алюминиевый сплав

Формула изобретения

Алюминиевый сплав, содержащий, по меньшей мере, один редкоземельный металл, никель, железо, кремний, бор, титан, цинк, марганец, медь, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы: гафний, рутений, сурьма, бериллий, стронций, углерод, при следующем соотношении компонентов, мас.%: по меньшей мере, один редкоземельный металл 0,5-5 и, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы: гафний, рутений, сурьма, бериллий, стронций, углерод 0,001-0,4, никель и железо в сумме 0,2-0,7, при соотношении никеля к железу 1,0-4,0, кремний, бор, титан, цинк, марганец, медь в сумме 0,001-0,4, при соотношении бора к титану 0,01-3,0, алюминий - остальное.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к алюминиевым сплавам, предназначенным для производства электротехнической катанки, применения в качестве проводов электрического тока, работающих при повышенных температурах, а также в качестве изделий в машиностроении, самолетостроении, ракетостроении, судостроении, автомобилестроении, медицинской технике, строительстве и в бытовом оборудовании.

В настоящее время известны алюминиевые сплавы, применяемые для изготовления катанки и электропроводников, в которых используется преимущественно технический алюминий и низколегированные сплавы системы алюминий-магний-кремний-медь (А5Е, А7Е, АВ и др.). Они обладают высокой электропроводностью, малым удельным весом и низкими температурами обработки. Однако механические свойства известных проводниковых алюминиевых сплавов сравнительно низки (временное сопротивление разрыву 65-100 МПа), а температурный уровень эксплуатации обычно не превышает 100°С, что является недостаточным для использования этих материалов в изделиях, длительно работающих в условиях высоких температур.

С другой стороны, известны алюминиевые сплавы, содержащие редкоземельные металлы, с высоким уровнем механических свойств, применяемые в деталях конструкций, несущих низкие и средние нагрузки. Однако они обладают недостаточной электропроводностью, а уровень механических свойств данных алюминиевых сплавов недостаточен для того, чтобы использовать эти материалы для изготовления изделий, работающих в условиях значительных механических нагрузок и высоких температур.

Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%: по крайней мере один редкоземельный металл 5-20, оксид алюминия 0,1-1,0, оксид редкоземельного металла 0,01-0,5, алюминий - остальное (RU 2044096 С1, 20.09.1995). Данный сплав используют в основном в изделиях, к которым требования высокой прочности и высокой электропроводности не предъявляются, а также изделиях, несущих умеренные механические нагрузки при небольшой длительной прочности при температурах, не превышающих 200-300°С.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является сплав на основе алюминия (RU 2344187 С2, 10.07.2008), содержащий, мас.%: по меньшей мере один редкоземельный металл, и дополнительно он содержит кислород, азот и водород при следующем соотношении компонентов, мас.%:

по меньшей мере один редкоземельный металл	5,0-10,0
кислород	0,002-1,5
азот	0,002-1,2
водород	0,0002-0,5
алюминий	остальное

В частном случае выполнения алюминиевый сплав дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы: кремний, медь, магний, хром, цирконий, бор, марганец, цинк, никель, иттрий, скандий, титан, ванадий, молибден, ниобий, тантал, железо в количестве 0,005-2,2 мас.%.

Данный сплав обладает стабильными механическими свойствами при температурах до 350°С, однако высокое содержание редкоземельных металлов приводит к снижению электропроводности по сравнению с электротехническим алюминием и существенному удорожанию сплава. Кроме того, эти сплавы обладают пониженной пластичностью, что существенно усложняет технологию получения из них деформированных полуфабрикатов, используемых в качестве основы для электропроводов, и приводит к снижению выхода годной продукции. В связи с этим для получения из таких сплавов, например, проволоки приходится применять трудо- и энергоемкие гранульные технологии обработки, включающие до 17 металлургических переделов.

Технической задачей данного изобретения является создание жаропрочного алюминиевого сплава, имеющего повышенную электропроводность и обладающего одновременно стабильными прочностными и пластическими свойствами при температурах от 20°С до 200°С, а также расширение технологических возможностей его обработки.

Эта задача была решена созданием алюминиевого сплава, содержащего, по меньшей мере, один редкоземельный металл и никель, железо, кремний, бор, титан, цинк, марганец, медь, согласно изобретению он дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы: гафний, рутений, сурьма, бериллий, стронций, углерод, при следующем соотношении компонентов, мас.%: по меньшей мере один редкоземельный металл 0,5-5 и по меньшей мере один элемент, выбранный из группы: гафний, рутений, сурьма, бериллий, стронций, углерод 0,001-0,4, никель и железо в сумме 0,2-0,7, при соотношении никеля к железу 1,0-4,0, кремний, бор, титан, цинк, марганец, медь в сумме 0,001-0,4, при соотношении бора к титану 0,01-3,0, алюминий - остальное.

