Проводниковый алюминиевый сплав и изделие из него

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплаву на основе алюминия, а также изделию из указанного сплава, и может быть использовано при получении изделий электротехнического назначения при производстве кабельно-проводниковой продукции для электропроводки зданий и сооружений. Проводниковый сплав на основе алюминия содержит, в мас.%: железо 0,3-1,0, кремний 0,04-0,15, никель 0,005-0,2, медь 0,1-0,3, алюминий - остальное, и характеризуется структурой, представляющей собой матрицу, образованную алюминиевым твердым раствором, в котором равномерно распределены железосодержащие частицы в количестве не менее 1 об.%, имеющие средний размер не более 3 мкм, при этом суммарное количество кремния и меди в сплаве не превышает 0,35 мас.%. Сплав может быть получен в виде катанки или проволоки. Техническим результатом является увеличение технологической пластичности катанки или проволоки, полученной из предложенного сплава за счет образования компактных частиц железосодержащих фаз эвтектического происхождения. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 пр., 4 табл., 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области металлургии, в частности к сплаву на основе алюминия, а также изделию из указанного сплава, и может быть использовано при получении изделий электротехнического назначения при производстве кабельно-проводниковой продукции для электропроводки зданий и сооружений.

Уровень техники

Добавление в алюминий легирующих элементов приводит к снижению электропроводности, поэтому проволоку обычно делают из технического алюминия (А5Е или А7Е) или из низколегированных сплавов, что обеспечивает высокую электропроводность, малую плотность и хорошую коррозионную стойкость.

Наибольшее распространение для производства электротехнической проволоки получил технический алюминий марок типа А5Е, в частности, примером применения такой проволоки является изготовление проводов для высоковольтных воздушных ЛЭП. В нагартованном состоянии проволока из технического алюминия обеспечивает удачное сочетание прочностных характеристик, удельного электросопротивления и стоимости проводниковой продукции. Однако ее низкий уровень относительного удлинения в нагартованном состоянии (обычно не превышает 2-4%), низкая стойкость к изгибам и многократным перегибам ограничивает ее широкое использование для внутренней проводки зданий и сооружений.

Среди низколегированных сплавов для применения в электротехнике следует также выделить сплавы системы Al-Mg-Si типа ABE или 6101 (Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др. «Промышленные алюминиевые сплавы», М., Металлургия, 1984. 528 с.). Сплавы этого типа в виде проволоки в состоянии Т6 обеспечивают высокие значения прочностных характеристик не менее 295 МПа и удовлетворительный уровень относительного удлинения (обычно на уровне 6-8%). Среди недостатков сплавов этого типа следует выделить необходимость использования операции закалки в воду и более высокий уровень значений удельного электрического сопротивления (примерно на 15%) по сравнению с техническим алюминием типа А5Е.

Известны другие низколегированные алюминиевые сплавы 8ххх серии типа 8030 и 8176 (Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др. «Промышленные алюминиевые сплавы», М., Металлургия, 1984. 528 с.), предназначенные для применения в кабельно-проводниковой продукции и содержащие (масс. %) 0,3-0,8% Fe, 0,15-0,3% Cu и 0,4-1% Fe, 0,03-0,15% Si соответственно. К недостаткам указанных сплавов следует отнести то, что на верхнем пределе легирующих элементов, прежде всего по железу, указанные сплавы характеризуются низкой технологичностью при волочении из-за формирования относительно грубых прожилок железистых фаз, что приводит к повышенной обрывности при получении тонкой проволоки, а при низком содержании железа недостаточный уровень прочностных характеристик.

Наиболее близким аналогом к предложенному изобретению является техническое решение, раскрытое в патенте RU 2550063, МПК С22С 21/00, С22С 1/03, C23F 1/04, С22С 1/06, B22D 24/04, опубликован 10.05.2015, где предложен материал и способ его получения для кабеля на основе алюминиевого сплава с высоким относительным удлинением. Материал содержит 0,30-1,20% Fe Si: 0,03-0,10%, редкоземельные элементы (Се и La): 0,01-0,30%, а оставшуюся часть составляют Al и неизбежные примеси. Среди недостатков данного сплава: 1) необходимость легирования сплава быстро окисляемыми на воздухе редкоземельными металлами, 2) приготовление расплава таких сплавов приводит к увеличенному шлакообразованию.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание нового проводникового сплава на основе алюминия, характеризующегося сочетанием высокого уровня механических свойств (не ниже 75 МПа) и высокого уровня значений удельной электрической проводимости (не ниже 60% IACS).

