ПРОВОДНИКОВЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2024 года по МПК C22C21/00 H01B1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия электротехнического назначения, в частности, для изготовления жил электротехнических кабелей, проводов и шнуров широкого диапазона типов, высоковольтных ЛЭП и обладающих необходимым комплексом термостойкости, механических и электрических характеристик.

Уровень техники

Среди известных материалов электротехнического назначения на основе алюминия наибольшее распространение получил технический алюминий (марки А5Е или А7Е, типа 1370), сплавы 8ххх серии (типа 8176, 8030) и сплавы 6ххх серии (например, типа 6101).

Использование алюминия и его сплавов в качестве проводниковой жилы обеспечивает снижение стоимости относительно медных проводниковых жил в сочетании с сохранением высокой электропроводности, низкого веса.

Среди примеров наибольшего применения алюминия марок А5Е (А7Е) следует выделить его использование для изготовления проводов высоковольтных воздушных ЛЭП. Алюминиевая проволока в этом случае, используемая, как правило, в нагартованном состоянии, обеспечивает удачное сочетание прочностных свойств, удельного электросопротивления и стоимости. К недостаткам проводников из технического алюминия следует отнести технологические ограничения получения проволок малого сечения, что ограничивает получение проводниковых изделий с повышенным классом гибкости. Кроме того, проволока из технического алюминия характеризуется низкой стойкостью к многократным изгибам и перегибам, что ограничивает широкое использование технического алюминия для других изделий, включая для прокладки кабельно-проводниковой продукции в зданиях и сооружениях.

Указанные выше недостатки и ограничения эксплуатации изделий из технического алюминия преимущественно могут быть устранены за счет использования алюминиевых сплавов 8ххх серии на базе системы Al-Fe, например, известны сплавы марок 8176, 8030. Дополнительное легирование сплавов 8ххх серии, прежде всего, железом в качестве основного легирующего компонента, способствует улучшению стойкости к многократным изгибам и перегибам, по значениям, которые соответствуют или, в некоторых случаях, превышают стойкость материалов на основе меди при сохранении остальных преимуществ использования алюминия, прежде всего стоимости, в сочетании с обеспечением низкого веса и удельного электросопротивления. К недостаткам указанных сплавов следует отнести то, что при определенном сочетании железа и примесей известные сплавы 8ххх серии могут характеризоваться низкой технологичностью при деформационной обработке, из-за ликвационных процессов при высоком содержании железа, как следствие, повышенной обрывности при получении тонкой проволоки. Кроме того, сплавы 8ххх серии в отожженном состоянии могут характеризоваться недостаточным уровнем прочностных свойств и термостойкости.

Известен алюминиевый сплав согласно RU2791313, где предложен электротехнический сплав на основе алюминия, содержащий, мас. %: железо 0,4-0,8; бор до 0,02; алюминий и неизбежные примеси остальное, при этом он имеет микроструктуру, сформированную твердым раствором на основе алюминия и частицами кристаллизационного происхождения в виде железосодержащих частиц и борсодержащих частиц, причем среднее расстояние между частицами кристаллизационного происхождения составляет от 2 до 15 мкм. К недостаткам материла следует отнести очевидно недостаточную термостойкость.

Также известны алюминиевые сплавы электротехнического назначения, направленные на повышение эксплуатационных характеристик, технологичности при получении продукции из алюминия, в том числе, за счет малых добавок переходных металлов, описание которых приводится ниже.

Среди алюминиевых сплавов с повышенным уровнем прочностных свойств и термостойкости следует выделить сплавы системы Al-Zr (типа 8040). Благодаря присутствию циркония в виде вторичных частиц Al3Zr с типом решетки L12 обеспечивается термостойкость проводников вплоть до 230 ºС. Известные различные варианты сплавов рассчитаны для разных температурных условий эксплуатации. К недостаткам сплавов системы Al-Zr следует отнести необходимость длительной термической обработки, при которой формируются частицы Al3Zr с типом решетки L12 и достигается требуемая термостойкость.

Известно изобретение RU2659546, где предложен алюминиевый сплав, содержащий цирконий и по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, содержащей железо и никель, при этом структура сплава представляет собой алюминиевую матрицу с распределенными в ней частицами вторично выделенной фазы Al₃Zr с кристаллической решеткой L1₂ и с размером не более 20 нм и частицами фаз эвтектического происхождения в количестве от 0,5 до 3,0 мас.%, содержащих железо и/или никель, при этом алюминиевая матрица содержит по массе не более 1/3 циркония от общего содержания циркония в сплаве. Недостатком предложенного изобретения является высокое содержание циркония 0,22-0,7 мас.%, что значительно усложняет технологический процесс производства электротехнической продукции.

