Проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия
Владельцы патента RU 2441090:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)
Открытое акционерное общество "Кирскабель" (RU)
Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий электротехнического назначения, в частности проводов высоковольтных ЛЭП. Сплав на основе алюминия содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: цирконий 0,3-0,7, железо 0,1-0,6, кремний 0,04-0,2, церий 0,005-0,2, алюминий и примеси остальное, и характеризуется структурой, представляющей собой матрицу, образованную алюминиевым твердым раствором, в котором равномерно распределены наночастицы фазы Al3Zr с кубической решеткой Ll2, имеющие средний размер не более 20 нм, и равномерно распределенные в матрице железосодержащие частицы, имеющие средний размер не более 3 мкм. Техническим результатом является создание сплава на основе алюминия, обладающего улучшенным сочетанием прочности, термостойкости и электропроводности, в том числе после длительных нагревов, в частности составляющих 100 часов при температурах до 300°С включительно. 5 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.
Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий электротехнического назначения, в частности проводов высоковольтных ЛЭП, предназначенных для эксплуатации в районах со сложными климатическими условиями и обладающих необходимым комплексом механических, электрических и технологических свойств, в том числе после нагревов до 300°С.
Алюминий, обладая высокой электропроводностью, малой плотностью и хорошей коррозионной стойкостью, широко применяется в изделиях электролитического назначения. В частности, алюминиевая проволока используется для изготовления проводов высоковольтных воздушных ЛЭП. Поскольку добавление других элементов в той или иной степени снижает электропроводность, то проволоку делают из технического алюминия (А5Е или А7Е) или из низколегированных сплавов системы Al-Si-Mg, в частности, марки ABE. Проволока из технического алюминия в нагартованном состоянии обеспечивает удачное сочетание прочности (временного сопротивления - σв и предела текучести σ0,2) и удельного электросопротивления (ρ). У сплавов типа ABE более высокая прочность, но худшая электропроводность. Недостатком нелегированного алюминия типа А5Е и сплавов типа ABE является низкая термическая стабильность, т.к. они сильно разупрочняются при нагревах свыше ~200°С.
Существенного повышения термической стабильности алюминиевых сплавов, предназначенных для электротехнического применения (в частности, алюминиевой проволоки), можно добиться за счет введения добавки циркония.
Наиболее близким сплавом к предложенному является проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия (High conductive heat-resistant aluminum alloy), раскрытый в патенте US 4402763. Этот сплав содержит цирконий в количестве 0,23-0,35%, а технология получения из него проволоки включает: плавку, получение литой заготовки (cast bar), горячую прокатку литой заготовки, получение проволоки холодным волочением, старение проволоки в температурном интервале от 310° до -390°С в течение 50-400 часов и последующую холодную деформационную обработку со степенью обжатия не более 30%. Цель обработки состоит в формировании структуры, в которой дисперсные частицы фазы Al3Zr равномерно распределены в алюминиевой матрице. В результате достигается проводимость не ниже 58% IACS, прочность не ниже, чем у нелегированного алюминия марки АА1350 (в виде проволоки).
Недостатком данного сплава является высокое удельное электросопротивление (электропроводимость 58% IACS соответствует 29,3·10-9 Ом·м).
Задачей изобретения является создание нового проводникового термостойкого сплава на основе алюминия с добавкой циркония, который обеспечивал бы улучшенное сочетание прочности, термостойкости и электропроводности:
- в виде проволоки:
1) механические свойства после 100-часового нагрева при 300°С: временное сопротивление разрыву (σв) не ниже 150 МПа, предел текучести (σ0,2) не ниже 120 МПа, относительное удлинение (δ) не ниже 10%;
2) удельное электрическое сопротивление (ρ) не выше 29·10-9 Ом·м, в том числе после 100-часового нагрева при 300°С;
- в виде тонколистового проката:
1) механические свойства после 100-часового нагрева при 300°С: временное сопротивление разрыву (σв) не ниже 140 МПа, предел текучести (σ0,2) не ниже 110 МПа, относительное удлинение (δ) не ниже 10%;
2) удельное электрическое сопротивление (ρ) не выше 29·10-9 Ом·м, в том числе после 100-часового нагрева при 300°С.
