АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ALUMINUM ALLOY FOR ELECTRICAL PURPOSES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области металлургии проводниковых алюминиевых сплавов и может быть использовано для изготовления изделий электротехнического назначения, в частности гибких кабелей или экранов силовых кабелей.
Уровень техники
Известны марки алюминия и алюминиевых сплавов, широко применяемых при производстве изделий электротехнического назначения. В частности, технически чистый алюминий марки А5Е и А7Е с содержанием алюминия 99,5 и 99,7 мас. % соответственно используется для изготовления токопроводящих жил кабелей и проводов ЛЭП. Проводниковый алюминий марок А5Е и А7Е имеет достаточно высокие значения электропроводности, средний уровень механической прочности и хорошую коррозионную стойкость. В кабельной промышленности используется также алюминиевый сплав марки ABE системы Al-Si-Mg, который имеет повышенную механическую прочность, но по сравнению с алюминием марок А5Е и А7Е, значительно более низкую электропроводность и плохую коррозионную стойкость.
Общим недостатком алюминия марки А5Е, А7Е и алюминиевого сплава ABE является их низкая термическая стабильность из-за сильного разупрочнения при нагревах свыше 100°C. Свойства сплава ABE сильно изменяются при нагревах, и он не технологичен при волочении проволок диаметром менее 1,0 мм. Существенного повышения термической стабильности проводниковых алюминиевых сплавов можно добиться за счет введения переходных металлов, в первую очередь, повышая содержание железа и добавляя в сплавы цирконий. Известны проводниковые алюминиевые сплавы, содержащие цирконий и редкоземельные металлы с высоким уровнем прочностных характеристик, в том числе при повышенных температурах (патент РФ № 2441090, С22С21/00, опубл. 27.01.2012 г. и патент РФ №2659546, С22С21/00, С22F1/04, опубл. 02.07.2018 г.). Однако все эти сплавы обладают низкой технологичностью при получении проволок диаметрам менее 1,0 мм.
Известен алюминиевый сплав (патент РФ № 2636548, С22С21/00, опубл. 23.11.2017 г.), содержащий, мас. %: цирконий 0,2-0,32; железо 0,15-0,42; кремний 0,02-0,1; титан, хром, ванадий, марганца в сумме 0,01-0,04; магний, медь, цинк в сумме 0,01-0,07; никель 0,005-0,1; бор 0,001-0,01; 0,005-0,2 одного из редких или редкоземельных металлов из группы, включающей ниобий, церий, иттрий, скандий, алюминий – остальное. Основной недостаток этого сплава – низкая технологичность сплава при волочении тонких проволок и высокое удельное электрическое сопротивление, что требует использования продолжительных выдержек при термической обработке.
Наиболее близким к предложенному изобретению является сплав типа 8176 по ГОСТ Р 58019-2017. Сплав 8176 в качестве легирующего элемента содержит железо в диапазоне 0,40-0,50 масс.%, а остальное алюминий и неизбежные примеси. Основной недостаток этого сплава – низкая технологичность сплава при волочении проволок диаметрами менее 1,0 мм.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение технологичности катанки из сплава при волочении в проволоку малых диаметров, а также расширение арсенала проводниковых алюминиевых сплавов системы Al-Fe с добавкой циркония и кремния, обладающих высокой электропроводностью, коррозионной стойкостью и прочностью, в том числе после высокотемпературных нагревов.
Технический результат изобретения заключается в реализации поставленной задачи.
Технический результат достигается за счет того, что в проводниковом алюминиевом сплаве, включающем железо, цирконий и кремний, новым является то, что сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %:
железо 0,40-0,60
цирконий 0,05-0,10
кремний до 0,07
по меньшей мере один примесный элемент, выбранный из группы титан, хром, ванадий, марганец  до 0,015
алюминий и неизбежные примеси остальное,
при этом сплав имеет структуру, состоящую из алюминиевой матрицы и вторичных выделений и эвтектической фазы, причем алюминиевая матрица содержит кремний и цирконий, а эвтектическая фаза – по меньшей мере один элемент из группы, содержащей  кремний и железо, со средним поперечным размером не более 3 мкм.
В частных исполнениях:
3
2
не менее 30 % от общего количества циркония в сплаве представлено в виде вторичных выделений фазы AlZr с решеткой типа L1 с размером не более 20 нм.