В изобретении EP0893512 раскрыт коррозионностойкий Zr-содержащий алюминиевый сплав, содержащий (мас.%): 0,10-0,40 железа, 0,05-0,25 кремния, 0,05-0,20 циркония, а остальное алюминий и неизбежные примеси. К недостаткам данного материала следует отнести необходимость проведения термической обработки для формирования частиц Al3Zr типа L12.

В изобретении US6503446 раскрыт стойкий к коррозии и росту зерен алюминиевый сплав, содержащий (мас.%): 0,05-0,5 кремния; до 0,7 меди; до 0,01 никеля; до 1,0 магния; до 0,5 хрома; до 0,09 железа; 0,2-1,0 марганца; 0,10-0,20 титана; 0,10-0,35 ванадия; 0,10-0,30 циркония; 0,10-0,40 цинка. Химический состав сплавов адаптирован для использования в теплообменниках. Недостатком предложенного материала является высокие значения удельного электрического сопротивления.

К наиболее прочным известным проводниковым материалам следует отнести сплавы системы Al-Mg-Si (сплавы типа АВЕ, 6101 и 6201). Электротехнические сплавы 6ххх серии после термической обработки обеспечивают высокие значения прочностных характеристик, сочетание удовлетворительного уровня относительного удлинения и удельного электросопротивления. Среди недостатков электротехнических сплавов 6ххх серии следует выделить, прежде всего, относительно высокий уровень удельного электрического сопротивления (который выше на 10-15%) по сравнению с техническим алюминием, недостаточную термостойкость, низкую технологичность из-за повышенной обрывности при волочении проволоки малого сечения.

В изобретении US9564254 раскрыт материал для проволоки, содержащий (мас.%): Mg 0,2-1,5; Si 0,1-2,0; в том числе, Fe 0,1-1,0 или, по меньшей мере, один элемент, выбранный из Cu, Cr, Mn и Zr, и Fe в общей сложности от 0,1 до 1,0; дополнительно содержит Ti 0,005-0,08 и B 0,0005-0,016; Zr 0,02-0,40 и Mn от 0,05-0,40; остальное алюминий и неизбежные примеси, при этом для проволоки 0,5 мм и менее удельное электрическое сопротивление не менее 40% IACS, временное сопротивление разрыву более 150 МПа; относительное удлинение более 5%; максимальный размер зерна 50 мкм или менее, при этом отношение максимального размера зерна к диаметру проволоки составляет менее 10%.

Также известно, что для получения гибких проводов используют материалы, содержащие относительно большое количество эвтектики. Так, известен материал на основе системы Al-Ce (или мишметалл), получивший обозначение 01417 (Добаткин В. И. и др. Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы. ВИЛС, 1995, 338 с.). Производство проволоки из сплава 01417 предусматривает гранульную технологию получения заготовок, в этом случае проволока характеризуется удачным сочетанием прочностных свойств, удлинения и термостойкости вплоть до 250 ºС. К недостаткам сплава 01417 следует отнести высокую чувствительность материала к способу получения заготовок, в частности, при использовании традиционных способов получения, включающий получение литой заготовки, из-за чего может быть не достигнуто требуемое сочетание прочностных свойств и удлинения. К недостаткам материала следует отнести относительно большое удельное электрическое сопротивление, которое примерно на 10 % превышает типичные значения для сплавов 8ххх серии.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является изобретение RU2729281, где предложен проводниковый алюминиевый сплав, содержащий железо, цирконий и кремний, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении (мас. %): железо 0,40-0,60; цирконий 0,05-0,10; кремний до 0,07, по меньшей мере один примесный элемент, выбранный из группы титан, хром, ванадий, марганец до 0,015, остальное алюминий и неизбежные примеси. К недостаткам сплава следует отнести то, что предложенный материал характеризуется повышенным значением удельного электрического сопротивления, а снижение значений удельного электрического сопротивления требуется проводить термическую обработку в диапазоне температур, не обеспечивающей удачное соотношение прочности и относительного удлинения.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей изобретения является создание алюминиевого материала, характеризующегося сочетанием заданного уровня удельного электрического сопротивления, термостойкости, в сочетании с другим комплексом механических характеристик на уровне сплавов 8ххх серии.

Техническим результатом является повышение уровня механических характеристик и термостойкости относительно известных материалов на основе технического алюминия и сплавов 8ххх серии, что достигается за счет использования химического состава и регламентации структурных составляющих в материале.

Технический результат достигается за счет того, что предложен проводниковый материал на основе алюминия, содержащий железо, кремний, цирконий, скандий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

железо 0,15-0,5 кремний 0,04-0,12 цирконий 0,02-0,06 скандий до 0,05 алюминий и неизбежные примеси остальное,

при этом структура проводникового материала сформирована алюминиевым твердым раствором, эвтектическими частицами A1₈Fe₂Si в количестве 0,37–1,24 об.%, вторичными выделениями типа L12 в количестве 0,02-0,15 об.%.

