本发明涉及一种细长导电铜铝双金属元件、包括至少一个这种细长导电元件的线缆、制备所述细长导电元件和所述线缆的方法以及包括这种电力线缆和至少一个金属连接件的设备。
背景技术：
1、本发明典型地(但非排他地)应用于航空、自动化操作、建筑业、医疗业、采矿业、石油和天然气开采、高架作业、潜艇、陆地或铁路电网、铁路或地面运输、造船业、核工业或可再生能源工业等领域的数据传输线缆和用于动力传输的动力线缆，特别是应用于直流电或交流电的低压动力线缆(特别是低于6kv)或者中压动力线缆(特别是6kv至45-60kv)或者高压动力线缆(特别是高于60kv，并且可能高达800kv)。
2、更具体而言，本发明涉及一种具有改善的耐电化腐蚀性的导电元件，从而使通常连接到这种导电元件上的连接件和/或配件的机械强度得到改善，并保持这种导电元件与所述连接件和/或配件之间的电接触。本发明还涉及一种导电元件，其具有良好的机械性能(特别是在可拉伸性和可退火性方面)和电性能(特别是在导电性方面)。
3、已知将通常用于电力线缆的电导体中的铜替换为铝以降低其生产成本和重量。然而，铝的使用会受到其不良的电接触性能的限制。具体而言，与来自空气中的氧气接触的铝会自然氧化，从而在铝的表面形成薄绝缘氧化铝(铝氧化物al2o3)层。该层可保护铝免受腐蚀，但其具有阻止在导体连接到各种设备或电路连接点的位置处的电流通过的缺点。特别是，该层在连接区域中(即在连接件-导体接触区域中)形成，其阻止了电流从导体传递到连接件(例如，压接端子)。连接件可以用于在其连接电力线缆时传导具有较大变化或甚至较高强度和电压的电流。环境条件(例如差热膨胀、振动等)可能使该氧化物层在电流通过的作用下发生变化，并且在低电流的情况下导致接触破裂，在高电流的情况下导致温度升高或着火。实际上，如果导体的温度升高得过高，则电绝缘层可能在达到铝的熔点时熔化，从而导致起火，并且可随机发生火势蔓延。
4、此外，通常用于电力线缆领域以连接传统的铜或铜合金电导体的连接件由铜或铜合金制成，该铜或铜合金被锡、银、金和/或镍的薄层覆盖。然而，这些金属与铝存在伽伐尼电势差，并且在存在水分，特别是盐水分的情况下，铝会非常快速地被腐蚀。该现象通常被称为电化腐蚀，其源于以下三个条件的组合：存在至少两种性质不同并具有不同的氧化还原电势的金属；促使这两种金属电接触；以及存在水作为电解质并覆盖两种金属。然后形成(短路的)原电池，并发生铝的电化腐蚀。
5、一种众所周知的解决方案是使用油脂和套管使连接件-铝导体接触区域不可渗透，从而防止水和氧气透过这些区域。然而，这种解决方案较为昂贵。
6、限制电化腐蚀问题的其他解决方案包括用金属层涂覆铝导体，该金属与用于制造连接件的金属具有相同或相似的伽伐尼电势，例如，用通过电沉积沉积镍、锡、锌或铜薄层涂覆铝导体，或用通过电镀或通过滚焊技术沉积的铜薄层涂覆铝导体(以编号cca 10％或15％出售的“铜包铝10％或铜包铝15％”)。特别地，ep 1 693 857 a1描述了一种电导体，其包括涂覆有由锡-锌合金制成的金属层的铝或铝合金芯。然而，上述沉积涂层的步骤(电沉积、电镀、滚焊)生产成本较高。此外，尽管这些解决方案可以降低电化腐蚀的速率，但它们本身并不能防止电化腐蚀现象。无论使用何种解决方案，铝都或多或少地被迅速腐蚀，这导致连接件的机械强度降低。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点，并提供一种具有改善的耐电化腐蚀性的电导体，同时保证良好的机械性能(特别是在可拉伸性和可退火性方面)和电性能(特别是在导电性方面)。特别地，良好的耐电化腐蚀性能够改善连接件的机械强度并保持电接触，而不必因此改变通常使用的连接件。
2、因此，本发明的第一主题是一种细长导电元件，其包括铝芯或铝合金芯和围绕所述铝芯或铝合金芯的铜层或铜合金层，其特征在于，铜层或铜合金层的体积为细长导电元件体积的大于约30％。
