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

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия при получении изделий электротехнического назначения, а именно для изготовления проводов, предназначенных для высоковольтных ЛЭП при эксплуатации в районах со сложными климатическими условиями и обладающих необходимым комплексом механических, электрических и технологических свойств.
В настоящее время в связи с изменением требований потребителей к механическим свойствам используемых в силовых кабелях и проводах токопроводящих жил по механическим свойствам, резко возрастает потребление электротехнической катанки из сплавов. Реализуемая на рынках катанка для производства проводов и кабелей из сплава марки ABE имеет в качестве легирующих добавок кремний и магний, которые увеличивают прочностные характеристики, но существенно снижают электрическую проводимость проводов. Новые алюминиевые сплавы должны при высокой механической прочности иметь удовлетворительные характеристики по электропроводности. Перспективы расширения рынка сбыта проводов с новыми свойствами, прежде всего в замене алюминиевых линий электропередач на изолированные провода или провода со специальными свойствами.
Известен проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия (см. патент США №4402763), который содержит цирконий в количестве 0,23-0,35%. Технология получения проволоки включает: плавку, получение литой заготовки, горячую прокатку литой заготовки, получение проволоки холодным волочением, старение проволоки в температурном интервале от 310°-390°C в течение 50-400 часов и последующую холодную деформационную обработку.
Основным недостатком известного термостойкого сплава является достаточно высокое удельное сопротивление.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому проводниковому термостойкому сплаву на основе алюминия является сплав (см. патент РФ №2441090, «Проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия», опубл. 27.01.2012), который содержит цирконий, кремний, железо, 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
Известный сплав характеризуется структурой, представляющей собой матрицу, образованную алюминиевым твердым раствором, в котором равномерно распределены наночастицы фазы AlZr с кубической решеткой L1, имеющие средний размер не более 20 нм, и равномерно распределенные в матрице железосодержащие частицы, имеющие средний размер не более 3 мкм. Материал может быть выполнен в виде проволоки или тонколистового проката.
К недостаткам можно отнести как высокую себестоимость, так и недостаточное сочетание прочности, термостойкости и электропроводности известного сплава, а наличие церия в известном сплаве влияет как на себестоимость, так и на его свойства.
Технической задачей изобретения является создание нового проводникового термостойкого сплава на основе алюминия с добавкой циркония, который обеспечивал бы улучшенное сочетание прочности, термостойкости и электропроводности, а также снижение себестоимости его производства.
Поставленная цель достигается тем, что в проводниковом термостойком сплаве на основе алюминия, который содержит цирконий, кремний, железо, при этом соотношение ингредиентов, мас.%:
Цирконий
0,19-0,24
Железо
0,17-0,21
Кремний
0,05-0,08
Алюминий и примеси
Остальное,
3
причем дисперсные частицы фазы AlZr в проводниковом термостойком сплаве равномерно распределены в алюминиевой матрице.
3
Технология изготовления проводникового термостойкого сплава на основе алюминия включает в себя: плавку, получение литой заготовки, горячую прокатку литой заготовки, термообработка катанки при температуре 400°C и последующее получение проволоки методом холодного волочения, при этом цель обработки состоит в формировании структуры, в которой дисперсные частицы фазы AlZr равномерно распределены в алюминиевой матрице.
Предлагаемое соотношение ингредиентов в предлагаемом сплаве приводит к оптимальным показателям по механической прочности и минимальному электросопротивлению. Снижение содержания циркония в количествах меньше 0,19% и железа меньше 0,17% приводит к снижению временного сопротивления по разрыву, а увеличение содержания циркония в количествах свыше 0,24% и железа свыше 0,21% приводит к увеличению удельного электросопротивления.
Указанные диапазоны содержания ингредиентов следует признать оптимальными. Именно в этих пределах достигается наилучшее качество проводникового термостойкого сплава на основе алюминия как с точки зрения физических свойств, так и с точки зрения их стабильности.
