СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАТАНКИ ИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО АЛЮМИНИЯ И КАТАНКА ИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО АЛЮМИНИЯ Российский патент 2025 года по МПК B21C23/08 B22D21/04 H01B13/04 C22C21/00 B82Y30/00 

Группа изобретений относится к области металлургии, в частности к металлическим композитам на основе алюминиевой матрицы, упрочненной графеном. Предложенные способ и катанка могут быть использованы для получения кабельно-проводниковой продукции и изделий электротехнического назначения.

Среди материалов электротехнического назначения на основе алюминия наибольшее распространение получил технический алюминий (А5Е или А7Е по ГОСТ 11069). Применение технического алюминия в электротехнических изделиях обеспечивает снижение стоимости электротехнической продукции относительно медных изделий, а также хорошее сочетание таких характеристик, как электропроводность, низкий вес и хорошую свариваемость. Среди примеров наибольшего применения технического алюминия в электротехнике следует выделить использование проволоки для изготовления проводов высоковольтных воздушных ЛЭП. При этом классическая технология получения такого материала осуществляется следующим образом: из раздаточного котла, где материал поддерживается в состоянии жидкой фазы, по литейным лоткам алюминий в жидком виде подается в кристаллизатор с заданной скоростью, в кристаллизаторе материал переходит в твердую фазу и приобретает вид сплошного профиля с сечением в виде трапеции. Алюминиевая проволока, в этом случае, используемая в нагартованном состоянии, обеспечивает удачное сочетание прочностных характеристик, удельного электросопротивления и стоимости. Однако, низкий уровень относительного удлинения в нагартованном состоянии проволоки (обычно не превышает 2-4%), в том числе низкая стойкость к многократным изгибам и перегибам ограничивает ее широкое использование для других изделий, включая использование для прокладки кабельно-проводниковой продукции в зданиях и сооружениях. Проблему, связанную с превышением электропроводимости медных проводов по отношению к алюминиевым почти в два раза, удалось решить, внедрив графеновую добавку в алюминиевый сплав, так как графен отлично проводит электрический ток, при этом прочен и эластичен.

Известен способ производства композиционного материала с металлической матрицей, содержащей, по меньшей мере, один металлический компонент и, по меньшей мере, один расположенный в ней армирующий компонент, причем, по меньшей мере, один из компонентов напыляют на подложку термическим распылением и используют в качестве, по меньшей мере, одного армирующего компонента углерод в форме нанотрубок, нановолокон, графенов, фуллеренов, чешуек или алмаза, и используют, по меньшей мере, один дополнительный армирующий компонент, выбранный из группы, содержащей вольфрам, карбид вольфрама, карбид вольфрама-кобальт, кобальт, оксид меди, оксид серебра, нитрид титана, хром, никель, бор, карбид бора, инвар, ковар, ниобий, молибден, оксид алюминия, нитрид кремния, карбид кремния, оксид кремния, вольфрамат циркония и оксид циркония (RU 2536847 С2, С22С 1/05, опубл. 27.12.2014).

Известен способ получения проволоки из сверхжаропрочного алюминиевого сплава, включающий плавку алюминиевого слитка при 750-780°С с добавлением легирующих элементов для получения расплавленного алюминия, легирование расплавленного алюминия перемешиванием и добавлением армирующего агента, содержащего графен, сплавление при 750-780°С в течение 25-50 мин, добавление шлакоотделителя для удаления шлака, предварительный нагрев формы до 200-220°С и выдержку, понижение температуры расплавленного алюминия до 740°С и литье его в форму, и формирование проволоки из сверхжаропрочного алюминиевого сплава горячей экструзией и волочением (CN 113957300, А, С22С 1/02, опубл. 21.01.2022).