3、由于围绕所述铝芯或铝合金芯的该铜层或铜合金层的体积大于约30％，因此铜或铜合金的厚度足以使细长导电元件的耐电化腐蚀性得到改善。
4、在一个特定的实施方案中，当细长导电元件暴露于盐雾至少约50小时，优选至少约60小时，更优选至少90小时，并且更优选至少120小时时，该细长导电元件具有耐电化腐蚀性。
5、有利地，当细长导电元件暴露于盐雾至少约50小时，优选至少约60小时，更优选至少90小时，并且更优选至少120小时时，在拉伸试验中，以牛顿计，该细长导电元件端子的机械强度降低至多约20％，优选至多10％，并且更优选至多5％。
6、铜层或铜合金层的体积可以小于或等于细长导电元件体积的90％。
7、根据本发明的一个实施方案，铜层或铜合金层占细长导电元件体积的至少约35体积％，优选约40体积％至80体积％，优选约42体积％至80体积％，更优选约45体积％至70体积％，并且更优选约50体积％至约65体积％。
8、如果铜的量大于约80体积％，则本发明的细长导电元件的生产成本过高。如果铜的量小于或等于约30体积％，则本发明的细长导电元件耐电化腐蚀性不足，特别是在恶劣的环境中。
9、在本发明中，表述“细长导电元件”是指具有纵轴的导电元件。特别地，导电元件是细长的，因为它经历了至少一个拉伸步骤(冷变形步骤，特别是通过由金刚石制成的模具)。
10、在一个特定实施方案中，铜层或铜合金层是细长导电元件的最外层。
11、在本发明中，表述“所述铜层是细长导电元件的最外层”是指本发明的细长导电元件的铜层未被任何其他金属层覆盖。
12、换句话说，铜层的整个外表面(即，离细长导电元件最远的整个表面)未被任何其他金属层覆盖。
13、然而，取决于设想的应用，还可以用金属层覆盖铜层或铜合金层，该金属层包含选自锡、银、镍、金、上述金属的合金以及它们的混合物的金属。那么，该金属层是细长导电元件的最外层，并且如通常所做的那样，其有可能改善与连接件的电接触。
14、特别地，铜层或铜合金层沿细长导电元件的纵轴延伸。
15、铜层或铜合金层优选具有基本规则的表面。因此，铜层或铜合金层形成围绕所述铝芯或铝合金芯的连续封套(无不规则或无粗糙)。
16、细长导电元件的外径范围为约0.01mm至30mm，并且优选范围为0.05mm至8mm。
17、在当量直径下，本发明的细长导电元件具有比现有技术的细长导电元件(即，没有铜层或具有所占体积小于或等于约30％的铜层的细长导电元件)更低的运行温度(在恒定电流下)或更大的电流容量(在恒定的运行温度下)。
18、在当量直径下，本发明的细长导电元件也具有比现有技术的细长导电元件(即，没有铜层或具有所占体积小于或等于30％的铜层的细长导电元件)更好的机械性能，例如更高的拉伸强度。
19、在本发明的一个特定实施方案中，铜层或铜合金层与铝芯或铝合金芯直接接触(即，直接物理接触)。
20、换句话说，本发明的细长导电元件在铝芯或铝合金芯与铜层或铜合金层之间没有(一个或多个)中间层。
21、铝芯或铝合金芯优选具有圆形截面形状。
22、铝合金的铝含量可以为至少约95.00重量％，优选至少约98.00重量％，优选至少约99.00重量％，更优选至少约99.50重量％；并且优选至少约99.80重量％。
23、铝含量至少为99.00％的铝合金具有提高细长导电元件的导电性及可拉伸性和可退火性的优点。具体而言，铝合金的这种最小铝含量使得可以制造长度较长(例如，长度为至少1km)的线缆，同时避免结构缺陷的存在和/或获得刚性更好的细长导电元件。
24、此外，当铝是纯铝或当铝合金包含至少99重量％的铝时，细长导电元件的弯曲变得容易，这使得其更容易处理。
25、铜合金的铜含量可以为至少约95.00重量％，优选至少约98.00重量％，并且更优选至少约99.50重量％。
