ЖАРОСТОЙКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОВОДОВ Российский патент 2013 года по МПК C22C21/00 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к сплавам на основе алюминия, предназначенным для изготовления электрических проводов, работающих при температурах 250-300°С, когда требуется сочетание достаточно высокой прочности при комнатной и повышенных температурах и низкого электросопротивления.

Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%: железо 0,0001-0,20%; кремний 0,0001-0,10%; цинк 0,0001-0,10%; медь 0,0001-0,10%; никель 0,0001-0,10%; по крайней мере один редкоземельный металл, выбранный из группы, содержащей иттрий, гадолиний, диспрозий, церий, лантан 0,0001-0,20%; алюминий - остальное (Авторское свидетельство СССР №453455 кл. С22С 21/00, 1973).

Указанный сплав при высокой электропроводности и технологичности при изготовлении проволоки интенсивно разупрочняется с повышением температуры и может работать только до 100-150°С.

Известен сплав на основе алюминия содержащий 0,2-5 мас.% редкоземельных металлов, предназначенный для проводников электрического тока (пат. Японии №23078, кл. 10D16, 1964). Однако он может быть использован для работы только при температуры до 150°С.

Наиболее близким к данному изобретению по совокупности признаков является сплав следующего состава, мас.%:

- по крайней мере один металл, выбранный из группы редкоземельных металлов 5-20;

- железо 0,15-0,7;

- окись алюминия 0,1-1,0;

- алюминий - остальное (Авторское свидетельство СССР №548173, кл. С22С 21/00, 1974).

Данный известный сплав имеет высокие прочностные свойства при температурах 250-300°С и низкое электросопротивление, что позволяет изготавливать из него проволоку для электротехнических целей. Однако, указанный сплав обладает низкой технологичностью и из него можно изготавливать проволоку только диаметром до 0,5 мм, что не покрывает всю номенклатуру проводов.

Поставленная задача состояла в разработке сплава на основе алюминия, который обладал бы повышенной технологичностью, позволяющей изготавливать проволоку для проводов диаметром до 0.05 мм, с достаточной прочностью при комнатной температуре при сохранении повышенной жаропрочности до 250-300°С и низким электросопротивлением.

Технический результат достигается тем, что сплав на основе алюминия, содержащий железо и по крайней мере один металл, выбранный из группы редкоземельных металлов, дополнительно содержит бериллий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- по крайней мере один металл, выбранный из группы редкоземельных металлов 2,5-4,5;

- железо 0,05-0,1;

- бериллий 0,05-0,1;

- алюминий - остальное.

Причем размер включений эвтектических интерметаллидов редкоземельных металлов в алюминии в предлагаемом сплаве меньше 1 мкм. Это обстоятельство позволяет значительно повысить технологичность сплава, что обуславливает возможность изготовления из сплава проволоки диаметром менее 0,5 мм.

При повышении температуры расплава известного сплава наблюдается резкое взаимодействие рекоземельных металлов с кислородом воздуха, металл как бы «кипит» и редкоземельные металлы практически полностью выгорают из расплава.

Для устранения этого в сплав вводят добавку бериллия, которая взаимодействует с редкоземельными металлами и связывает их в тройную фазу Al₃Р3МВе, которая, находясь в расплаве, препятствует взаимодействию редкоземельных металлов с кислородом воздуха. Содержание бериллия определяется содержанием редкоземельных металлов в сплаве. При содержании редкоземельных металлов в сплаве 2,5-4,5%, содержание бериллия должно быть 0,05-0,1%, так чтобы весь редкоземельный металл был связан в расплаве в тройную фазу Al₃Р3МВе.

Если бериллия в сплаве будет меньше, чем 0,05%, то часть редкоземельных металлов не будет связана в тройной фазе и редкоземельные металлы будут гореть.

Если бериллия в сплаве будет больше 0,1%, то избыточный бериллий при плавке будет выделяться в окружающую атмосферу, отравляя ее и обслуживающий персонал.

Алюминий марки А99 в виде чушек помещают в электрическую печь и перегревают до образования расплава. После очистки поверхности расплава, вводят лигатуры Al-Fe и Al-Be из расчета получения нужного состава сплава.

После выдержки и перемешивании расплава в него вводят РЗМ (лантан) в виде чушки так, что бы химический состав расплава соответствовал сплаву согласно изобретению. Расплав перемешивают, выдерживают 30 минут, с поверхности удаляют шлак и отливают непосредственно с температурой плавления в виде литой проволочной заготовки диаметром 3,0 мм. Для литья используется специальная установка.