В качестве легирующего элемента, повышающего термостойкость алюминия, выбран цирконий. Выбор циркония обусловлен тем, что в мировой практике наиболее часто используются термостойкие сплавы, легированные цирконием. Было проведено 5 плавок с различным содержанием циркония и остальных компонентов. Эксперименты производились на линии непрерывного литья и проката «CONTINUUS-PROPERZI», позволяющей получить катанку с заданной формой поперечного сечения диаметром 9,5 мм. Экспериментальные данные содержания ингредиентов в проводниковом термостойком сплаве показаны в таблице №1.
Таблица №1
Химический состав экспериментальных сплавов
п/п № плавки
Содержание элементов, % масс.
Zr
Fe
Si
Al и примеси
1
0,12
0,15
0,06
остальное
2
0,13
0,15
0,06
остальное
3
0,15
0,15
0,07
остальное
4
0,21
0,17
0,07
остальное
5
0,23
0,18
0,06
остальное
Поэтому указанные количественные пределы ингредиентов по содержанию циркония, железа и кремния являются оптимальными и позволяют обеспечить сочетание высоких прочностных свойств и низкого электросопротивления, причем высокие прочностные свойства предлагаемого проводникового термостойкого сплава сохраняются и при повышенных температурах, что характеризует высокую термостойкость сплава.
Влияние содержания циркония, железа и кремния на электромеханические свойства катанки, изготовленной из предлагаемого проводникового термостойкого сплава, отображено в таблице №2.
Таблица №2
Свойство катанки из термостойкого сплава
п/п № плавки
Свойства экспериментальных сплавов
Режим термообработки, °C
Временное сопротивление разрыву, не менее 118 МПа
Относительное удлинение, не менее 8%
Удельное эл. сопротивление, не более 0,0287 Ом*мм<sup>2</sup>/м
1
123
11
0,0300
350
2
122
14
0,0301
380
3
116
16
0,0299
400
4
126
14
0,0284
400
5
124
19
0,0280
400
Результаты механических испытаний проволоки показывают, что заявляемый проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия обеспечивает требуемые значения прочности, пластичности и удельного электросопротивления в нагартованном состоянии и после испытания на потерю механической прочности при воздействии повышенных температур, согласно IEC 62004-2007.
Из 4 и 5 экспериментальных плавок проводникового термостойкого сплава были изготовлены по три образца проволоки, проведены испытания образцов проволоки до и после термообработки, свойства проволоки из термостойкого сплава приведены в таблице №3.
Таблица №3
Свойства проволоки из термостойкого сплава
п/п № плавки
№ образца проволоки
Свойства проволоки после волочения (диаметр проволоки 2,8 мм)
Свойства проволоки после испытания, согласно IEC 62004-2007
Удельное эл. сопротивление, не более 0,0287 Ом*мм<sup>2</sup>/м
Временное сопротивление разрыву, не менее 166 МПа
Относительное удлинение, не менее 1,6%
Удельное эл. сопротивление, не более 0,0287 Ом*мм<sup>2</sup>/м
Временное сопротивление разрыву, не менее 150 МПа
Относительное удлинение, не менее 1,6%
4
1
0,02830
178
2,5
0,02800
174
2,2
2
0,02840
181
3,0
0,02810
176
2,6
3
0,02850
185
2,4
0,02820
180
2,2
5
1
0,02870
181
2,0
0,02860
177
2,0
2
0,02871
180
2,2
0,02863
178
2,0
3
0,02870
179
2,2
0,02862
177
2,5
Использование предлагаемого проводникового термостойкого сплава позволит расширить рынок сбыта проводов с новыми свойствами и заменить алюминиевые провода линий электропередач на изолированные провода или провода со специальными свойствами.
Внедрение предлагаемого проводникового термостойкого сплава на основе алюминия в кабельную промышленность позволит создать провода, которые обеспечивают более высокую пропускную способность, обладают большей прочностью, более высокой температурной стойкостью и устойчивостью к провисанию по сравнению с алюминиевыми проводами.
Также имеется перспектива замены части медных силовых кабелей на кабели с использованием проводов из предлагаемого нового проводникового термостойкого сплава на основе алюминия, в связи с низкой стоимостью проводов из алюминиевых сплавов по сравнению с медными проводами.
В целом от использования предлагаемого проводникового термостойкого сплава на основе алюминия в производстве проводов позволит значительно повысить надежность электросетей, снизить стоимость их содержания и обслуживания.