Все редкоземельные металлы повышают прочностные свойства алюминиевых сплавов и уровень электропроводности. Чем больше содержание этих металлов в сплаве, тем выше прочность, поэтому их содержание в количестве менее 0,5% по массе не приводит к улучшению механических свойств. Введение их в сплав в количестве, больше 5% по массе, приводит к снижению электропроводности и, что не менее важно, при повышении прочности пластические характеристики резко снижаются. Особенно это сказывается при производстве длинномерных деформированных полуфабрикатов (катанки, прутков, проволоки), при этом быстрое упрочнение металла приводит к обрывам изделий и многочисленным остановкам технологического процесса, а также необходимости дополнительных операций отжига для восстановления пластичности после холодной деформации. В связи с этим существенно увеличивается трудоемкость производства таких изделий, снижается выход годного металла, что в целом приводит к увеличению себестоимости продукции.

Для восполнения недостающего количества редкоземельных металлов по массе, с целью повышения жаропрочности и пластичности и в то же время незначительного снижения электропроводности, предлагается дополнительно ввести никель, железо в сумме, составляющей 0,2-0,7 мас.%. Введение этих элементов в сумме, меньше 0,2% по массе, не приводит к достижению указанной цели, а больше 0,7% нецелесообразно, так как снижается пластичность сплава.

Для повышения пластических свойств алюминиевых сплавов применяют модифицирование, что позволяет получить мелкозернистую структуру сплава и повысить его пластические характеристики. С этой целью в сплав дополнительно вводится, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы: гафний, рутений, сурьма, бериллий, стронций, сурьма, углерод в количестве 0,001-0,4, причем верхний предел диапазона ограничен их растворимостью в алюминии и снижением электропроводности сплава.

Для улучшения эксплуатационных характеристик алюминиевого сплава рекомендуется дополнительно вводить в его состав кремний, бор, титан, цинк, марганец, медь в сумме, составляющей 0,001-0,4 мас.%. Перечисленные элементы в комбинации с редкоземельными металлами в указанной сумме способны увеличить электропроводность и прочностные свойства. Снижение их количества меньше нижней границы не дает повышения механических свойств и коррозионной стойкости, а повышение их содержания выше верхней границы приводит к падению пластичности сплава.

Для эксплуатационных и механических свойств алюминиевого сплава важно соотношение никеля к железу, которое составляет 1,0-4,0, и отношение бору к титану, которое составляет 0,01-3,0. Это объясняется тем, что никель в сплаве связывает железо в интерметаллиды, уменьшая количество железа, растворенного в алюминиевом твердом растворе, а избыток никеля по отношению к железу связывает в интерметаллиды редкоземельные металлы, увеличивая их число, и, как следствие, повышая прочность сплавов. При указанных соотношениях бор и титан образуют бориды титана, модифицирующие сплав, и также уменьшают степень растворения титана в сплаве, повышая электропроводность.

Пример реализации изобретения.

Подготовка сплава осуществляется в индукционной печи из первичного алюминия и редкоземельных металлов с добавками никеля, железа, титана, бора и др. элементов. В качестве модификатора вводят один или несколько элементов из группы: гафний, рутений, сурьма, бериллий, стронций, сурьма, углерод в заявленных количествах. Далее с помощью кристаллизатора получают литую заготовку, которую затем подвергают обработке давлением. На полученных деформированных полуфабрикатах замеряют механические свойства и электропроводность.

Для опробования предложенного сплава были приготовлены композиции на верхнем, среднем и нижнем пределах содержания основных компонентов (редкоземельных металлов), состав и свойства которых в сопоставлении с известными сплавами приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 1
Сплав	Содержание компонентов, мас.%
Аl	РЗМ	Аl2О3	оксид РЗМ	кислород	водород	никель	железо	титан	бор	стронций
известный (аналог)	основа	20	1,0	0,5	-	-	-	-	-	-	-
известный (прототип)	основа	10	-	-	0,04	0,01	-	-	-	-	-
заявляемый	основа	5	-	-	-	-	0,2	0,15	0,001	0,001	0,001
заявляемый	основа	3	-	-	-	-	0,2	0,15	0,001	0,001	0,001
заявляемый	основа	0,5	-	-	-	-	0,2	0,15	0,001	0,001	0,001

Как показывает анализ приведенных данных, предложенный сплав обладает, наряду с высокими механическими свойствами, более высокой электропроводностью. Этот комплекс свойств позволяет изготавливать из него изделия в виде электропроводников, работающих при повышенных температурах. Кроме того, высокий уровень пластических свойств расширяет технологические возможности производства из него деформированных полуфабрикатов в виде катанки, прутков и проволоки, имеющих сравнительно низкую себестоимость.