ПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕРМОСТОЙКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2015 года по МПК C22C21/00 

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия при получении изделий электротехнического назначения, а именно для изготовления проводов, предназначенных для высоковольтных ЛЭП при эксплуатации в районах со сложными климатическими условиями и обладающих необходимым комплексом механических, электрических и технологических свойств.

В настоящее время в связи с изменением требований потребителей к механическим свойствам используемых в силовых кабелях и проводах токопроводящих жил по механическим свойствам, резко возрастает потребление электротехнической катанки из сплавов. Реализуемая на рынках катанка для производства проводов и кабелей из сплава марки ABE имеет в качестве легирующих добавок кремний и магний, которые увеличивают прочностные характеристики, но существенно снижают электрическую проводимость проводов. Новые алюминиевые сплавы должны при высокой механической прочности иметь удовлетворительные характеристики по электропроводности. Перспективы расширения рынка сбыта проводов с новыми свойствами, прежде всего в замене алюминиевых линий электропередач на изолированные провода или провода со специальными свойствами.

Известен проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия (см. патент США №4402763), который содержит цирконий в количестве 0,23-0,35%. Технология получения проволоки включает: плавку, получение литой заготовки, горячую прокатку литой заготовки, получение проволоки холодным волочением, старение проволоки в температурном интервале от 310°-390°C в течение 50-400 часов и последующую холодную деформационную обработку.

Основным недостатком известного термостойкого сплава является достаточно высокое удельное сопротивление.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому проводниковому термостойкому сплаву на основе алюминия является сплав (см. патент РФ №2441090, «Проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия», опубл. 27.01.2012), который содержит цирконий, кремний, железо, 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

Известный сплав характеризуется структурой, представляющей собой матрицу, образованную алюминиевым твердым раствором, в котором равномерно распределены наночастицы фазы Al₃Zr с кубической решеткой L1₂, имеющие средний размер не более 20 нм, и равномерно распределенные в матрице железосодержащие частицы, имеющие средний размер не более 3 мкм. Материал может быть выполнен в виде проволоки или тонколистового проката.

К недостаткам можно отнести как высокую себестоимость, так и недостаточное сочетание прочности, термостойкости и электропроводности известного сплава, а наличие церия в известном сплаве влияет как на себестоимость, так и на его свойства.

Технической задачей изобретения является создание нового проводникового термостойкого сплава на основе алюминия с добавкой циркония, который обеспечивал бы улучшенное сочетание прочности, термостойкости и электропроводности, а также снижение себестоимости его производства.

Поставленная цель достигается тем, что в проводниковом термостойком сплаве на основе алюминия, который содержит цирконий, кремний, железо, при этом соотношение ингредиентов, мас.%:

Цирконий 0,19-0,24 Железо 0,17-0,21 Кремний 0,05-0,08 Алюминий и примеси Остальное,

причем дисперсные частицы фазы Al₃Zr в проводниковом термостойком сплаве равномерно распределены в алюминиевой матрице.

Технология изготовления проводникового термостойкого сплава на основе алюминия включает в себя: плавку, получение литой заготовки, горячую прокатку литой заготовки, термообработка катанки при температуре 400°C и последующее получение проволоки методом холодного волочения, при этом цель обработки состоит в формировании структуры, в которой дисперсные частицы фазы Al₃Zr равномерно распределены в алюминиевой матрице.

Предлагаемое соотношение ингредиентов в предлагаемом сплаве приводит к оптимальным показателям по механической прочности и минимальному электросопротивлению. Снижение содержания циркония в количествах меньше 0,19% и железа меньше 0,17% приводит к снижению временного сопротивления по разрыву, а увеличение содержания циркония в количествах свыше 0,24% и железа свыше 0,21% приводит к увеличению удельного электросопротивления.

Указанные диапазоны содержания ингредиентов следует признать оптимальными. Именно в этих пределах достигается наилучшее качество проводникового термостойкого сплава на основе алюминия как с точки зрения физических свойств, так и с точки зрения их стабильности.

В качестве легирующего элемента, повышающего термостойкость алюминия, выбран цирконий. Выбор циркония обусловлен тем, что в мировой практике наиболее часто используются термостойкие сплавы, легированные цирконием. Было проведено 5 плавок с различным содержанием циркония и остальных компонентов. Эксперименты производились на линии непрерывного литья и проката «CONTINUUS-PROPERZI», позволяющей получить катанку с заданной формой поперечного сечения диаметром 9,5 мм. Экспериментальные данные содержания ингредиентов в проводниковом термостойком сплаве показаны в таблице №1.

