СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОВОДА СТАЛЕАЛЮМИНИЕВОГО
METHOD FOR MANUFACTURING OF ALUMINIUM-STEEL WIRE

Изобретение относится к кабельной и электротехнической промышленности, позволяет повысить стойкость проводов к коррозии путем защиты стальных сердечников сталеалюминиевых проводов от воздействия агрессивных осадков и предназначено для использования при эксплуатации воздушных линий электропередач.
Известны медные неизолированные провода, предназначенные для передачи электрической энергии в воздушных электрических сетях (Н.И. Белоруссов, А.Е. Саакян, А.И. Яковлева. Электрические кабели провода и шнуры. М.: Энергия. 1979. С.30).
Среди недостатков медных проводов следует перечислить следующие:
1) высокая плотность меди, приводящая к усложнению монтажа и эксплуатации линий электропередач, выполненных медными проводами;
2) высокая стоимость меди, удорожающая лини электропередач.
Известны алюминиевые неизолированные провода, предназначенные для передачи электрической энергии в воздушных электрических сетях (Н.И. Белоруссов, Л.Б. Саакян, Л.И. Яковлева. Электрические кабели провода и шнуры. М.: Энергия. 1979. С.30-33).
Существенным недостатком алюминиевых проводов являются низкая прочность исходного сырья и изделий из него;
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относятся сталеалюминиевые неизолированные провода, предназначенные для передачи электрической энергии в воздушных электрических сетях в которых для повышения стойкости стального сердечника к коррозии стальная проволока имеет цинковое покрытие (Н.И. Белоруссов, Л.Е. Саакян, Л.И. Яковлева. Электрические кабели провода и шнуры. М.: Энергия. 1979. С.30-34).
Сталеалюминиевые провода также не лишены недостатков:
1) цинковое покрытие стальных жил сердечника с течением времени на воздухе окисляется, теряя свою прочность, и под действием динамических нагрузок удаляется с поверхности стальных жил в контакте с токопроводящей алюминиевой жилой, что приводит к коррозии стали и потере ею несущей способности;
2) контакт токопроводящей алюминиевой жилы со стальным сердечником, затронутым коррозионными процессами под действием динамических нагрузок приводит к нарушению плотного слоя окиси алюминия и разрушению электрохимической коррозией алюминиевых жил во влажном климате.
Задача изобретения - создание сталеалюминиевого провода стойкого к коррозионным процессам.
Поставленная задача достигается способом изготовления провода сталеалюминиевого неизолированного, предназначенного для передачи электрической энергии в воздушных электрических сетях, причем для повышения стойкости стального сердечника к коррозии стальная проволока алитируется за 1-3 цикла, каждый из которых состоит из операций разогрева поверхности стальной проволоки до температуры 900°C в защитной атмосфере на глубину проникновения алюминия в сталь, погружения в ванну с расплавленным алюминием и интенсивного охлаждения до температуры 550°C после обработки алюминиевым расплавом, а для предотвращения окисления расплава алюминия, последний находится йод слоем расплава криолита.
Новые существенные признаки:
1) разогрев поверхности стальной проволоки в защитной атмосфере на глубину диффузии алюминия препятствует образованию окислов железа на поверхности стали и обеспечивает заданную толщину диффузионного слоя;
2) разогрев поверхности стальной проволоки до температуры 900°C и последующее интенсивное ее охлаждение после обработки расплавом алюминия до 550°C обеспечивает осуществление фазовых α-Fe - γ-Fe и γ-Fe - α-Fe переходов в кратчайшие сроки и высокую производительность технологического процесса за счет ускоренного транспорта атомов алюминия в сталь и интенсификации диффузионных процессов;
3) проведение от одного до трех циклов нагрева стали, обработки ее расплавом алюминия и охлаждения обеспечивает необходимую концентрацию атомов алюминия в стали на заданной глубине;
4) наличие расплава криолита на поверхности расплавленного алюминия препятствует образованию окиси алюминия на поверхности расплава и обеспечивает высокое качество процесса алитирования стали;
5) алитированная стальная поверхность проволоки сердечника алюминиевого провода покрытая тонким слоем алюминия, имеет одинаковое строение поверхностей и одинаковую контактную прочность стальной алитированной и алюминиевой жил, что исключает их неравномерный износ в процессе эксплуатации;
6) плотная и прочная пленка окиси алюминия предохраняет от коррозии алитированную стальную жилу сердечника;
7) образующиеся в процессе алитирования на поверхности стали интерметаллические соединения обеспечивают плотное сцепление алюминиевого слоя со сталью и исключает отслоение покрытия;
8) контакт разогретой стали с расплавом алюминия удаляет следы окислов железа с алитируемой поверхности и обеспечивает высокое качество процесса.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяются испрашиваемый объем правовой охраны.
Получение технического результата изобретения достигаемся использованием уникальных свойств алалитированных сталей.