26、本发明的第二主题是一种制造根据本发明第一主题的细长导电元件的方法，其包括至少一个步骤i)，该步骤i)为通过电沉积、镀覆、滚焊、挤出或通过浇铸(例如连续浇铸)从而在铝芯或铝合金芯周围形成铜层或铜合金层。
27、所述铝芯或铝合金芯和铜层或铜合金层如本发明第一主题中所定义的。
28、根据希望获得的细长导电元件的机械性能来选择用于利用铜层或铜合金层涂覆铝芯或铝合金芯的技术。
29、根据本发明的一个特别优选的实施方案，在铝芯或铝合金芯周围形成铜层或铜合金层的步骤i)通过浇铸进行。
30、实际上，发明人惊奇地发现，与其他上述方法不同，浇铸使得可以获得易于拉伸的导电元件。由于浇铸，铜层对铝芯或铝合金芯具有更好的粘附性。特别是，通过浇铸获得的铜-铝键是化学和机械结合，这使得其与纯机械结合或纯化学结合(其通常导致铜层的层间剥离，特别是在拉伸和/或其他成型步骤期间)区别开来。
31、良好的可拉伸性使其可以具有与当前生产标准兼容的线速度。
32、现有技术的方法，例如在铝芯周围形成铜片然后进行焊接(众所周知的“包覆法”)通常会产生不能拉伸或难以拉伸的细长导体。
33、特别地，在步骤i)期间通过浇铸在铝芯或铝合金芯周围形成铜层或铜合金层时使用(实施)的金属可以是：
34、-对于铜或铜合金，其处于液态，并且
35、-对于铝或铝合金，其处于液态或固态。
36、当铝或铝合金处于固态时，其可以是实心棒的形式，特别是具有圆形、矩形或任何其他形状的截面。
37、当铝或铝合金处于固态时，步骤i)为步骤i-1)，在步骤i-1)期间，将液态的铜或铜合金浇铸在固态的铝或铝合金上，或者将固态的铝或铝合金浸入液态的铜或铜合金中，特别是在铜或铜合金的液体浴中。
38、在一个特定实施方案中，步骤i-1)期间的浇铸温度范围为约1086℃至1400℃，并且优选约1090℃至1200℃。
39、在一个特定的实施方案中，在浇铸步骤i-1)期间的冷却以至少50℃/min的速率进行，并且优选以至少100℃/min的速率进行，使得从浇铸温度下降至低于或等于约660℃的温度，或下降至低于或等于约300℃的温度，这取决于所进行的下一步骤。
40、特别地，当下一步骤为热轧步骤时，温度可以低于或等于660℃；而当下一步骤为冷轧步骤时，温度可以低于或等于300℃。
41、举例来说，浇铸步骤i-1)可以连续进行。
42、特别地，浇铸步骤i-1)可以是水平型、垂直型或借助于旋转轮(称为“浇铸”轮)进行。
43、在根据本发明可以使用的连续铸造技术中，可以提及技术、技术、技术、“浸渍成形”技术、技术或“直接冷铸”技术。
44、当铝处于液态时，步骤i)为步骤i-2)，在步骤i-2)期间由液态的铜或铜合金预成型为铜或铜合金制成中空元件，特别是管状的形式，特别是具有圆形、梯形、三角形或任何其他形状的截面；然后将所述中空元件冷却；然后，使用液态的铝或铝合金填充中空元件；然后冷却所得组件。
45、在一个特定的实施方案中，在预成型中空元件的步骤期间的浇铸温度范围为约1086℃至1400℃，并且优选约1090℃至1200℃。
46、在一个特定的实施方案中，中空元件的冷却以至少50℃/min的速率进行，并且优选以至少100℃/min的速率进行，使得从浇铸温度下降至低于或等于约900℃的温度。
47、在一个特定的实施方案中，在填充中空元件的步骤期间的浇铸温度为约661℃至900℃，并且优选为约670℃至800℃。
48、在一个特定的实施方案中，组件的冷却以至少50℃/min的速率进行，并且优选以至少100℃/min的速率进行，使得从铸造温度下降至低于或等于约660℃的温度，或下降至低于或等于约300℃的温度，这取决于所进行的下一步骤。
49、特别地，当下一步骤是热轧步骤时，温度可以低于或等于660℃；而当下一步骤是冷轧步骤时，温度可以低于或等于300℃。
50、举例来说，浇铸步骤i-2)可以连续进行。
51、特别地，浇铸步骤i-2)可以是水平型、垂直型或借助于旋转轮(称为“浇铸”轮)进行。