8
2
6
железо перераспределяется между, по меньшей мере, одной эвтектической фазой типа AlFeSi и/или AlFe.
Технический результат достигается также за счет того, что изделие изготовлено из указанного алюминиевого сплава.
В частных исполнениях:
изделие изготовлено в виде катанки или проволоки диаметром менее 1,0 мм.
Краткое описание чертежей
8
2
На фиг. 1 показана типичная микроструктура катанки и характерный вид железосодержащих фаз типа AlFeSi.
3
2
На фиг. 2 показан характерный вид включений AlZr типа L1 в микроструктуре катанки.
Сущность изобретения
8
2
6
Железо (в диапазоне 0,40-0,60 масс.%) в присутствии кремния (до 0,07 масс.%) необходимы для обеспечения в структуре эвтектических фаз в виде компактных частиц, преимущественно фазы AlFeSi и/или AlFe. Наличие эвтектических фаз благоприятно сказывается на технологичности при литье заготовки при производстве катанки и волочении в проволоку малых диаметров. При этом высокая объемная доля эвтектических фаз и их малый размер (не более 3 мкм в поперечном направлении) повышает прочностные свойства и термостойкость алюминиевого сплава и снижает его ползучесть. Избыток железа (>0,60 масс.%) приводит к снижению коррозионной стойкости и электропроводности, а его недостаток (<0,40 масс.%) - к снижению прочности и технологичности. Избыток кремния выше 0,07 масс.% будет снижать проводимость. При этом избыток железа увеличивает склонность к формированию ликватов, что может приводить к увеличению максимального поперечного размера эвтектических фаз, содержащих, по меньшей мере, один элемент из группы кремний и железо и как следствие ухудшение технологичности при волочении.
3
3
2
Выбор циркония обусловлен его значимым влиянием на термостойкость алюминиевых сплавов, сравнительно доступной стоимостью. Добавки циркония в алюминиевые сплавы обеспечивают образование вторичных выделений фазы AlZr. Наличие вторичных выделений фазы AlZr с решеткой типа L1 и размером не более 20 нм благоприятно сказывается на повышении термостойкости, повышении прочностных характеристик, за счет повышения стойкости к процессам возврата и рекристаллизации, снижается ползучесть, уменьшаются окислительные процессы (коррозия) под действием электрического тока высокого напряжения. Избыток циркония (>0,10 масс. %) приводит к снижению относительного удлинения и электропроводности сплава, а его недостаток (<0,05 масс. %) к снижению термостойкости и прочности.
Содержание железа и циркония в заявленных пределах в сочетании с требуемой структурой позволяет обеспечить достаточную термостойкость сплава до 150 °C.
Сумма тяжелых металлов: титан, хром, ванадий и марганец должны находиться в типичных пределах для электротехнических материалов и не превышать 0,015 масс.%. Избыток суммы тяжелых металлов (> 0,015 масс. %) приводит к снижению электропроводности сплава.
Исходной заготовкой для получения проволоки из алюминиевого сплава является катанка диаметром 8-16 мм, получаемая либо на прокатном стане, либо из расплавленного металла совмещенными методом непрерывного литья и прокатки-прессования, либо  совмещенными способами из твердой заготовки по схеме прокатка-прессование, либо с использованием любых других установок, работающих по схемам с интенсивной пластической деформацией.
Примеры реализации изобретения
Для определения оптимального химического состава было приготовлено несколько вариантов алюминиевого сплава с разным содержанием железа, циркония и кремния. Химический состав масс. % приведен в таблице 1. На участке между миксером и кристаллизатором в раздаточный желоб для измельчения структуры литой заготовки подавали лигатурный пруток марки Al-5%Ti-1%B.
Таблица 1.