В частном случае реализации технического решения суммарное содержание циркония и скандия должна удовлетворять условию Zr + Sc <0,05 мас.%.

Другим аспектом изобретения является изделие из проводникового материала, изготовленного из электротехнического материала на основе алюминия, описанного выше, и имеющее удельное электрическон сопротивление, не превышающее 0,0286 µОм*м.

В частном случае реализации технического решения изделие может быть выполнено в виде катанки, проволоки или электротехнической шины.

Осуществление изобретения

Для обеспечения высокого уровня эксплуатационных свойств предлагаемый электротехнический материал должен содержать (в мас.%): железо 0,15-0,5, кремний 0,04-0,12, цирконий 0,02-0,06, скандий не более 0,05, алюминий и неизбежные примеси остальное, а структура алюминиевого материала должна представлять собой твердый раствор на основе алюминия, содержащий цирконий 0,02-0,06 мас.%, и скандий в количестве до 0,05 мас.%, эвтектическими частицами, содержащими железо, вторичными выделениями типа L1₂.

Обоснование заявляемых количеств легирующих компонентов и требование к структуре материала приведено ниже.

Содержание железа в количестве 0,15-0,5 мас. % и кремния в количестве 0,04-0,12 мас. % необходимо для достижения прочностных характеристик, сохранения удельного электрического сопротивления на удовлетворительном уровне.

В присутствии железа и кремния в пределах заявленного диапазона в структуре формируются эвтектические частицы A1₈Fe₂Si, являющиеся предпочтительными, по сравнению с другими эвтектическими частицами, например, Al₆Fe.

При содержании железа выше 0,5 мас.% и содержании других элементов в заявленных пределах, то в структуре сформируется избыточное количество эвтектической фазы, как следствие уменьшается доля алюминиевого раствора, что приведет к повышению удельного электрического сопротивления.

При содержании железа ниже 0,15 мас.%, при одновременном содержании других легирующих элементов в пределах заявленного диапазона, снижается количество эвтектической фазы до уровня, при котором снижается стойкость к перегибам.

Присутствие кремния в пределах 0,04-0,12 мас.% способствует усилению эффекта твердорастворного упрочнения от содержания циркония.

При содержании кремния ниже 0,04 мас.%, при одновременном содержании других легирующих элементов в пределах заявленного диапазона, в структуре будет формироваться большое количество эвтектической фазы Al₆Fe, присутствие которой менее предпочтительно.

При содержании кремния выше 0,12 мас.%, при одновременном содержании других легирующих элементов в пределах заявленного диапазона, то в этом случае часть кремния будет перераспределяться между эвтектическими частицами и алюминиевым раствором, где последнее крайне нежелательно из-за повышения удельного электрического сопротивления.

Содержание циркония в диапазоне 0,02-0,06 мас.%, в сочетании с заявленным химическим составом, необходимо для повышения стойкости к нагреву вплоть до 150 °С. При содержании циркония менее 0,02 мас.% не установлено положительное влияние на термостойкость материала. При содержании циркония более 0,06 мас.% цирконий оказывает значительное отрицательное влияние на значения удельного электрического сопротивления, повышая его до неприемлемо высокого уровня. При содержании циркония выше 0,04-0,06 мас.% положительный эффект термостойкости обусловлен перераспределению циркония между алюминиевым раствором и вторичными выделениями типа L12. При содержании циркония 0,02-0,04 мас.% положительный эффект термостойкости обусловлен нахождению циркония в алюминиевом растворе.

Содержание скандия в количестве до 0,05 мас.% усиливает эффект термостойкости, а также дополнительно приводит к увеличению прочностных свойств за счет образования вторичных выделений типа L1₂ за счет присутствия циркония и скандия. Количество вторичных выделений типа L1₂ может находиться в диапазоне 0,02-0,15 об.%. Наиболее предпочтителен вариант, когда сумма по содержанию циркония и скандия не превышает 0,05 мас. %, в этом случае материал может быть использован без термической обработки с обеспечением требования по значениям удельного электрического сопротивления. Общая сумма циркония и скандия не должна превышать 0,07 мас. % для обеспечения короткого цикла термической обработки.

Стойкость к многократным изгибам и перегибам на отожженной проволоке обеспечивается благодаря формированию структуры, которая образована твердым раствором, эвтектическими частицами, содержащими железо и кремний. Количество эвтектических частиц A1₈Fe₂Si в этом случае находится в диапазоне 0,37-1,24 об.%.

Повышенная термостойкость вплоть до 150°С обеспечивается благодаря присутствию циркония в алюминиевом растворе, а также за счет присутствия вторичных выделений типа L1₂.