Техническим результатом является увеличение технологической пластичности проволоки, полученной из предложенного сплава за счет образования компактных частиц железосодержащих фаз эвтектического происхождения.

В соответствии с одним аспектом изобретения достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что предложенный сплав на основе алюминия содержит железо и кремний, при этом он дополнительно содержит, по меньшей мере, один металл, выбранный из группы, включающей никель и медь, при следующем соотношении компонентов:

Железо 0,3-1,0
Кремний 0,04-0,15
Никель 0,005-0,2
Медь 0,1-0,3
Алюминий Остальное,

при этом структура сплава представляет собой матрицу, образованную алюминиевым твердым раствором, в котором равномерно распределены железосодержащие частицы в количестве не менее 1 об. %, имеющие средний размер не более 3 мкм, при этом суммарное количество кремния и меди в сплаве не превышает 0,35 масс. %.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения достижение технического результата обеспечивается тем, что предложенный сплав на основе алюминия содержит железо и кремний, при этом он дополнительно содержит, по меньшей мере, один металл, выбранный из группы, включающей никель и медь, при следующем соотношении компонентов:

Железо 0,4-0,5
Кремний 0,04-0,08
Никель 0,005-0,1
Медь 0,1-0,2
Алюминий Остальное

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения достижение технического результата обеспечивается тем, что предложенный сплав на основе алюминия характеризуется следующим соотношением компонентов:

Железо 0,5-1,0
Кремний 0,04-0,15
Никель 0,005-0,2
Алюминий Остальное

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения достижение технического результата обеспечивается тем, что предложенный сплав на основе алюминия характеризуется следующим соотношением компонентов:

Железо 0,3-1,0
Кремний 0,04-0,07
Медь 0,1-0,3
Алюминий Остальное

Заявленный сплав предпочтительно характеризуется удельной электрической проводимостью при комнатной температуре не менее 60% IACS, а также относительным удлинением при комнатной температуре не менее 30%.

В соответствии с другим аспектом заявленное изобретение относится к изделию, изготовленному из сплава на основе алюминия, который описан выше.

В частном варианте осуществления заявленное изделие может быть получено в виде катанки или проволоки, характеризующихся удельной электрической проводимостью при комнатной температуре не менее 60% IACS и относительным удлинением при комнатной температуре не менее 30%.

В соответствии с другим аспектом заявленное изобретение относится к применению вышеуказанного сплава для получения катанки.

В соответствии с другим аспектом заявленное изобретение относится к применению вышеуказанного сплава для получения проволоки.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показана типичная структура сплава, соответствующая составу №4.

Осуществление изобретения

Для обеспечения достижения высокого уровня механических свойств и низкого уровня значений удельного электрического сопротивления структура проводникового материала должна представлять собой алюминиевый раствор и компактные частицы эвтектических железосодержащих фаз. Обоснование заявляемых количеств легирующих компонентов, обеспечивающих достижение заданной структуры, в данном сплаве приведено ниже.

Железо в заявляемых количествах необходимо для повышения общего уровня механических свойств технического алюминия без значимого увеличения удельного электрического сопротивления. При содержании железа выше заявленного значения этот элемент будет оказывать значимое негативное влияние на удельное электрическое сопротивление сплава за счет снижения объемной доли алюминиевого раствора. Минимальное содержание железа соответствует достижению минимального уровня прочностных характеристик.

Кремний в заявленном концентрационном диапазоне обеспечивает улучшение морфологии железосодержащих фаз кристаллизационного происхождения, при этом концентрация кремния обеспечивает его минимальное количество в алюминиевом твердом растворе и максимальное количество фазы Al8Fe2Si. При содержании кремния выше заявленного значения этот элемент будет оказывать значимое негативное влияние на удельное электрическое сопротивление сплава. Минимальное содержание кремния соответствует уровню примеси.