Варианты сплава
Основные компоненты
Примеси
Прочие примеси
Fe
Zr
Si
Сумма Ti, V, Cr, Mn
каждый
сумма
1
0,35
0,03
0,10
0,013
0,02
0,15
2
0,40
0,10
0,07
0,013
0,02
0,15
3
0,50
0,08
0,05
0,014
0,02
0,15
4
0,60
0,05
0,01
0,015
0,02
0,15
5
0,65
0,12
0,05
0,016
0,02
0,15
Из разных вариантов химического состава сплава (табл.1) была изготовлена катанка на прокатном стане, представляющем собой одну непрерывную линию, на входе в которую подается годный по химическому составу жидкий расплав, на выходе получается катанка диаметром 9,5 мм, упакованная в бухты весом до 2 тонн. Параметры структуры катанки приведены в таблице 2
Таблица 2
Варианты сплава
Максимальный поперечный размер эвтектических фаз, мкм
Эвтектические фазы
Размер вторичных выделений Al<sub>3</sub>Zr L1<sub>2</sub>
Доля циркония*, %
1
2,1
Al<sub>8</sub>Fe<sub>2</sub>Si и Al<sub>6</sub>Fe
-
0
2
2,2
Al<sub>8</sub>Fe<sub>2</sub>Si и Al<sub>6</sub>Fe
16
39
3
2,4
Al<sub>8</sub>Fe<sub>2</sub>Si и Al<sub>6</sub>Fe
19
33
4
3,0
Al<sub>6</sub>Fe
20
30
5
4,1
Al<sub>8</sub>Fe<sub>2</sub>Si и Al<sub>6</sub>Fe
30
21
3
*- доля от общего количества циркония в сплаве, представленного в виде вторичных выделений фазы AlZr
Для повышения технологичности при волочении бухты катанки отжигали в электрических печах садочного типа по специальным режимам. В таблице 3 приведены физико-механические свойства катанки, полученной из сплавов с различными химическими составами.
Таблица 3
Варианты сплава
Вид полуфабриката
Временное сопротивление разрыву, МПа
Относительное удлинение, %
Удельное  электрическое сопротивление, Ом*мм<sup>2</sup>/м
Термостойкость при 150°С
Технологичность при волочении на проволоку Ø 0,6 мм
1
катанка Ø 9,5 мм
66,0
44,0
0,0280
неудовлетворительная
неудовлетворительная
2
катанка Ø 9,5 мм
81
34,0
0,0286
хорошая
хорошая
3
катанка Ø 9,5 мм
82
34,0
0,0286
хорошая
хорошая
4
катанка Ø 9,5 мм
84
33,0
0,0284
хорошая
хорошая
5
катанка Ø 9,5 мм
102
12,0
0,0290
неудовлетворительная
неудовлетворительная
Временное сопротивление разрыву и относительное удлинение катанки определяли по ГОСТ 1497-84. Удельное электрическое сопротивление катанки (обратная величина электропроводности) определяли по ГОСТ 7229-76. Термостойкость катанки определяли при температуре 150 °C в соответствии с требованиями IEC 62004. Технологичность катанки определяли при волочении проволоки на диаметр 0,6 мм. Для оценки коррозионностойкости образцов проволоки, полученной из катанки, использовали камеру с нейтральным солевым раствором, где проводили испытания в соответствие с ГОСТ 30630.2.5-2013. Результаты физико-механических свойств проволок, полученных из катанки с различными вариантами химического состава, приведены в таблице 4.
Таблица 4
Варианты сплава
Вид полуфабриката
Временное сопротивление разрыву, МПа
Относительное удлинение, %
Удельное  электрическое сопротивление, Ом*мм<sup>2</sup>/м
Коррозионная стойкость
1
проволока Ø 0,6 мм
144
8,0
0,0284
неудовлетворительная
2
проволока Ø 0,6 мм
168
6,0
0,0289
хорошая
3
проволока Ø 0,6 мм
166
6,0
0,0289
хорошая
4
проволока Ø 0,6 мм
170
5,0
0,0288
хорошая
5
проволока Ø 0,6 мм
181
1,0
0,0298
неудовлетворительная
Из полученных результатов следует, что только составы сплава 2-4 удовлетворяют требованиям по технологичности и удельному сопротивлению. Состав сплава 1 содержит низкую концентрацию циркония, что не позволило сформировать в структуре требуемое количество вторичных частиц для обеспечения требуемой термостойкости. Сплав состава 5 показал низкую технологичность ввиду большого количества грубых частиц с поперечным размером более 3 мкм, при этом размер частиц превышал 20 нм, что не позволило обеспечить требуемую термостойкость.
Предложенный сплав позволяет изготавливать из него токопроводящие жилы проводов и экраны силовых кабелей предпочтительно диаметром менее 1,0 мм. Кроме этого способность сплава к обработке волочением расширяет возможности изготовления из него деформируемых изделий различного диаметра с высокими коэффициентами использования материала и низкой себестоимостью.