Примеры конкретного исполнения

Пример 1

Заявленный концентрационный диапазон легирующих элементов подтвержден результатами ниже.

На примере разных химических составов для шин электротехнического назначения, приведенных в таблице 1 определены механические свойства и удельное электрическое сопротивление, показана термическая стойкость, где критерием является потеря свойств не более 10 %. Материал в виде плоского проката получен в лабораторных условиях. Исходная толщина слитков составляла 40 мм, а конечная толщина 1,5 мм. Параметры структуры материала для состояний H14 (нагартованное состояния) и H24 (после смягчающего отжига) приведены в таблице 2. Результаты определения механических свойств (временное сопротивление разрыву-(σ_в), относительное удлинение-(δ), удельного электрического сопротивления (ρ) и испытаний на термостойкость, как процент падения временного сопротивления после выдержки при повышенной температуре относительно исходного значения - (Δ) для разных состояний приведены в таблице 3.

Таблица 1-Химический состав материала в виде плоского проката

№ Fe Si Zr Sc Al и неизбежные примеси 1 0,15 0,04 0,06 < 0,0002 Остальное 2 0,5 0,12 0,02 < 0,0002 Остальное 3 0,4 0,11 0,04 < 0,0002 Остальное 4 0,4 0,11 0,02 0,05 Остальное

Таблица 2-Параметры структуры материала в виде плоского проката

№ Состояние Структурные составляющие Объемная доля, об.% Q_A18Fe2Si Q_L12 1 H14 Al-раст, эвт. частицы 0,37 - H24 Al-раствор, эвт. частицы, вторич. выд. L1₂ 0,07 2 H14 Al-раст, эвт. частицы 1,24 - H24 Al-раствор, эвт. частицы, вторич. выд. L1₂ 0,02 3 H14 Al-раст, эвт. частицы 0,99 - H24 Al-раствор, эвт. частицы, вторич. выд. L1₂ 0,05 4 H14 Al-раст, эвт. частицы 0,99 - H24 Al-раствор, эвт. частицы, вторич. выд. L1₂ 0,15

Таблица 3-Результаты определения механических свойств, удельного электрического сопротивления и испытаний на термостойкость для разных состояний

№* Состояние σв, МПа δ, % ρ, µОм*м Δ, % 1 H14** 164 2,9 0,0285 6 2 H14 173 2,1 0,0283 9 3 H14 172 2,3 0,0285 7 4 H24*** 165 8,4 0,0281 2

* - состав см.табл.1, ** - нагартованное состояние; *** - нагартованное и отжиг

Как видно из таблицы 3, в пределах заявленного диапазона химического состава, предложенный материал характеризуется хорошим сочетанием характеристик, в частности, хорошим уровнем прочностных свойств и удельного электрического сопротивления.

Изобретение относится к металлургии, а именно к материалам электротехнического назначения на основе алюминия, в частности для изготовления жил электротехнических кабелей, проводов и шнуров широкого диапазона типов, высоковольтных ЛЭП и обладающих необходимым комплексом термостойкости, механических и электрических характеристик, в том числе материал способен работать при температуре вплоть до 150°С без существенной потери прочностных свойств. Проводниковый материал содержит, мас.%: железо 0,15-0,5, кремний 0,04-0,12, цирконий 0,02-0,06, скандий до 0,05, алюминий и неизбежные примеси остальное. Структура проводникового материала сформирована алюминиевым раствором, эвтектическими частицами, содержащими железо и кремний, необязательно, вторичными выделениями типа L1₂, а удельное электрическое сопротивление проводникового материала не превышает 0,0286 μОм⋅м. Материал характеризуется высокими механическими свойствами и заданным уровнем удельного электрического сопротивления и термостойкости. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 пр.

1. Проводниковый материал на основе алюминия, содержащий железо, кремний, цирконий, скандий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

железо 0,15-0,5 кремний 0,04-0,12 цирконий 0,02-0,06 скандий до 0,05 алюминий и неизбежные примеси остальное,

при этом структура проводникового материала сформирована алюминиевым твердым раствором, эвтектическими частицами A1₈Fe₂Si в количестве 0,37-1,24 об.%., вторичными выделениями типа L1₂ в количестве 0,02-0,15 об.%.

2. Проводниковый материал по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание циркония и скандия удовлетворяет условию Zr + Sc < 0,05 мас.%.

3. Изделие из проводникового материала на основе алюминия, отличающееся тем, что оно изготовлено из материала по п. 1 или 2 и имеет удельное электрическое сопротивление, не превышающее 0,0286 μОм*м.

4. Изделие по п. 3, отличающееся тем, что оно выполнено в виде катанки, проволоки или электротехнической шины.