АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ
ALUMINIUM ALLOY

Изобретение относится к металлургии алюминиевых сплавов и может быть использовано для изготовления катанки электротехнического назначения со специальными физическими свойствами, удовлетворяющей требованиям потребителей, и деформированных полуфабрикатов, используемых в строительстве, машиностроении и других областях народного хозяйства.
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 рынков сбыта проводов с новыми свойствами, прежде всего в замене алюминиевых линий электропередач, выработавших свой ресурс, переводе линий электропередач на изолированные провода или провода со специальными свойствами (стойкими к погодным условиям, обледенению, условиям высокой вибрации, высокой или низкой температуре). В связи с низкой стоимостью проводов из алюминиевых сплавов по сравнению с медными также имеется перспектива замены части медных силовых кабелей на кабели с использованием проводов из новых алюминиевых сплавов.
Для производства катанки из алюминиевых сплавов преимущественно используется энерго- и металлоемкое формообразующее оборудование: литейно-прокатные агрегаты и волочильные станы, гидравлические и механические прессы, нагревательные устройства. Технология получения готовых изделий, в особенности длинномерных (что характерно, например, для электротехнической и кабельной промышленностей), является многоцикловой и включает множество промежуточных технологических операций. Эти факторы приводят к высокой себестоимости продукции и, как следствие, к ее низкой конкурентоспособности. В мировой практике металлообработки в последнее время особую актуальность приобрели работы, направленные на создание интегрированных мини-производств с реализацией технологий производства изделий из цветных металлов и сплавов по схеме обработки в одной непрерывной линии расплав-кристаллизация-формоизменение. Снижение количества металлургических переделов, создание новых сплавов, имеющих высокий уровень механических и эксплуатационных свойств, а также технологий их совмещенной обработки является актуальным как с точки зрения снижения энергоемкости, так и ценовой конкуренции.
Известны сплавы систем А1-РЗМ, А1- переходные металлы, имеющие в этом отношении существенные резервы по прочностным свойствам. Так, например, для получения проволоки используется сплав 01417, содержащий редкоземельные металлы, такие как церий, лантан и празеодим в количестве от 7-9%, предназначенный для изготовления проводов для нужд авиационной и космической промышленности. Проведенные исследования показали, что временное сопротивление разрыву деформированных полуфабрикатов может достигать 250 МПа и более.
Известный сплав содержит, мас.%: алюминий 4-8, хром 16-24, кремний 0,05-1, марганец 0,001-0,5, иттрий 0,02-0,2, цирконий 0,1-0,3 или цирконий 0.1-0,3 и гафний 0,02-0,2, углерод 0,003-0,05, магний 0,0002-0,05, кальций 0,0002-0,05, азот макс.0,04, фосфор макс.0,04, серу макс.0,01 S, медь макс.0,5, железо и обычные, обусловленные плавкой примеси, остальное. Гафний может быть полностью или частично заменен одним или несколькими из элементов, выбранных из группы: скандий, титан, ванадий, ниобий, тантал или церий (патент РФ №2344192, м.кл., С22С 38/28, 2005).
Однако уровень механических свойств данных алюминиевых сплавов недостаточен для того, чтобы использовать эти материалы для изготовления из них конструкций и деталей, работающих в условиях значительного механического нагружения и, в особенности, высоких температур. Кроме того, конструкции и изделия из известных алюминиевых сплавов характеризуются невысокой и недостаточной электропроводностью.
В настоящее время известны алюминиевые сплавы, применяемые в качестве электропроводников. В проводниковых алюминиевых сплавах применяются преимущественно технический алюминий и низколегированные сплавы системы алюминий-магний-кремний-медь. Однако температурный уровень эксплуатации известных проводниковых алюминиевых сплавов обычно не превышает 100°С, что является недостаточным для использования этих материалов в изделиях, длительно работающих в условиях высоких температур.