Из предложенного сплава были отлиты ряд сплавов в виде литой проволочной заготовки следующего состава, мас.%:

1) - 2,5; 3,5 и 4,5% лантана,

- 0,05; 0,08 и 0,1% железа и 0,05,

- 0,08 и 0,1% бериллия,

- остальное - алюминий;

2) - 2,5; 3,5 и 4,5% церия,

- 0,05,0,08 и 0,1% железа,

- 0,05; 0,08 и 0,1% бериллия,

- остальное - алюминий;

3) - 2,5; 3,5 и 4,5% иттрия,

- 0,05; 0,08 и 0,1% железа,

- 0,05; 0,08 и 0,1% бериллия,

- остальное алюминий.

Полученную литую проволочную заготовку подвергают отжигу при температуре 400°С в течение не менее 30 минут и волочат на многократной волочильной машине до диаметра 0,6 мм. Данную проволоку после смягчающего 30 минутного отжига при температуре 400°С волочили на многократной машине до требуемого диаметра: 0,2 мм; 0,1 мм; 0,08 мм; 0,05 мм.

Аналогичная технология используется для изготовления проволоки предлагаемого сплава с другими редкоземельными металлами (Се, Pr и т.д.) и их смесями. Механические свойства проволоки у всех сплавов очень близки и соответствуют требованиям технических условий.

Анализ микроструктуры литой проволочной заготовки из всех сплавов показал, что размер эвтектических выделений редкоземельных металлов в алюминии во всех случаях составил менее 1 мкм. Проволочную заготовку подвергают волочению с промежуточными отжигами до диаметра 50 мкм.

Из изготовленной проволоки диаметром до 0,05 мм были изготовлены провода, которые полностью закрыли всю номенклатуру проводов, применяемых в электротехнике.

Состав образцов сплава и типичные механические свойства и электросопротивление проволоки диаметром 0.05 мм приведены в таблице.

Состав сплава и свойства полученной проволоки   Размер эвтектических включений Диаметр проволоки, мм Механические свойства Электросопротивление,
ρ,
мк·Ом·см Состав сплава При 20°С При 250°С σ_в δ, σ_в δ, МПа % МПа % Алюминий,               10% лантана, ~10 мкм ⌀ 0,5 мм, 260 2,3 110 22 0,33 0,2% железа,   ⌀ 0,05 мм           0,3% окиси алюминия - прототип ~10 мкм получить не удалось - - - - - Алюминий,               2,5% лантана,               0,05% железа, <1,0 мкм ⌀ 0,05 мм 255 2,8 105 28 0,3 0,05% берилия Алюминий,               3,5% лантана,               0,08% железа, <1,0 мкм ⌀ 0,05 мм 257 2,7 106 27 0,3 0,08% берилия Алюминий,               4,5% лантана,               0,1% железа, <1,0 мкм ⌀ 0,05 мм 253 2,8 107 26 0,3 0,1% берилия

Механические свойства проволоки диаметром до 0.05 мм легированной церием и иттрием аналогичны свойствам проволоки легированной лантаном.

Из анализа данных таблицы следует, что предложенный сплав более технологичен, чем известный сплав (прототип), и позволяет изготавливать проволоку диаметром до 0.05 мм, а по механическим свойствам при комнатной и повышенной (250°С) температурах не уступает известному, существенно превосходя последний по электросопротивлению.

Изобретение относится к области цветной металлургии и электротехники, в частности к сплавам, используемым для изготовления электрических проводов. Сплав содержит, в мас.%: по крайней мере один металл, выбранный из группы редкоземельных металлов - 2,5-4,5, железо - 0,05-0,1, бериллий - 0,05-0,1, алюминий - остальное, причем структура сплава содержит включения эвтектических интерметаллидов редкоземельных металлов размером меньше 1 мкм. Технический результат заключается в повышении технологичности получения из сплава проволоки диаметром до 0.05 мм при сохранении высокого уровня жаростойкости и низкого уровня электросопротивления. 1 табл.

Жаропрочный сплав на основе алюминия для электрических проводов, содержащий железо и, по крайней мере, один металл, выбранный из группы редкоземельных металлов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бериллий при следующем соотношении компонентов, в мас.%: по крайней мере один металл, выбранный из группы редкоземельных металлов - 2,5-4,5, железо - 0,05-0,1, бериллий - 0,05-0,1, алюминий - остальное, причем размер включений эвтектических интерметаллидов редкоземельных металлов в микроструктуре сплава составляет меньше 1 мкм.