Никель в заявляемых количествах необходим для улучшения морфологии железосодержащих фаз кристаллизационного происхождения, в частности фазы Al9FeNi, формирующихся в структуре при заданном содержании железа, без ухудшения других эксплуатационных характеристик, прежде всего, электропроводности. Такая структура будет обеспечивать высокую технологичность при прокатке литой заготовки до катанки и волочении катанки в проволоку. При меньших концентрациях никеля его влияние будет недостаточным для обеспечения требуемой структуры, а повышение содержания выше верхнего предела не окажет значимого влияния на повышение технологичности при обработке давлением.

Медь в заявляемых количествах необходима для повышения прочностных характеристик за счет твердорастворного упрочнения. При меньших концентрациях меди не будет достигнут требуемый уровень прочностных свойств, а при более высоких концентрациях медь будет оказывать значимое влияние на удельное электрическое сопротивление.

Примеры осуществления изобретения

ПРИМЕР 1

Для подтверждения концентрационного диапазона, при котором железо, кремний и никель формируют преимущественно алюминиды эвтектического происхождения с объемной долей не менее 1 об. %, выполнен расчет объемной доли железосодержащих алюминидов эвтектического происхождения, содержащих железо, кремний и никель с использованием программы Thermocalc (база данных TTAL5). Химический состав, фазовые составляющие и расчетная массовая доля Fe-содержащих фаз (Qm) эвтектического происхождения (Al6Fe, Al9FeNi и Al8Fe2Si) при температуре окончания кристаллизации приведены в таблице 1.

Оценку влияния химического состава на проводимость и механические свойства сплава составов 1, 2, 3, 6 и 7 (таблица 1) оценивали на прокатанных листах в отожженном состоянии по значениям удельного электрического сопротивления (ρ), значениям временного сопротивления на разрыв (σв) и значениям относительного удлинения (δ). Результаты измерений приведены в таблице 2. Способ получения образцов включал: литье слитков в графитовую изложницу сечением 40×120, прокатку (с начальной температурой заготовки 500°C) со степенью обжатия 97% и термическую обработку листов при 350°C в течение 3 часов.

где

ρ - удельное электрическое сопротивление, мкОм⋅мм;

IACS - проводимость, в % от содержания меди (медь принята за 100%);

σв - временное сопротивление разрыву, Мпа;

δ50 - относительное удлинение на расчетной длине 50 мм, %.

Из представленных выше таблиц 1 и 2 видно, что только составы 2-6, соответствующие заявленному диапазону количественного содержания компонентов, обеспечивают требуемые значения массовой доли железистых составляющих, проводимости и механических свойств на разрыв. Сплав состава 1 не удовлетворяет заявленным требованиям по значению временного сопротивления на разрыв, а сплав состава 7 не удовлетворяет требованиям по значениям удельного электрического сопротивления и относительного удлинения.

ПРИМЕР 2

Из сплавов составов 3 и 4 в промышленных условиях предприятия ИркАЗ было выполнено опытное-промышленное производство алюминиевой катанки. Термическая обработка бухт катанки состава 3 выполнена при температуре 550°C с выдержкой в течение 12 часов (550°C, 12 ч), а катанки состава 4 выполнена при температуре 390°C с выдержкой в течение 15 часов (390°C, 15 ч). Результаты измерения удельного электрического сопротивления и механических свойств катанки для нагартованного состояния (Н) и отожженного приведены в таблице 3.

где

Н - нагартованное состояние;

ρ - удельное электрическое сопротивление, мкОм⋅мм;

IACS - проводимость в % от содержания меди (медь принята за 100%);

σв - временное сопротивление разрыву, Мпа;

δ200 - относительное удлинение на расчетной длине 200 мм, %.

ПРИМЕР 3

Проволока диаметром 1,8 мм, полученная из катанки сплава составов 3 и 4, испытана на стойкость к перегибам в сравнении с проволокой, полученной из технического алюминия марки А5Е (ГОСТ 11069-2001). Испытание заключалось в многократном двойном перегибе на угол 90° от вертикального положения образца проволоки в обе стороны до разрушения. Результаты испытаний приведены в таблице 4. Высокая технологическая пластичность обеспечивается большой объемной долей эвтектических фаз с размером не более 3 мкм. Типичная структура сплава состава №4 приведена на фигуре 1.