В некоторых случаях в состав алюминиевых сплавов вводят железо, никель, кобальт, повышающие жаропрочность, и в то же время лишь умеренно понижающие электропроводность. Эти сплавы имеют высокие механические свойства. Однако во многих случаях требуется эксплуатация проводниковых алюминиевых сплавов при температурах свыше 250°С, что не позволяет использовать эти сплавы. Помимо этого, упомянутые алюминиевые сплавы характеризуются высоким электрическим сопротивлением 450-700 МОм·см и низкой прочностью сварных соединений. Коэффициент прочности сварных соединений - отношение пределов прочности металла шва и основного металла - составляет для упомянутых сплавов 0,65-0,7.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%: кремний 0,01-0,1, железо 0,08-0,20, цирконий 0,01-0,08, сумма примесей титана, хрома, ванадия и марганца 0-0,1, алюминий -остальное (CN 1428449 А, МПК С22С 21/00, 09.07.2003).
Задачами заявляемого изобретения являются создание нового электротехнического сплава на основе алюминия, имеющего при высокой механической прочности повышенные характеристики по электропроводности и стойкость при повышенных температурах, а также упрощение и удешевление процесса получения сплава.
Поставленные задачи достигаются тем, что алюминиевый сплав, содержащий цирконий, кремний, железо и сумму примесей титана, хрома, ванадия и марганца, согласно изобретению, содержит цирконий, кремний, железо, сумму примесей титана, хрома, ванадия, марганца до 0,015 мас.% при следующем соотношении компонентов, мас.%:
цирконий 0,10-0,19;
кремний 0,11-0,15;
железо 0,21-0,35;
алюминий - остальное.
В качестве легирующего элемента, повышающего термостойкость алюминия, выбран цирконий. Выбор циркония обусловлен тем, что в мировой практике наиболее часто используются термостойкие сплавы, легированные цирконием.
Отличительным признаком заявляемого сплава является содержание циркония и железа в концентрациях 0,10-0,19 мас.% и 0,21-0,35 мас.% соответственно и кремния в количестве 0,11- 0,15 мас.%. Такое количество приводит к оптимальным показателям по механической прочности сплава и минимальному электросопротивлению при высокой термостойкости. Снижение содержания циркония в количествах меньше 0,10 мас.% и железа меньше 0,21 мас.% приводит к снижению временного сопротивления разрыву. Увеличение содержания циркония в количествах выше 0,19 мас.% и железа выше 0,35 мас.% приводит к увеличению удельного электросопротивления. Поэтому указанные количественные пределы по содержанию циркония и железа являются оптимальными для сочетания высоких прочностных свойств и низкого электросопротивления. При этом высокие прочностные свойства за счет введения железа в указанных количествах сохраняются и при повышенных температурах, что характеризует высокую термостойкость сплава. Увеличение кремния в сплаве в количествах больше 0,15 мас.% приводит к увеличению электросопротивления, а уменьшение его количества ниже 0,11 мас.% ведет к значительному удорожанию сплава, так как он по химическому составу приближается к маркам технического алюминия типа А7Е и др.
В последние 15-20 лет защищенные провода из сплавов 6101 и 6201, обладающие повышенными прочностными свойствами, постепенно вытесняли голые провода из чистого алюминия, что позволяет наносить на такие провода изоляцию, что, в свою очередь, приводит к уменьшению габаритов и облегчению конструкций опор. Использование заявляемого сплава не менее прочного, но с более низким электросопротивлением, наряду с уменьшением энергетических потерь в проводах, позволит прокладывать трассы внутри населенных пунктов, в том числе по опорам освещения, сокращать ширину просек в лесных массивах.
Прочность провода позволит, например, удерживать без обрыва провода упавший стволу дерева или вышедшую из строя покосившуюся опору, что сокращает число отключений, а также позволит организовать ремонты линии электропередач в удобное время. Использование упрочненных проводов повышает перегрузочную и пропускную способность линии, увеличивает предельное расстояние между опорами при устройстве линий электропередач, что важно при преодолении природных преград.