Таблица №1 Химический состав экспериментальных сплавов п/п № плавки Содержание элементов, % масс. Zr Fe Si Al и примеси 1 0,12 0,15 0,06 остальное 2 0,13 0,15 0,06 остальное 3 0,15 0,15 0,07 остальное 4 0,21 0,17 0,07 остальное 5 0,23 0,18 0,06 остальное

Поэтому указанные количественные пределы ингредиентов по содержанию циркония, железа и кремния являются оптимальными и позволяют обеспечить сочетание высоких прочностных свойств и низкого электросопротивления, причем высокие прочностные свойства предлагаемого проводникового термостойкого сплава сохраняются и при повышенных температурах, что характеризует высокую термостойкость сплава.

Влияние содержания циркония, железа и кремния на электромеханические свойства катанки, изготовленной из предлагаемого проводникового термостойкого сплава, отображено в таблице №2.

Таблица №2 Свойство катанки из термостойкого сплава п/п № плавки Свойства экспериментальных сплавов Режим термообработки, °C Временное сопротивление разрыву, не менее 118 МПа Относительное удлинение, не менее 8% Удельное эл. сопротивление, не более 0,0287 Ом*мм²/м 1 123 11 0,0300 350 2 122 14 0,0301 380 3 116 16 0,0299 400 4 126 14 0,0284 400 5 124 19 0,0280 400

Результаты механических испытаний проволоки показывают, что заявляемый проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия обеспечивает требуемые значения прочности, пластичности и удельного электросопротивления в нагартованном состоянии и после испытания на потерю механической прочности при воздействии повышенных температур, согласно IEC 62004-2007.

Из 4 и 5 экспериментальных плавок проводникового термостойкого сплава были изготовлены по три образца проволоки, проведены испытания образцов проволоки до и после термообработки, свойства проволоки из термостойкого сплава приведены в таблице №3.

Таблица №3 Свойства проволоки из термостойкого сплава п/п № плавки № образца проволоки Свойства проволоки после волочения (диаметр проволоки 2,8 мм) Свойства проволоки после испытания, согласно IEC 62004-2007 Удельное эл. сопротивление, не более 0,0287 Ом*мм²/м Временное сопротивление разрыву, не менее 166 МПа Относительное удлинение, не менее 1,6% Удельное эл. сопротивление, не более 0,0287 Ом*мм²/м Временное сопротивление разрыву, не менее 150 МПа Относительное удлинение, не менее 1,6% 4 1 0,02830 178 2,5 0,02800 174 2,2 2 0,02840 181 3,0 0,02810 176 2,6 3 0,02850 185 2,4 0,02820 180 2,2 5 1 0,02870 181 2,0 0,02860 177 2,0 2 0,02871 180 2,2 0,02863 178 2,0 3 0,02870 179 2,2 0,02862 177 2,5

Использование предлагаемого проводникового термостойкого сплава позволит расширить рынок сбыта проводов с новыми свойствами и заменить алюминиевые провода линий электропередач на изолированные провода или провода со специальными свойствами.

Внедрение предлагаемого проводникового термостойкого сплава на основе алюминия в кабельную промышленность позволит создать провода, которые обеспечивают более высокую пропускную способность, обладают большей прочностью, более высокой температурной стойкостью и устойчивостью к провисанию по сравнению с алюминиевыми проводами.

Также имеется перспектива замены части медных силовых кабелей на кабели с использованием проводов из предлагаемого нового проводникового термостойкого сплава на основе алюминия, в связи с низкой стоимостью проводов из алюминиевых сплавов по сравнению с медными проводами.

В целом от использования предлагаемого проводникового термостойкого сплава на основе алюминия в производстве проводов позволит значительно повысить надежность электросетей, снизить стоимость их содержания и обслуживания.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано для изготовления изделий электротехнического назначения, а именно для изготовления проводов, предназначенных для высоковольтных ЛЭП при эксплуатации в районах со сложными климатическими условиями. Сплав на основе алюминия содержит, мас.%: цирконий - 0,19-0,24; железо - 0,17-0,21; кремний - 0,05-0,08; алюминий и примеси - остальное, и имеет структуру, сформированную термообработкой при температуре 400°С, состоящую из дисперсных частиц фазы Al₃Zr, равномерно распределенной в алюминиевой матрице. Использование предлагаемого проводникового термостойкого сплава позволит создать провода, которые обеспечивают высокую пропускную способность, обладают высокой прочностью, температурной стойкостью и устойчивостью к провисанию. 3 табл.

Проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия, содержащий цирконий, кремний и железо, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
цирконий 0,19-0,24 железо 0,17-0,21 кремний 0,05-0,08 алюминий и примеси остальное,