52、在根据本发明可以使用的连续铸造技术中，可以提及技术、技术、技术、技术或“直接冷铸”技术。
53、该方法可以进一步包括在形成铜层或铜合金层的步骤i)之后的轧制步骤ii)。所述轧制可以是热轧或冷轧。
54、在步骤i)或步骤ii)之后，该方法可以进一步包括拉伸步骤iii)。这使得可以获得具有所需直径的细长导电元件。
55、步骤iii)可以以约600m/min至3000m/min的线速度进行。
56、在拉伸步骤iii)之后，该方法可以进一步包括在线退火步骤iv)。这可以改善细长导电元件的伸长性能。这也会降低细长导电元件的机械强度。
57、步骤iv)可以在约100℃至600℃，并且优选约200℃至500℃的温度范围下进行。
58、步骤iv)可以得到至少约20％，并且优选至少约30％的伸长率。
59、当铝是纯铝或当铝合金包含至少99重量％的铝时，易于进行步骤iv)。因此可以在较低的退火温度下加工，从而避免损坏铜层或铜合金层。
60、根据本发明第二主题的方法能够获得根据第一主题的细长导电元件。
61、本发明的第三主题是一种电力线缆，其包括至少一个如本发明第一主题中所定义的或根据本发明第二主题的方法获得的细长导电元件以及至少一个围绕所述细长导电元件的聚合物层。
62、在一个优选的实施方案中，所述聚合物层直接与细长导电元件的铜层接触。
63、所述聚合物层也可以与本发明第一主题中定义的金属层直接物理接触。
64、所述聚合物层可以是电绝缘层或电绝缘保护鞘。
65、在本发明中，术语“电绝缘层”是指导电性可以至多为约1×10-8s/m(在25℃下使用直流电)的层。
66、根据本发明的一个特别优选的实施方案，所述聚合物层包含选自交联聚合物和非交联聚合物，以及无机类型和有机类型的聚合物的聚合物材料。
67、聚合物材料可以是具有热塑性和/或弹性体性质的均聚物或共聚物。
68、无机类型的聚合物可以是聚有机硅氧烷。
69、有机类型的聚合物可以是聚烯烃、聚氨酯、聚酰胺、聚酯、聚乙烯或卤化聚合物，如氟化聚合物(例如聚四氟乙烯ptfe)或氯化聚合物(例如聚氯乙烯pvc)。
70、聚烯烃可选自乙烯和丙烯聚合物。作为乙烯聚合物的实例，可以提及线性低密度聚乙烯(lldpe)、低密度聚乙烯(ldpe)、中密度聚乙烯(mdpe)、高密度聚乙烯(hdpe)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(eva)、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物(eba)、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物(ema)、乙烯-丙烯酸2-乙基己酯共聚物(2hea)、乙烯和α-烯烃的共聚物，例如聚乙烯-辛烯(peo)、乙烯-丙烯共聚物(epr)、乙烯/丙烯酸乙酯共聚物(eea)或乙烯-丙烯三元共聚物(ept)，例如乙烯-丙烯二烯单体三元共聚物(epdm)。
71、在本发明中，表述“低密度聚乙烯”是指密度范围为约0.91至0.925的聚乙烯。
72、在本发明中，表述“高密度聚乙烯”是指密度范围为约0.94至0.965的聚乙烯。
73、相对于该层的总重量，聚合物层可包含至少约10重量％，并且优选至少约30重量％的一种或多种聚合物。
74、聚合物层可进一步包含水合阻燃无机填料。这种水合阻燃无机填料主要通过经由吸热分解(例如，释放水)的物理途径起作用，其结果是降低了层的温度并限制了火焰沿线缆的传播。特别参考阻燃性能。
75、相对于该层的总重量，聚合物层可包含约20重量％至70重量％的水合阻燃无机填料。
76、水合阻燃无机填料可以是金属氢氧化物，例如氢氧化镁或氢氧化铝。
77、为了保证hffr(无卤素阻燃剂)线缆，聚合物层优选不包含任何卤代化合物。所述卤代化合物可以是任何类型，例如氟化聚合物或氯化聚合物，例如聚氯乙烯(pvc)、卤化增塑剂、卤化无机填料等。
