проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия

Формула изобретения

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 ( _в) - не менее 160 МПа, предел текучести ( _0,2) - не менее 130 МПа, относительное удлинение ( ) - 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 ( _в) - не менее 150 МПа, предел текучести ( _0,2) - не менее 130 МПа, относительное удлинение ( ) - 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 ( _в) - не менее 150 МПа, предел текучести ( _0,2) - не менее 120 МПа, относительное удлинение ( ) - 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 ( _в) - не менее 140 МПа, предел текучести ( _0,2) - не менее 110 МПа, относительное удлинение ( ) - не менее 10%.

6. Сплав по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что его удельное электросопротивление ( ) при комнатной температуре не превышает 29·10 ^-9 Ом·м.

Описание изобретения к патенту

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 - _в и предела текучести _0,2) и удельного электросопротивления ( ). 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 Al ₃Zr 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 ( _в) не ниже 150 МПа, предел текучести ( _0,2) не ниже 120 МПа, относительное удлинение ( ) не ниже 10%;

2) удельное электрическое сопротивление ( ) 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 ( _в) не ниже 140 МПа, предел текучести ( _0,2) не ниже 110 МПа, относительное удлинение ( ) не ниже 10%;

2) удельное электрическое сопротивление ( ) 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 Ll ₂, 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 ( _в) - не менее 160 МПа, предел текучести ( _0,2) - не менее 130 МПа, относительное удлинение ( ) - не менее 5%.

Сплав в виде тонколистового проката обладает следующими свойствами на растяжение при комнатной температуре: временное сопротивление ( _в) - не менее 150 МПа, предел текучести ( _0,2) - не менее 130 МПа, относительное удлинение ( ) - не менее 4%.

Сплав в виде проволоки после 100-часового нагрева при 300°С при комнатной температуре обладает следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление ( _в) - не менее 150 МПа, предел текучести ( _0,2) - не менее 120 МПа, относительное удлинение ( ) - 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 ( _в) - не менее 140 МПа, предел текучести ( _0,2) - не менее 110 МПа, относительное удлинение ( ) - не менее 10%.

Удельное электросопротивление сплава ( ) 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 Al₃ Zr (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
	в, МПа	0,2, МПа	, %	, 10-9 Ом·м	в, МПа	0,2, МПа	, %	, 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 _в и _0,2 ниже требуемого уровня после 100-часового нагрева при 300°С. В сплаве составов 5, 6 значение 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
	в, МПа	0,2, МПа	, %	, 10-9 Ом·м	в, МПа	0,2, МПа	, %	, 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 _в и _0,2 ниже требуемого уровня после 100-часового нагрева при 300°С. В сплаве составов 5 и 6 значение выше требуемого уровня в нагартованном состоянии.