В большинстве случаев в армированных алюминиевых конструкциях связь между несущим стальным вкладышем и алюминием чисто механическая. Осуществляется она за счет сжимающего усилия затвердевающего алюминия (когда стальной вкладыш заливается алюминиевым расплавом), либо за счет усилия запрессовки (при запрессовке стального вкладыша в изготовленную деталь). Для повышения прочности сцепления, на сальном прутке выполняют различного рода выступы, впадины, пазы или увеличивают шероховатость поверхности стальной детали струйной обработкой, накаткой или насечкой. Однако во всех случаях на границе контакта двух сплавов (алюминиевого и железоуглеродистого) имеются пленки оксидов и воздушный зазор, которые резко снижают качество покрытия.
2
3
Трудность получения плотного биметаллического контакта заключается в большом сродстве алюминия с кислородом и в значительной прочности оксида алюминия AlO. Алюминиевый расплав находится под слоем оксида алюминия препятствующего смачиванию стали, а быстрое затвердевание пограничного слоя не даст возможности удалить его ни с помощью оксидорастворяющих флюсов, ни другими методами.
Более прогрессивен способ получения биметаллических конструкций состоит в алитировании сталей, в результате чего образуется переходный слой - диффузионная зона, создающая хороший контакт стали с алюминиевым расплавом.
Известно несколько методов алитирования. Наиболее целесообразным следует считать алитирование погружением стали в расплав алюминия при температуре 700…800°C с последующей выдержкой в течение 1…15 минут, при которой достигается оптимальная толщина диффузионной зоны равной 0,02…0,03 мм. Основными преимуществами этого способа являются простота, быстрота процесса и невысокая стоимость. Но на получение диффузионного слоя толщиной 0,35 мм требуется экспозиция τ=60 минут.
Вместе с тем, при термоциклировании стали в интервале температур (550-900)°C в процессе фазовых α-Fe - γ-Fe и γ-Fe - α-Fe переходов в ограниченных объемах металл в результате перестройки кристаллической решетки, оказывается в псевдожидком состоянии и при нагревании и при охлаждении перемещающийся, в результате фазового переноса, вглубь металла, перенося с собой все примеси, в том числе и легирующие атомы к сердцевине детали. При «кристаллизации» прсевдорасплава в первую очередь кристаллизуется железо, а примесь, переносится псевдожидким железом вглубь детали как при зонной плавке. Процесс полиморфного превращения облегчает проникновение легирующие атомов в псевдожидкий металл и обеспечивает интенсификацию процесса. Дифференциальное уравнение массопереноса атома внедрения стационарных и динамических процессов химико-термической обработки стали имеет вид:
<mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>m</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>D</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>c</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>A</mi><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>P</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>B</mi><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>T</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>X</mi><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><mi>T</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi><mo>⋅</mo><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>Y</mi><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>V</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>C</mi><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>C</mi><mfrac><mrow><msup><mo>∂</mo><mn>2</mn></msup><mi>Ф</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi><mo>⋅</mo><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mi>M</mi><mo>,</mo><mtext>    (1)</mtext></mrow>
где (∂m/∂t) - количество (масса) вещества, прошедшее через площадку S за время t (массоперенос);
2
2
∂ Ф/(∂x ∂t), ∂ T/(∂x ∂t) - скорости изменения градиентов магнитного потока и температуры - слагаемые предложенные Орловым, описывающие ускоренные электромагнитный и фазовый переносы атомов легирующей примеси при полиморфных фазовых α-Fe - γ-Fe и γ-Fe - α-Fe превращениях в оптимальном температурном диапазоне при термоциклировании;
M
(∂c/∂x); (∂P/∂x); (∂T/∂x); (∂φ/∂x); (∂V/∂x) - градиенты концентрации, давления, температуры, потенциала и изменения объема, описывающие соответственно собственно диффузионный массоперенос по первому закону Фика, барический перенос по межкристаллитным и внутрикристаллитным пространствам, обеспечивающий проникновение легирующих атомов в сталь - по Орлову, теплоперенос в соответствии с уравнением Фика-Нернста, электроперенос по Фромму и Гебхарту и вакансионный перенос по Мечеву;
D - коэффициент диффузии водорода в металле;
M - вес грамм-молекулы диффундирующего вещества;
A, B, C, Y, X - интегральные коэффициенты.
Скорость протекания технологического процесса при термоциклировании зависит от скорости изменения градиента температуры процесса. Фазовые превращения происходят не мгновенно по всему объему, а постепенно (в зависимости от степени перегрева или переохлаждения стали). Псевдожидкая волна полиморфного фазового превращения и при нагревании и при охлаждении перемещается с конечной скоростью с поверхности детали от источника нагрева (или от холодильника при охлаждении) к его сердцевине. Используя диаграмму образования аустенита при нагреве и диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита, можно определить время выдержки алитируемых деталей при экстремальных температурах, для получения заданной толщины диффузионного слоя.
