Термостойкий электропроводный алюминиевый сплав (варианты)
HEAT-RESISTANT ELECTRICALLY CONDUCTIVE ALUMINIUM ALLOY (OPTIONS)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении изделий электротехнического назначения при производстве кабельно-проводниковой продукции для электропроводки зданий и сооружений.
Известны промышленные алюминиевые сплавы А5Е, А7Е (ГОСТ 11069-2001), ABE (ГОСТ 20967-75) и один из американских аналогов сплав 1350, которые широко применяют при производстве изделий электротехнического назначения. Например, технически чистый алюминий марок А5Е (аналог сплав 1350) и А7Е используют для изготовления токопроводящих кабелей и проводов линий электропередач. Эти сплавы имеют высокую электропроводность и коррозионную стойкость. Сплав ABE, дополнительно легированный магнием для упрочнения закалкой и старением, имеет более высокую прочность.
Недостатками описанных выше сплавов является недостаточная прочность, особенно при повышенных температурах, высокая склонность к разупрочнению при нагревах свыше 100°С.
Известен сплав Al-0.35Sc-0.2Zr (A high-strength, ductile Al-0.35Sc-0.2Zr alloy with good electrical conductivity strengthened by coherent nanosized-precipitates. J. Mater. Sci. Technol. 33 (2017) 215-223), который имеет высокий предел прочности 210 МПа при удлинении 7,6% и электропроводности 60,2%IACS.
Недостатком данного сплава является очень высокое содержание скандия и относительно невысокая пластичность.
Известен алюминиевый сплав следующего состава в мас. %: по крайней мере один легирующий компонент, выбранный из группы La, Се, Nd, Pr 7,0-9,0, железо 0,05-0,1, кремний 0,05-0,1, алюминий - остальное (RU 2616316, опубл. 14.04.2017) с ультрамелкозернистой структурой и высокой прочностью.
Недостатком этого сплава является очень высокое содержание дорогостоящих металлов и низкая электропроводность не более 52,6%IACS.
Известен термостойкий сплав на основе алюминия (ЕР 0787811, опубл. 06.08.1997), содержащий в мас. %: Zr 0,28-0,50, Si 0,16-0,30, Cu 0,1-0,4, Mn 0,15-0,80, сочетающий неплохую прочность и электропроводность (270 МПа и 55%IACS).
Недостатком является очень высокая склонность к разупрочнению при температурах выше 150°С.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является сплав состава в мас. %: цирконий 0,2-0,32; железо 0,15-0,42; кремний 0,02-0,1; титан, хром, ванадий, марганец в сумме 0,01-0,04; магний, медь, цинк в сумме 0,01-0,07; бор 0,001-0,01; один из редких или редкоземельных металлов из группы: ниобий, церий, иттрий, скандий 0,005-0,2; алюминий -остальное (RU 2639284, опубл. 20.12.2017), имеющий неплохую электропроводность (не менее 58,5%IACS).
Недостатком является весьма небольшая прочность до 160 МПа.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности и электропроводности сплава до предела прочности не менее 140 МПа при электропроводности не менее 60%IACS и предел прочности не менее 220 МПа при электропроводности не менее 54%IACS, а также значительное повышение термической стабильности вплоть до 300°С.
Указанный технический результат достигается в первом варианте изобретения за счет того, что в термостойком электропроводном алюминиевом сплаве, содержащем легирующие элементы, последние состоят из скандия и иттрия при следующем компонентом составе, масс. %:
скандий
0,05-0,2
иттрий
0,18-0,2
остальное
алюминий,
3
3
при этом структура сплавов состоит из эвтектических частиц фазы AlY, размером до 200 нм и дисперсоидов фазы Al(Y,Sc), размером до 10 нм.
Указанный технический результат достигается во втором варианте изобретения за счет того, что в термостойком электропроводном алюминиевом сплаве, содержащем легирующие элементы, последние состоят из скандия, иттрия и иттербия при следующем компонентом составе, масс. %:
скандий
0,18-0,22
иттрий
0,18-0,22
иттербий
0,28-0,32
остальное
алюминий,
3
3
при этом структура сплавов состоит из эвтектических частиц фазы Al(Y,Yb) размером до 200 нм и дисперсоидов фазы Al(Y,Yb,Sc), размером до 10 нм.
Указанный технический результат достигается в третьем варианте изобретения за счет того, что в термостойком электропроводном алюминиевом сплаве, содержащем легирующие элементы, последние состоят из скандия, эрбия и иттербия при следующем компонентом составе, масс. %:
скандий
0,05-0,2
эрбий
0,25-0,32
иттербий
0,25-0,35
остальное
алюминий,
3
3
при этом структура сплавов состоит из эвтектических частиц фазы Al(Er,Yb) размером до 200 нм и дисперсоидов фазы Al(Er,Yb,Sc), размером до 10 нм.