1. Проводниковый сплав на основе алюминия, содержащий железо и кремний, при этом он дополнительно содержит, по меньшей мере, один металл из группы, включающей никель и медь, при следующем соотношении компонентов, в мас.%:

Железо 0,3-1,0
Кремний 0,04-0,15
Никель 0,005-0,2
Медь 0,1-0,3
Алюминий Остальное,

и характеризуется структурой, представляющей собой матрицу, образованную алюминиевым твердым раствором, в котором равномерно распределены железосодержащие частицы в количестве не менее 1 об.%, имеющие средний размер не более 3 мкм, при этом суммарное количество кремния и меди в сплаве не превышает 0,35 мас.%.

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит следующее соотношение компонентов, в мас.%:

Железо 0,4-0,5
Кремний 0,04-0,08
Никель 0,005-0,1
Медь 0,1-0,2
Алюминий Остальное

3. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит следующее соотношение компонентов, в мас.%:

Железо 0,5-1,0
Кремний 0,04-0,15
Никель 0,005-0,2
Алюминий Остальное

4. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит следующее соотношение компонентов, в мас.%:

Железо 0,3-1,0
Кремний 0,04-0,07
Медь 0,1-0,3
Алюминий Остальное

5. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он имеет значение удельной электрической проводимости при комнатной температуре не менее 60% IACS.

6. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он имеет значение относительного удлинения при комнатной температуре не менее 30%.

7. Изделие из проводникового сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно изготовлено из сплава по любому из пп. 1-3.

8. Изделие по п. 7, отличающееся тем, что оно изготовлено в виде катанки или проволоки.

9. Применение сплава по любому из пп. 1-6 для получения катанки.

10. Применение сплава по любому из пп. 1-6 для получения проволоки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к алюминиевым сплавам, и может быть использовано для изготовления высоконагруженных паяных конструкций. Алюминиевый сплав содержит, мас.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к покрытому сплавом на основе алюминия стальному материалу, используемому в различных областях в качестве коррозионностойкого материала.

Изобретение относится к металлургии алюминия, в частности к лигатурам для модифицирования алюминия и его сплавов. Лигатура алюминий-титан-бор для модифицирования алюминия и его сплавов содержит не менее 90 вес.% частиц диборида титана и не более 10 вес.% частиц алюминида титана или борида алюминия, при этом соотношение титана к бору в лигатуре составляет (1,918-2,356):1.

Изобретение относится к области металлургии литейных сплавов, в частности антифрикционных сплавов на основе алюминия, и может быть использовано для деталей, работающих в условиях трения скольжения.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным конструкционным композиционным материалам на основе алюминия, используемым в различных областях промышленности, в частности в транспортных и космических сферах.

Изобретение относится к области металлургии проводниковых алюминиевых сплавов и может быть использовано для изготовления изделий электротехнического назначения, в частности проводов высоковольтных ЛЭП и кабелей погружных нефтенасосов, работающих при температуре до 230°C, когда требуется сочетание высокой прочности при повышенных температурах, высокой коррозионностойкости, повышенной электропроводности, пониженной ползучести и пониженной массы.
Изобретение относится к металлургическим технологиям в области редких и цветных металлов и представляет собой способ получения лигатуры алюминий-гадолиний. Способ включает восстановление фторида гадолиния расплавленным алюминием из шихты, содержащей фторид гадолиния, хлорид калия, хлорид и фторид натрия.

Изобретение относится к производству алюминия, в частности к получению титансодержащих алюминиевых сплавов и лигатур, и может быть использовано в алюминиевой, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности, изготавливающих модифицированные деформируемые и литейные алюминиевые сплавы и изделия из них.

Изобретение относится к алюминиевому сплаву для изготовления полуфабрикатов или деталей автомобилей, в котором легирующие компоненты алюминиевого сплава имеют следующее содержание в мас.%: Fe≤0,80, Si≤0,50, 0,90≤Mn≤1,50, Mg≤0,25, Cu≤0,125, Cr≤0,05, Ti≤0,05, V≤0,05, Zr≤0,05, остальное - алюминий и неизбежные примесные элементы, отдельно взятые <0,05, в сумме <0,15, и общее содержание Mg и Cu удовлетворяет соотношению в мас.%: 0,15≤Mg+Cu≤0,25, при этом содержание Mg в алюминиевом сплаве больше, чем содержание Cu.