Поставленная задача решена тем, что проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия, содержащий цирконий и кремний, отличается тем, что он дополнительно содержит железо и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Цирконий | 0,3-0,7 |
| Железо | 0,1-0,6 |
| Кремний | 0,04-0,2 |
| Церий | 0,005-0,2 |
| алюминий и примеси | остальное |
и характеризуется структурой, представляющей собой матрицу, образованную алюминиевым твердым раствором, в котором равномерно распределены наночастицы фазы Al3Zr с кубической решеткой Ll2, имеющие средний размер не более 20 нм (фигура 1), и равномерно распределенные в матрице железосодержащие частицы, имеющие средний размер не более 3 мкм (фигура 2).
Материал может быть выполнен в виде проволоки или тонколистового проката.
Сплав в виде проволоки обладает следующими свойствами на растяжение при комнатной температуре: временное сопротивление (σв) - не менее 160 МПа, предел текучести (σ0,2) - не менее 130 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%.
Сплав в виде тонколистового проката обладает следующими свойствами на растяжение при комнатной температуре: временное сопротивление (σв) - не менее 150 МПа, предел текучести (σ0,2) - не менее 130 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%.
Сплав в виде проволоки после 100-часового нагрева при 300°С при комнатной температуре обладает следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) - не менее 150 МПа, предел текучести (σ0,2) - не менее 120 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 10%.
Сплав в виде тонколистового проката после 100-часового нагрева при 300°С при комнатной температуре обладает следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) - не менее 140 МПа, предел текучести (σ0,2) - не менее 110 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 10%.
Удельное электросопротивление сплава (ρ) в виде проволоки и тонколистового проката при комнатной температуре не превышает 29·10-9 Ом·м.
Сущность изобретения состоит в следующем. Наличие циркония в заявленных пределах позволяет обеспечить наилучшее сочетание механических свойств, электросопротивления и термостойкости за счет вторичных выделений (дисперсоидов) фазы Al3Zr (фигура 1). Избыток циркония (>0,7%) приводит к снижению пластичности и росту электросопротивления, а его недостаток (<0,3%) - к снижению прочности. Наличие железа в заявленных пределах позволяет обеспечить необходимое количество компактных частиц, преимущественно фазы Al8Fe2Si (фигура.2), что благоприятно сказывается на прочности и технологичности при литье и волочении. Избыток железа (>0,6%) приводит к снижению пластичности, а его недостаток (<0,3%) - снижению прочности и технологичности. Наличие кремния в заявленных пределах и при оптимальном соотношении с другими элементами позволяет обеспечить связывание железа в фазу Al8Fe2Si. Избыток кремния (>0,2%) приводит к росту электросопротивления и снижению термостойкости, а его недостаток (<0,04%) - к снижению прочности. Наличие церия в заявленных пределах и при оптимальном соотношении с другими элементами позволяет обеспечить минимальную концентрацию кремния в алюминиевом твердом растворе, что благоприятно сказывает на электропроводности. Избыток церия (>0,2%) приводит к снижению пластичности, а его недостаток (<0,005%) - к снижению электропроводности.
ПРИМЕР 1
Были приготовлены слитки 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марки А99 (99,99%), кремния марки Кр00 (99,0%), церия (99,0%) и лигатур, содержащих железо и цирконий. Из сплавов были получены цилиндрические слитки диаметром 44 мм. Температура расплава в процессе приготовления составляла 900°С, при литье - 870°С. Из слитков прокаткой были получены прутковые заготовки. Далее прутковые заготовки отжигали, после чего проводили холодное волочение до диаметра 3 мм. Полученную проволоку отжигали по режиму 300°С, 100 ч.
| Таблица 1 | |||||
| Составы экспериментальных сплавов | |||||
| № | Концентрации, % по массе | ||||
| Zr | Fe | Si | Се | Al | |
| 1 | 0,2 | 0,05 | 0,01 | 0,001 | Основа |
| 2 | 0,3 | 0,1 | 0,06 | 0,005 | Основа |
| 3 | 0,5 | 0,4 | 0,1 | 0,01 | Основа |
| 4 | 0,7 | 0,6 | 0,2 | 0,2 | Основа |
| 5 | 0,8 | 0,8 | 0,3 | 0,3 | Основа |
| 6 | 0,3 | <0,01 | <0,01 | 0 | Основа |
| Таблица 2 | ||||||||
| Свойства экспериментальных сплавов (проволока, диаметр 3 мм) | ||||||||
| № | Исходные свойства | После 100-часового нагрева при 300°С | ||||||
| σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | ρ, 10-9 Ом·м | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | ρ, 10-9 Ом·м | |
| 1 | 160 | 150 | 7 | 29,2 | 115 | 105 | 16 | 28,5 |
| 2 | 165 | 155 | 6 | 28,8 | 155 | 130 | 12 | 28,6 |
| 3 | 190 | 180 | 5 | 29,0 | 170 | 155 | 11 | 28,9 |
| 4 | 210 | 195 | 5 | 29,0 | 180 | 165 | 10 | 28,9 |
| 5 | 165 | 155 | 4 | 29,5 | 140 | 115 | 7 | 29,2 |
| 6 | 165 | 150 | 7 | 29,6 | 150 | 135 | 14 | 29,3 |
Результаты механических испытаний проволоки отражены в табл.2, из которой видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает требуемые значения прочности, пластичности и удельного электросопротивления в нагартованном состоянии и после 100-часового нагрева при 300°С. В сплаве 1 значения σв и σ0,2 ниже требуемого уровня после 100-часового нагрева при 300°С. В сплаве составов 5, 6 значение ρ выше требуемого уровня в нагартованном состоянии.