При алитировании погружением особое значение приобретают физико-химические явления, протекающие с большой скоростью, которые могут полностью нарушить процесс. К таким явлениям относятся образование оксидных пленок на поверхностях твердого и жидкого металлов, мешающих возникновению связи между атомами железа и алюминия.
Для предупреждения образования оксидных пленок при нагреве стали применяют защитную атмосферу; использование покровных флюсов введением криолита в ванну с расплавом алюминия приводит к растворению пленки оксида алюминия, находящейся на поверхности ванны:
<mrow><mn>2</mn><mi>A</mi><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>N</mi><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><mi>A</mi><mi>l</mi><msub><mi>F</mi><mn>6</mn></msub><mo>→</mo><mn>3</mn><mi>N</mi><msup><mi>a</mi><mo>+</mo></msup><mo>+</mo><mn>3</mn><mi>A</mi><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>F</mi><mn>4</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mtext>                     (2)</mtext></mrow>
Нагретая поверхность стали со следами оксида железа восстанавливается жидким алюминием (первая стадия самораспространяющегося высокотемпературного синтеза):
<mrow><mi>F</mi><msub><mi>e</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mi>A</mi><mi>l</mi><mo>→</mo><mi>A</mi><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>F</mi><mi>e</mi><mo>+</mo><mi>Q</mi><mtext>                             (3)</mtext></mrow>
X
Y
X
Y
X
Y
Полученное восстановленное железо вступает в реакцию с алюминием с образованием интерметаллидного соединения FeAl с выделением тепла (вторая стадии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза). Конечный продукт химических реакций в виде интерметаллидов FeAl является переходным слоем или диффузионной зоной между алюминием и железом с толщиной слоя 0,02-0,03 мм при одном цикле нагрев - охлаждение. В результате получение биметаллических конструкций алюминий - железо с диффузионной связью способствует образованию переходного слоя в виде интерметаллического химического соединения FeAl в условиях непрерывности процесса.
Вследствие интенсивного протекания алюмотермической реакции очищающей поверхность стали перед последующим алитированием, достигается высокая чистота поверхности конструкции. Сочетание СВС - процесса и алюмотермии в процессе обработки стали расплавом алюминия, автоматически приводит к образованию переходной зоны. Поэтому основные принципы этой технологии могут использоваться в различных отраслях техники для изготовления биметаллических сталеалюминиевых конструкций.
Использование данной технологии получения биметаллических конструкций алюминий сталь с диффузионной связью, образованной за счет металлотермии и СВС-процесса, обладающей низким переходным электрическим сопротивлением и высокой прочностью сцепления стали с алюминием, обеспечивает монолитность конструкции. Кроме того, диффузионный слой стабилизирует электрический контакт между алюминием и стальной поверхностью, снижая электрическое сопротивление последнего. Все это позволяет повысить рабочие характеристики биметаллических соединений.
Используя диаграмму образования аустенита при нагреве и диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита, можно определить время выдержки алитируемых деталей при экстремальных температурах, для того, чтобы получить заданную толщину слоя. Если транспорт Al необходимо осуществить только в тонкий поверхностный слой сечения образца, то временная выдержка при температуре 900°C не осуществляется. Если необходимо осуществить транспорт Al в металл на 2-3 [мм], то оптимальным будет вариант нагрева до температуры 760°C (верхняя граница температурного коридора) с выдержкой при той температуре 4…5 минут, так как в этом случае полное превращение феррита в аустенит может произойти только за время порядка 16 минут. Тогда за время экспозиции волна псевдожидкого полиморфного превращения, осуществляющая фазовый перенос и несущая Al, пройдет только четверть своего пути до сердцевины детали диаметром 26 [мм] и за 4 минуты изотермическое образование аустенита закончится только в поверхностном 2-миллиметровом слое.
По С-образной кривой диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита определяем, что при температуре 680°C время полного полиморфного превращения γ-Fe в α-Ее составляет порядка 16 минут. Тогда для получения 2-миллиметрового диффузионного слоя Al необходима выдержка при этой температуре (нижняя граница температурного коридора термоциклирования) в течение 4…5 минут.
В соответствии с вышеизложенным была разработана и опробована в лабораторных условиях методика насыщения стали алюминием импульсным методом. Стальные образцы из низкоуглеродистой стали в герметичных контейнерах с расплавленным алюминием подвергались импульсному воздействию электромагнитного ноля. Верхний предел температурного интервала 900°C, нижний - 550°C. Выдержка при экстремальных температурах составляла не менее 5 минут. Варьировалось длительность и количество циклов. Полное время обработки при любом из опытов не превышало полутора часов. Проникновение Al в сталь осуществлено но всему сечению образна в течение 7 циклов.
Проведенный эксперимент подтверждает возможность получения стальных конструкции, поверхность которых насыщена алюминием.