Изобретение относится к области металлургии проводниковых алюминиевых сплавов и может быть использовано для изготовления изделий электротехнического назначения, в частности проводов высоковольтных ЛЭП и кабелей погружных нефтенасосов, работающих при температуре до 230°C, когда требуется сочетание высокой прочности при повышенных температурах, высокой коррозионностойкости, повышенной электропроводности, пониженной ползучести и пониженной массы.

Изобретение относится к изделиям из алюминиевого сплава и способу их получения в виде полосы, которая, в частности, является заготовкой для корпусов банок или их торцов. Полоса из заэвтектического алюминиевого сплава, содержащего по меньшей мере 0,8 мас.% марганца и/или по меньшей мере 0,6 мас.% железа, имеет приповерхностную зону, расположенную от поверхности полосы алюминиевого сплава до глубины 37 микрометров, содержащую по меньшей мере 90% частиц от общего их количества в приповерхностной зоне, имеющих эквивалентный диаметр больше 0,22 и менее 3 микрометров, при их количестве на единицу площади по меньшей мере 0,01 частица на квадратный микрометр. По второму варианту частицы в приповерхностной зоне имеют эквивалентный диаметр больше 0,22 и менее 1 микрометра, при их объемной доле в приповерхностной зоне по меньшей мере 0,2 процента. Способ изготовления полосы включает непрерывное литье заэвтектического алюминиевого сплава, содержащего по меньшей мере 0,8 мас.% марганца и/или по меньшей мере 0,6 мас.% железа, со скоростью от 25 до 400 футов в минуту при охлаждении наружных областей сплава со скоростью по меньшей мере 1000°С/сек с получением полосы. Изобретение направлено на повышение предела текучести и предела прочности полосы из заэвтектического алюминиевого сплава при повышенных температурах за счет создания определенной структуры в приповерхностных слоях полосы. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 пр., 13 табл., 18 ил.

Изобретение относится к созданию плакированного алюминием стального листа, используемого для горячего прессования, который имеет превосходные смазывающую способность в горячем состоянии, коррозионную стойкость после нанесения красочного покрытия и пригодность к точечной сварке. Плакированный алюминием стальной лист включает стальной лист, плакирующий Al-слой, сформированный на одной поверхности или обеих поверхностях стального листа, и поверхностный покровный слой, сформированный на плакирующем Al-слое. Поверхностный покровный слой содержит соединение цинка, причем соединение цинка осаждают на плакирующий Al-слой стального листа в количестве, равном или большем чем 0,3 г/м2 и равном или меньшем чем 1,5 г/м2, определенном как количество металлического цинка в расчете на одну поверхность, а вес покрытия цинка в любой непрерывной области величиной 1 мм2, определяемый как максимальное количество осажденного цинка в площади измерения, полученное выполнением аналитического картирования распределения цинка на поверхности плакированного алюминием стального листа с использованием электронно-зондового микроанализатора (EPMA), составляет 1,5 г/м2 или менее. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплаву на основе алюминия, а также изделию из указанного сплава, и может быть использовано при получении изделий электротехнического назначения при производстве кабельно-проводниковой продукции для электропроводки зданий и сооружений. Проводниковый сплав на основе алюминия содержит, в мас.: железо 0,3-1,0, кремний 0,04-0,15, никель 0,005-0,2, медь 0,1-0,3, алюминий - остальное, и характеризуется структурой, представляющей собой матрицу, образованную алюминиевым твердым раствором, в котором равномерно распределены железосодержащие частицы в количестве не менее 1 об., имеющие средний размер не более 3 мкм, при этом суммарное количество кремния и меди в сплаве не превышает 0,35 мас.. Сплав может быть получен в виде катанки или проволоки. Техническим результатом является увеличение технологической пластичности катанки или проволоки, полученной из предложенного сплава за счет образования компактных частиц железосодержащих фаз эвтектического происхождения. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 пр., 4 табл., 1 ил.

Наверх