率相當(dāng)于50.4% IACS。

為了全面改善導(dǎo)線鋁合金的性能，俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司和一些大學(xué)、科研院所的科學(xué)家開發(fā)出了納米顯微組織線桿，試樣的抗拉強(qiáng)度達(dá)320MPa-370MPa，電導(dǎo)率相當(dāng)于57.2% IACS-56.1% IACS。