ПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕРМОСТОЙКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
ALUMINIUM-BASED HEAT-RESISTANT CONDUCTING ALLOY

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий электротехнического назначения, в частности проводов высоковольтных ЛЭП, предназначенных для эксплуатации в районах со сложными климатическими условиями и обладающих необходимым комплексом механических, электрических и технологических свойств, в том числе после нагревов до 300°С.
в
0,2
Алюминий, обладая высокой электропроводностью, малой плотностью и хорошей коррозионной стойкостью, широко применяется в изделиях электролитического назначения. В частности, алюминиевая проволока используется для изготовления проводов высоковольтных воздушных ЛЭП. Поскольку добавление других элементов в той или иной степени снижает электропроводность, то проволоку делают из технического алюминия (А5Е или А7Е) или из низколегированных сплавов системы Al-Si-Mg, в частности, марки ABE. Проволока из технического алюминия в нагартованном состоянии обеспечивает удачное сочетание прочности (временного сопротивления - σ и предела текучести σ) и удельного электросопротивления (ρ). У сплавов типа ABE более высокая прочность, но худшая электропроводность. Недостатком нелегированного алюминия типа А5Е и сплавов типа ABE является низкая термическая стабильность, т.к. они сильно разупрочняются при нагревах свыше ~200°С.
Существенного повышения термической стабильности алюминиевых сплавов, предназначенных для электротехнического применения (в частности, алюминиевой проволоки), можно добиться за счет введения добавки циркония.
3
Наиболее близким сплавом к предложенному является проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия (High conductive heat-resistant aluminum alloy), раскрытый в патенте US 4402763. Этот сплав содержит цирконий в количестве 0,23-0,35%, а технология получения из него проволоки включает: плавку, получение литой заготовки (cast bar), горячую прокатку литой заготовки, получение проволоки холодным волочением, старение проволоки в температурном интервале от 310° до -390°С в течение 50-400 часов и последующую холодную деформационную обработку со степенью обжатия не более 30%. Цель обработки состоит в формировании структуры, в которой дисперсные частицы фазы AlZr равномерно распределены в алюминиевой матрице. В результате достигается проводимость не ниже 58% IACS, прочность не ниже, чем у нелегированного алюминия марки АА1350 (в виде проволоки).
-9
Недостатком данного сплава является высокое удельное электросопротивление (электропроводимость 58% IACS соответствует 29,3·10 Ом·м).
Задачей изобретения является создание нового проводникового термостойкого сплава на основе алюминия с добавкой циркония, который обеспечивал бы улучшенное сочетание прочности, термостойкости и электропроводности:
- в виде проволоки:
в
0,2
1) механические свойства после 100-часового нагрева при 300°С: временное сопротивление разрыву (σ) не ниже 150 МПа, предел текучести (σ) не ниже 120 МПа, относительное удлинение (δ) не ниже 10%;
-9
2) удельное электрическое сопротивление (ρ) не выше 29·10 Ом·м, в том числе после 100-часового нагрева при 300°С;
- в виде тонколистового проката:
в
0,2
1) механические свойства после 100-часового нагрева при 300°С: временное сопротивление разрыву (σ) не ниже 140 МПа, предел текучести (σ) не ниже 110 МПа, относительное удлинение (δ) не ниже 10%;
-9
2) удельное электрическое сопротивление (ρ) не выше 29·10 Ом·м, в том числе после 100-часового нагрева при 300°С.
Поставленная задача решена тем, что проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия, содержащий цирконий и кремний, отличается тем, что он дополнительно содержит железо и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Цирконий
0,3-0,7
Железо
0,1-0,6
Кремний
0,04-0,2
Церий
0,005-0,2
алюминий и примеси
остальное
3
2
и характеризуется структурой, представляющей собой матрицу, образованную алюминиевым твердым раствором, в котором равномерно распределены наночастицы фазы AlZr с кубической решеткой Ll, имеющие средний размер не более 20 нм (фигура 1), и равномерно распределенные в матрице железосодержащие частицы, имеющие средний размер не более 3 мкм (фигура 2).
Материал может быть выполнен в виде проволоки или тонколистового проката.
в
0,2
Сплав в виде проволоки обладает следующими свойствами на растяжение при комнатной температуре: временное сопротивление (σ) - не менее 160 МПа, предел текучести (σ) - не менее 130 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%.
в
0,2
Сплав в виде тонколистового проката обладает следующими свойствами на растяжение при комнатной температуре: временное сопротивление (σ) - не менее 150 МПа, предел текучести (σ) - не менее 130 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%.
в
0,2
Сплав в виде проволоки после 100-часового нагрева при 300°С при комнатной температуре обладает следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σ) - не менее 150 МПа, предел текучести (σ) - не менее 120 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 10%.
в
0,2
Сплав в виде тонколистового проката после 100-часового нагрева при 300°С при комнатной температуре обладает следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σ) - не менее 140 МПа, предел текучести (σ) - не менее 110 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 10%.
-9
Удельное электросопротивление сплава (ρ) в виде проволоки и тонколистового проката при комнатной температуре не превышает 29·10 Ом·м.