78、所述聚合物层还可进一步包含至少一种惰性填料。
79、所述惰性填料可以是白垩、滑石或粘土(例如高岭土)。
80、相对于该层的总重量，聚合物层可包含约5重量％至50重量％的惰性填料。
81、聚合物层可包含本领域技术人员熟知的其他添加剂，例如增塑剂、增强剂等。
82、聚合物层可具有至多约3mm的厚度，并且优选至多约2mm的厚度。
83、聚合物层优选是通过本领域技术人员熟知的技术挤出的层。
84、本发明的电力线缆优选为低压动力线缆(特别是低于6kv)或中压动力线缆(特别是6kv至45-60kv)。
85、本发明的线缆可以包括根据本发明的第一主题的若干细长导电元件，特别是绞合形式的。
86、根据第一变型，聚合物层围绕所述细长导电元件。
87、根据第二变型，细长导电元件是单独绝缘的，并且线缆包括如上定义的若干聚合物层，每个聚合物层分别围绕每个细长导电元件。
88、可以根据至少包括以下步骤的方法来制造根据本发明第三主题的电力线缆：
89、a.通过根据本发明第二主题的制造方法制造至少一个根据第一主题的细长导电元件，以及
90、b.将聚合物层挤出到前一步骤中制造的细长导电元件的周围，以形成电力线缆。
91、聚合物层如本发明第三主题中所定义的。
92、本发明的第四主题是一种设备，其包括根据本发明第三主题的电力线缆和至少一个金属连接件，其特征在于，所述金属连接件连接到至少一个根据本发明第一主题的或者根据本发明第二主题的方法获得的细长导电元件上。
93、所述连接件可以是压接端子，特别是标准的镀锡铜端子，优选为孔眼端子。
94、因此，在所述设备中，连接件的机械强度得到改善，并且可以保证维持连接件-细长导电元件的电接触。
1.一种细长导电元件，包括：
2.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述铜层或铜合金层是所述细长导电元件的最外层。
3.根据权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述元件的外径范围为0.01mm至30mm。
4.根据权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述铜层或铜合金层直接与所述铝芯或铝合金芯接触。
5.根据权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述铜合金的铜含量为至少95.00重量％。
6.根据权利要求1或2所述的元件，其特征在于，当所述元件暴露于盐雾至少50小时时，在拉伸试验中，以牛顿计，所述元件的端子的机械强度降低至多20％。
7.根据权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述铝或铝合金处于固态时，步骤i)为步骤i-1)，在步骤i-1)期间，将液态的铜或铜合金浇铸在固态的铝或铝合金上，或者将固态的铝或铝合金浸入液态的铜或铜合金中。
8.根据权利要求1或2所述的元件，其特征在于，所述铝或铝合金处于液态时，步骤i)为步骤i-2)，在步骤i-2)期间，由液态的铜或铜合金预成型为铜或铜合金制成中空元件；然后将所述中空元件冷却；然后，使用液态的铝或铝合金填充所述中空元件；然后冷却所得组件。
9.一种电力线缆，其特征在于，所述电力线缆包括至少一个如权利要求1所述的细长导电元件和至少一个围绕所述细长导电元件的聚合物层。
10.根据权利要求9所述的电力线缆，其特征在于，所述聚合物层为电绝缘层。
11.根据权利要求9所述的电力线缆，其特征在于，所述聚合物层包含聚合物材料，该聚合物材料选自交联聚合物和非交联聚合物，以及无机类型和有机类型的聚合物。
12.根据权利要求9所述的电力线缆，其特征在于，所述聚合物层不包含卤代化合物，并且所述线缆为hffr线缆。
13.一种设备，其包括：
