ЖАРОСТОЙКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОВОДОВ
ALUMINIUM-BASED REFRACTORY ALLOY FOR ELECTRIC CONDUCTORS

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к сплавам на основе алюминия, предназначенным для изготовления электрических проводов, работающих при температурах 250-300°С, когда требуется сочетание достаточно высокой прочности при комнатной и повышенных температурах и низкого электросопротивления.
Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%: железо 0,0001-0,20%; кремний 0,0001-0,10%; цинк 0,0001-0,10%; медь 0,0001-0,10%; никель 0,0001-0,10%; по крайней мере один редкоземельный металл, выбранный из группы, содержащей иттрий, гадолиний, диспрозий, церий, лантан 0,0001-0,20%; алюминий - остальное (Авторское свидетельство СССР №453455 кл. С22С 21/00, 1973).
Указанный сплав при высокой электропроводности и технологичности при изготовлении проволоки интенсивно разупрочняется с повышением температуры и может работать только до 100-150°С.
Известен сплав на основе алюминия содержащий 0,2-5 мас.% редкоземельных металлов, предназначенный для проводников электрического тока (пат. Японии №23078, кл. 10D16, 1964). Однако он может быть использован для работы только при температуры до 150°С.
Наиболее близким к данному изобретению по совокупности признаков является сплав следующего состава, мас.%:
- по крайней мере один металл, выбранный из группы редкоземельных металлов 5-20;
- железо 0,15-0,7;
- окись алюминия 0,1-1,0;
- алюминий - остальное (Авторское свидетельство СССР №548173, кл. С22С 21/00, 1974).
Данный известный сплав имеет высокие прочностные свойства при температурах 250-300°С и низкое электросопротивление, что позволяет изготавливать из него проволоку для электротехнических целей. Однако, указанный сплав обладает низкой технологичностью и из него можно изготавливать проволоку только диаметром до 0,5 мм, что не покрывает всю номенклатуру проводов.
Поставленная задача состояла в разработке сплава на основе алюминия, который обладал бы повышенной технологичностью, позволяющей изготавливать проволоку для проводов диаметром до 0.05 мм, с достаточной прочностью при комнатной температуре при сохранении повышенной жаропрочности до 250-300°С и низким электросопротивлением.
Технический результат достигается тем, что сплав на основе алюминия, содержащий железо и по крайней мере один металл, выбранный из группы редкоземельных металлов, дополнительно содержит бериллий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- по крайней мере один металл, выбранный из группы редкоземельных металлов 2,5-4,5;
- железо 0,05-0,1;
- бериллий 0,05-0,1;
- алюминий - остальное.
Причем размер включений эвтектических интерметаллидов редкоземельных металлов в алюминии в предлагаемом сплаве меньше 1 мкм. Это обстоятельство позволяет значительно повысить технологичность сплава, что обуславливает возможность изготовления из сплава проволоки диаметром менее 0,5 мм.
При повышении температуры расплава известного сплава наблюдается резкое взаимодействие рекоземельных металлов с кислородом воздуха, металл как бы «кипит» и редкоземельные металлы практически полностью выгорают из расплава.
3
3
Для устранения этого в сплав вводят добавку бериллия, которая взаимодействует с редкоземельными металлами и связывает их в тройную фазу AlР3МВе, которая, находясь в расплаве, препятствует взаимодействию редкоземельных металлов с кислородом воздуха. Содержание бериллия определяется содержанием редкоземельных металлов в сплаве. При содержании редкоземельных металлов в сплаве 2,5-4,5%, содержание бериллия должно быть 0,05-0,1%, так чтобы весь редкоземельный металл был связан в расплаве в тройную фазу AlР3МВе.
Если бериллия в сплаве будет меньше, чем 0,05%, то часть редкоземельных металлов не будет связана в тройной фазе и редкоземельные металлы будут гореть.
Если бериллия в сплаве будет больше 0,1%, то избыточный бериллий при плавке будет выделяться в окружающую атмосферу, отравляя ее и обслуживающий персонал.