3
8
2
8
2
Сущность изобретения состоит в следующем. Наличие циркония в заявленных пределах позволяет обеспечить наилучшее сочетание механических свойств, электросопротивления и термостойкости за счет вторичных выделений (дисперсоидов) фазы AlZr (фигура 1). Избыток циркония (>0,7%) приводит к снижению пластичности и росту электросопротивления, а его недостаток (<0,3%) - к снижению прочности. Наличие железа в заявленных пределах позволяет обеспечить необходимое количество компактных частиц, преимущественно фазы AlFeSi (фигура.2), что благоприятно сказывается на прочности и технологичности при литье и волочении. Избыток железа (>0,6%) приводит к снижению пластичности, а его недостаток (<0,3%) - снижению прочности и технологичности. Наличие кремния в заявленных пределах и при оптимальном соотношении с другими элементами позволяет обеспечить связывание железа в фазу AlFeSi. Избыток кремния (>0,2%) приводит к росту электросопротивления и снижению термостойкости, а его недостаток (<0,04%) - к снижению прочности. Наличие церия в заявленных пределах и при оптимальном соотношении с другими элементами позволяет обеспечить минимальную концентрацию кремния в алюминиевом твердом растворе, что благоприятно сказывает на электропроводности. Избыток церия (>0,2%) приводит к снижению пластичности, а его недостаток (<0,005%) - к снижению электропроводности.
ПРИМЕР 1
Были приготовлены слитки 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марки А99 (99,99%), кремния марки Кр00 (99,0%), церия (99,0%) и лигатур, содержащих железо и цирконий. Из сплавов были получены цилиндрические слитки диаметром 44 мм. Температура расплава в процессе приготовления составляла 900°С, при литье - 870°С. Из слитков прокаткой были получены прутковые заготовки. Далее прутковые заготовки отжигали, после чего проводили холодное волочение до диаметра 3 мм. Полученную проволоку отжигали по режиму 300°С, 100 ч.
Таблица 1
Составы экспериментальных сплавов
№
Концентрации, % по массе
Zr
Fe
Si
Се
Al
1
0,2
0,05
0,01
0,001
Основа
2
0,3
0,1
0,06
0,005
Основа
3
0,5
0,4
0,1
0,01
Основа
4
0,7
0,6
0,2
0,2
Основа
5
0,8
0,8
0,3
0,3
Основа
6
0,3
<0,01
<0,01
0
Основа
Таблица 2
Свойства экспериментальных сплавов (проволока, диаметр 3 мм)
№
Исходные свойства
После 100-часового нагрева при 300°С
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
ρ, 10<sup>-9</sup> Ом·м
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
ρ, 10<sup>-9</sup> Ом·м
1
160
150
7
29,2
115
105
16
28,5
2
165
155
6
28,8
155
130
12
28,6
3
190
180
5
29,0
170
155
11
28,9
4
210
195
5
29,0
180
165
10
28,9
5
165
155
4
29,5
140
115
7
29,2
6
165
150
7
29,6
150
135
14
29,3
в
0,2
Результаты механических испытаний проволоки отражены в табл.2, из которой видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает требуемые значения прочности, пластичности и удельного электросопротивления в нагартованном состоянии и после 100-часового нагрева при 300°С. В сплаве 1 значения σ и σ ниже требуемого уровня после 100-часового нагрева при 300°С. В сплаве составов 5, 6 значение ρ выше требуемого уровня в нагартованном состоянии.
ПРИМЕР 2
Были приготовлены слитки 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марки А99 (99,99%), кремния марки Кр00 (99,0%), церия (99,0%) и лигатур, содержащих железо и цирконий. Из сплавов были получены плоские слитки с сечением 15×60 мм. Температура расплава в процессе приготовления составляла 900°С, при литье - 870°С. Из слитков прокаткой были получены листы. Далее листы отжигали и после этого проводили дальнейшую прокатку до толщины листа 0,7 мм. Отжиг листов проводили по режиму 300°С, 100 ч.
Таблица 3
Свойства экспериментальных сплавов (лист толщиной 0,7 мм)
№
Исходные свойства
После 100-часового нагрева при 300°С
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
ρ, 10<sup>-9</sup> Ом·м
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
ρ, 10<sup>-9</sup> Ом·м
1
145
140
6
29,4
95
60
16
28,5
2
160
155
5
28,9
145
130
14
28,6
3
180
170
4
29,0
160
140
12
28,9
4
200
185
4
29,0
175
150
11
28,9
5
160
150
2
29,5
120
100
4
29,2
6
160
145
4
29,6
135
125
11
29,3
в
0,2
Результаты механических испытаний листов отражены в табл.2, из которой видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает требуемые значения прочности, пластичности и удельного электросопротивления в нагартованном состоянии и после 100-часового нагрева при 300°С. В сплаве 1 значения σ и σ ниже требуемого уровня после 100-часового нагрева при 300°С. В сплаве составов 5 и 6 значение ρ выше требуемого уровня в нагартованном состоянии.