Изобретение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 представлена микроструктура слитка сплава AlErYbSc и распределение элементов между фазами (растровая и просвечивающая электронная микроскопия)
на фиг. 2 представлены кинетические кривые твердости слитков сплавов в процессе отжига: а - AlYSc02, б - AlYScYb, в - AlErYbSc.
на фиг. 3 представлена тонкая структура сплава AlErYbSc после отжига при 300°С в течение 1 часа.
Осуществление изобретения состоит в следующем.
Для достижения поставленной задачи предлагается следующая технология получения сплава: в расплав алюминия марки А99 при температуре 750-800°С вводятся последовательно легирующие элементы в виде лигатур Al-Sc, Al-Y, Al-Er, Al-Yb. После введения легирующих элементов расплав перемешивают и заливают при температуре 750-800°С.
Отжиг слитков проводят при температурах 300-370°С в течение 1-8 часов. Далее следует обработка давлением и последующий отжиг. Обработка давление включает горячую прокатку при температурах 300-370°С (степень обжатия 50%) и последующую холодную прокатку (общая степень обжатия до 95%). Отжиг после прокатки проводят при температуре 300°С в течение 1-100 часов.
Исследование структуры сплавов проводили с использованием светового, растрового и просвечивающего электронного микроскопов. Оценку механических свойств проводили по результатам измерения твердости методом Виккерса (HV) и испытаний на одноосное растяжение. Электросопротивление измеряли методом «двойного моста» с использованием миллиомметра.
Составы сплавов в рамках заявленного диапазона представлены в таблице 1.
3
2
3
2
3
Литая микроструктура представлена фиг. 1 на примере сплава AlErYbSc. При кристаллизации скандий растворяется в алюминиевом твердом растворе полностью, концентрация иттрия, эрбия и иттербия в твердом растворе составляет 0,1-0,25%. Иттрий, эрбий и иттербий совместно или отдельно образуют с алюминием при кристаллизации эвтектическую фазу AlM размером от 20 до 200 нм, где М - иттрий и/или эрбий и/или иттербий. Кинетические кривые твердости слитков сплавов в процессе отжига при температурах 300, 370, 400, 440°С на примере сплавов AlYSc02 (a), AlYScYb (б), AlErYbSc (в) показаны на фиг. 2. По кинетическим кривым для каждой композиции выбраны режимы отжига перед прокаткой, обеспечивающие максимальный прирост твердости. Режимы отжига слитков представлены в таблице 2. Упрочнение в процессе отжига слитков происходит за счет выделения дисперсоидов L1 фазы AlM размером до 10 нм, где М - скандий и/или иттрий и/или эрбий и/или иттербий. На фиг. 3 на примере сплава AlYbErSc02 показана тонкая структура с дисперсоидами L1 фазы Al(Yb,Er,Sc) размером до 9 нм, полученной после отжига при 300°С в течение 1 часа.
В таблице 3 представлены результаты испытаний на одноосное растяжение и электропроводность деформированных листов в нагартованном и отожженном при 300°С состояниях.
Таблица 3. Характеристики механических свойств на растяжение и электропроводность
Для достижения предела прочности не менее 140 МПа при электропроводности не менее 60% IACS в отожженном состоянии термостойкий электропроводный алюминиевый сплав содержит следующие компоненты, масс. %: скандий 0,05 и иттрий 0,2 или скандий 0,05 и эрбий 0,25 и иттербий 0,35, остальное алюминий
Для достижения предела прочности не менее 190 МПа при электропроводности не менее 60% IACS в отожженном состоянии термостойкий электропроводный алюминиевый сплав содержит следующие компоненты, масс. %: скандий 0,18 и иттрий 0,18, остальное алюминий.
Для достижения предела прочности не менее 220 МПа при электропроводности не менее 54% IACS в отожженном состоянии термостойкий электропроводный алюминиевый сплав содержит следующие компоненты, масс. %: скандий 0,2 и иттрий 0,2 и иттербий 0,3 или скандий 0,2, эрбий 0,32 и иттербий 0,25, остальное алюминий.
Предлагаемое изобретение представляет новый термостойкий электропроводный алюминиевый сплав, который сочетает высокую прочность и электропроводность при очень высокой термической стабильности вплоть до 300°С. Предлагаемый сплав позволит повысить срок эксплуатации изделий электротехнического назначения, что определяется его вышеуказанными свойствами.