Алюминий марки А99 в виде чушек помещают в электрическую печь и перегревают до образования расплава. После очистки поверхности расплава, вводят лигатуры Al-Fe и Al-Be из расчета получения нужного состава сплава.
После выдержки и перемешивании расплава в него вводят РЗМ (лантан) в виде чушки так, что бы химический состав расплава соответствовал сплаву согласно изобретению. Расплав перемешивают, выдерживают 30 минут, с поверхности удаляют шлак и отливают непосредственно с температурой плавления в виде литой проволочной заготовки диаметром 3,0 мм. Для литья используется специальная установка.
Из предложенного сплава были отлиты ряд сплавов в виде литой проволочной заготовки следующего состава, мас.%:
1) - 2,5; 3,5 и 4,5% лантана,
- 0,05; 0,08 и 0,1% железа и 0,05,
- 0,08 и 0,1% бериллия,
- остальное - алюминий;
2) - 2,5; 3,5 и 4,5% церия,
- 0,05,0,08 и 0,1% железа,
- 0,05; 0,08 и 0,1% бериллия,
- остальное - алюминий;
3) - 2,5; 3,5 и 4,5% иттрия,
- 0,05; 0,08 и 0,1% железа,
- 0,05; 0,08 и 0,1% бериллия,
- остальное алюминий.
Полученную литую проволочную заготовку подвергают отжигу при температуре 400°С в течение не менее 30 минут и волочат на многократной волочильной машине до диаметра 0,6 мм. Данную проволоку после смягчающего 30 минутного отжига при температуре 400°С волочили на многократной машине до требуемого диаметра: 0,2 мм; 0,1 мм; 0,08 мм; 0,05 мм.
Аналогичная технология используется для изготовления проволоки предлагаемого сплава с другими редкоземельными металлами (Се, Pr и т.д.) и их смесями. Механические свойства проволоки у всех сплавов очень близки и соответствуют требованиям технических условий.
Анализ микроструктуры литой проволочной заготовки из всех сплавов показал, что размер эвтектических выделений редкоземельных металлов в алюминии во всех случаях составил менее 1 мкм. Проволочную заготовку подвергают волочению с промежуточными отжигами до диаметра 50 мкм.
Из изготовленной проволоки диаметром до 0,05 мм были изготовлены провода, которые полностью закрыли всю номенклатуру проводов, применяемых в электротехнике.
Состав образцов сплава и типичные механические свойства и электросопротивление проволоки диаметром 0.05 мм приведены в таблице.
Состав сплава и свойства полученной проволоки
Размер эвтектических включений
Диаметр проволоки, мм
Механические свойства
Электросопротивление, ρ, мк·Ом·см
Состав сплава
При 20°С
При 250°С
σ<sub>в</sub>
δ,
σ<sub>в</sub>
δ,
МПа
%
МПа
%
Алюминий,
10% лантана,
~10 мкм
⌀ 0,5 мм,
260
2,3
110
22
0,33
0,2% железа,
⌀ 0,05 мм
0,3% окиси алюминия - прототип
~10 мкм
получить не удалось
-
-
-
-
-
Алюминий,
2,5% лантана,
0,05% железа,
<1,0 мкм
⌀ 0,05 мм
255
2,8
105
28
0,3
0,05% берилия
Алюминий,
3,5% лантана,
0,08% железа,
<1,0 мкм
⌀ 0,05 мм
257
2,7
106
27
0,3
0,08% берилия
Алюминий,
4,5% лантана,
0,1% железа,
<1,0 мкм
⌀ 0,05 мм
253
2,8
107
26
0,3
0,1% берилия
Механические свойства проволоки диаметром до 0.05 мм легированной церием и иттрием аналогичны свойствам проволоки легированной лантаном.
Из анализа данных таблицы следует, что предложенный сплав более технологичен, чем известный сплав (прототип), и позволяет изготавливать проволоку диаметром до 0.05 мм, а по механическим свойствам при комнатной и повышенной (250°С) температурах не уступает известному, существенно превосходя последний по электросопротивлению.