Оценка потребности в упрочненных проводах для линий электропередач 6-10 кВ в России показывает, что объем проволоки из предлагаемых сплавов для этих целей должен возрасти в ближайшие годы и достичь 8-10 тыс. т.
Важной областью потребления проволоки из алюминиевых сплавов для проводов повышенной прочности являются проводники для сетей внутри зданий и сооружений. В США для этих целей применяют провода из малолегированных сплавов 8ххх серии. Нагартованная проволока из этих сплавов может иметь значения временного сопротивления разрыву до 110-155 МПа. Использование проволоки из заявляемого малолегированного сплава, полученной совмещенным методом литья-прокатки-прессования, обеспечит более высокие прочностные характеристики, что позволит ее широко использовать для внутрисетевых проводок в зданиях взамен медных проводов, которые в последнее время все более широко используются в строительстве. Только для этих целей в России рынок этих проводов, рассчитанный по нормам 70-х годов, составляет 50 тыс. км или 2 тыс. т в год. Если учесть, что новые нормы предполагают увеличение подаваемой в жилище мощности, и, соответственно, сечения провода в 1,5-2,0 раза, потребность в проволоке только для этих целей может достигнуть 3-4 тыс. т.
При производстве заявленного сплава не требуются ни дорогостоящие компоненты, ни применение сложных технологий, что делает получение сплава простым и экономически целесообразным.
Примеры наилучшей реализации изобретения.
Было разработано несколько типов сплавов с различным содержанием циркония и остальных компонентов. Эксперименты производились на литейно-прокатном агрегате, позволяющем получить катанку с заданной формой поперечного сечения в одной непрерывной линии совмещенной обработки при производстве катанки диаметром 9,5 мм.
Термостойкость катанки определяли при температуре 150°С в соответствии с требованиями IEC 62004. Остальные испытания проводили в соответствии с ГОСТ 20967.
Влияние содержания циркония, железа и кремния на термостойкость сплавов и механические характеристики сплава приведены в таблице.
Сплав
Содержание, %
Термостойкость при 150°С
Временное сопротивление разрыву, МПа
Удельное электрическое сопротивление при 20°С Ом·мм<sup>2</sup>/м.
Zr
Fe
Si
1
0,05
0,1
0,16
неудовлетвор.
90-110
0,0285
2
0,10
0,15
0,11
удовлетвор.
110-120
0,0285
3
0,20
0,2
0,11
удовлетвор.
140-150
0,0290
4
0,3
0,3
0,11
хорошие
150-160
0,0295
5
0,4
0,4
0,11
хорошие
160-180
0,0295
6
0,55
0,4
0,11
хорошие
180-200
0,0231
7
0,6
0,5
0,10
хорошие
190-210
0,0233
8
0,10
0,21
0,11
высокая
130-140
0,0285
9
0,15
0,30
0,12
высокая
140-150
0,0290
10
0,19
0,35
0,15
высокая
150-160
0,0295
Из таблицы видно, что заявленные концентрации циркония, железа и кремния обеспечивают высокую термостойкость и прочностные характеристики при низких показателях удельного электросопротивления.
Экономические расчеты для получения прутка диаметром 15 мм из алюминия АД1 показали, что значительное снижение затрат на тонну готовой продукции по сравнению с традиционной схемой прессования происходит за счет уменьшения расхода электроэнергии, расхода металла, смазки и стоимости оборудования.
Использование упрочненных проводов с минимальными значениями удельного электросопротивления является важнейшим фактором энергосбережения также и в других областях использования предлагаемого материала.
Таким образом, использование заявляемого сплава предоставляет возможность энергосбережения за счет уменьшения затрат не только на эксплуатационных потерях электроэнергии (при применении проводов с удельным электросопротивлением на уровне проводов из алюминия), но также за счет уменьшения ремонтных затрат при обрывах линий электропередач.