ПРИМЕР 2
Были приготовлены слитки 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марки А99 (99,99%), кремния марки Кр00 (99,0%), церия (99,0%) и лигатур, содержащих железо и цирконий. Из сплавов были получены плоские слитки с сечением 15×60 мм. Температура расплава в процессе приготовления составляла 900°С, при литье - 870°С. Из слитков прокаткой были получены листы. Далее листы отжигали и после этого проводили дальнейшую прокатку до толщины листа 0,7 мм. Отжиг листов проводили по режиму 300°С, 100 ч.
| Таблица 3 | ||||||||
| Свойства экспериментальных сплавов (лист толщиной 0,7 мм) | ||||||||
| № | Исходные свойства | После 100-часового нагрева при 300°С | ||||||
| σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | ρ, 10-9 Ом·м | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | ρ, 10-9 Ом·м | |
| 1 | 145 | 140 | 6 | 29,4 | 95 | 60 | 16 | 28,5 |
| 2 | 160 | 155 | 5 | 28,9 | 145 | 130 | 14 | 28,6 |
| 3 | 180 | 170 | 4 | 29,0 | 160 | 140 | 12 | 28,9 |
| 4 | 200 | 185 | 4 | 29,0 | 175 | 150 | 11 | 28,9 |
| 5 | 160 | 150 | 2 | 29,5 | 120 | 100 | 4 | 29,2 |
| 6 | 160 | 145 | 4 | 29,6 | 135 | 125 | 11 | 29,3 |
Результаты механических испытаний листов отражены в табл.2, из которой видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает требуемые значения прочности, пластичности и удельного электросопротивления в нагартованном состоянии и после 100-часового нагрева при 300°С. В сплаве 1 значения σв и σ0,2 ниже требуемого уровня после 100-часового нагрева при 300°С. В сплаве составов 5 и 6 значение ρ выше требуемого уровня в нагартованном состоянии.
1. Проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия, содержащий цирконий и кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Цирконий | 0,3-0,7 |
| Железо | 0,1-0,6 |
| Кремний | 0,04-0,2 |
| Церий | 0,005-0,2 |
| Алюминий и примеси | Остальное, |
и характеризуется структурой, представляющей собой матрицу, образованную алюминиевым твердым раствором, в котором равномерно распределены наночастицы фазы Al3Zr с кубической решеткой Ll2, имеющие средний размер не более 20 нм, и равномерно распределенные в матрице железосодержащие частицы, имеющие средний размер не более 3 мкм.
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он получен в виде проволоки, обладающей следующими свойствами на растяжение при комнатной температуре: временное сопротивление (σв) - не менее 160 МПа, предел текучести (σ0,2) - не менее 130 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%.
3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он получен в виде тонколистового проката, обладающего следующими свойствами на растяжение при комнатной температуре: временное сопротивление (σв) - не менее 150 МПа, предел текучести (σ0,2) - не менее 130 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%.
4. Сплав по п.2, отличающийся тем, что после 100 часового нагрева при 300°С проволоки при комнатной температуре сплав обладает следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) - не менее 150 МПа, предел текучести (σ0,2) - не менее 120 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 10%.
5. Сплав по п.3, отличающийся тем, что после 100 часового нагрева при 300°С тонколистового проката при комнатной температуре сплав обладает следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) - не менее 140 МПа, предел текучести (σ0,2) - не менее 110 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 10%.
6. Сплав по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что его удельное электросопротивление (ρ) при комнатной температуре не превышает 29·10-9 Ом·м.