Наиболее близким аналогом заявленной группы изобретений является известный способ получения катанки из электротехнического алюминия, включающий получение раствора графена путем смешивания деионизированной воды с поверхностно-активным веществом и загустителем, добавления графена, перемешивания, добавления порошка оксида алюминия и перемешивания, сублимационную сушку, вакуумную обработку, обжиг в атмосфере азота с получением обожженного продукта, содержащего графен, плавку алюминиевого сырья в нагревательной печи, подачу обожженного продукта для получения жидкого металлического алюминиевого сплава, литье и прокатку, охлаждение, термообработку и волочение для получения графенсодержащей проволоки (CN 113345643, H01B 1/02, опубл. 03.09.2021).

Недостатком известных решений является неравномерное и неориентированное распределение графена в сплаве алюминия, что не позволяет достигнуть необходимого уровня электропроводности в изготовленном из такого материала изделии, при этом в таком материале сохраняется низкая стойкость к многократным изгибам и перегибам.

Технической проблемой, на решение которой направлена предложенная группа изобретений, является создание способа изготовления катанки, обеспечивающего получение катанки из электротехнического алюминия, характеризующейся высоким уровнем электропроводности, высокой технологичностью при деформационной обработке и высокой стойкостью к многократным изгибам и перегибам.

Техническим результатом, который достигается при реализации предложенных изобретений, является повышение электропроводности электротехнического материала, а также обеспечение высокой технологичности материала при деформационной обработке и стойкости к многократным изгибам и перегибам.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что способ получения катанки из электротехнического алюминия включает получение расплава электротехнического алюминия, его подачу в печь-миксер для рафинирования, очистку и доводку расплава с одновременной подачей в расплав графена, последующую подачу расплава по литейному лотку в кристаллизатор и получение на выходе из него заготовки с сечением в виде трапеции, которую подвергают горячей прокатке с получением катанки, при этом графен подают в расплав в виде одностенных графеновых трубок с обеспечением их равномерного распределения в объеме расплава и концентрации в общей массе расплава, составляющей 0,05 мас. %, при этом подачу полученного расплава электротехнического алюминия и одностенных графеновых трубок в кристаллизатор осуществляют по литейному лотку, выполненному из электроизоляционного материала, причем в начале лотка и перед кристаллизатором устанавливают два электрода, через которые в расплав подают ток 200-500 А, направление которого совпадает с направлением движения расплава в лотке, а между двумя электродами устанавливают блоки катушек индуктивности, на которые подают ток для формирования электромагнитного поля в форме конуса, обеспечивающий ориентацию одностенных графеновых трубок, совпадающую с осью протекания расплава.

Указанный технический результат обеспечивается также тем, что катанка из электротехнического алюминия, которая получена вышеупомянутым способом из электротехнического алюминия, характеризуется тем, что содержит графен в виде ориентированных по оси катанки одностенных графеновых трубок, равномерно распределенных в объеме алюминия в количестве 0,05 мас. %.

Графен может вводится в расплав алюминия в смеси с порошком алюминия, размещенной в алюминиевой фольге. Поскольку графен не смачивается жидким алюминием до температуры примерно 1000°С, то для улучшения смачивания и, соответственно, облегчения введения графена в расплав алюминия графеновые трубки размером до 70-100 мкм смешивают с тонкодисперсным порошком алюминия и полученную смесь размещают в алюминиевой фольге. Размещенную в фольге смесь вводят в расплав алюминия, далее при воздействии электромагнитного поля происходит перемешивание графена в расплаве алюминия и его направленное распределение в направлении оси получаемой катанки.

Предложенная группа изобретений осуществляется следующим образом.

Пример 1.

В раздаточный котел, помимо алюминия, непрерывно при одновременном перемешивании при температуре 700°С расплава алюминия АДО добавляют размещенную в алюминиевой фольге смесь порошка алюминия и одностенных графеновых трубок в таком количестве, чтобы их концентрация в общем объеме расплава составляла 0,05 мас. %. Полученную жидкую смесь направляют в литейный лоток, изготовленный из электроизоляционного материала, и далее направляют в кристаллизатор. В начале литейного лотка и перед кристаллизатором устанавливают два электрода, с помощью которых в упомянутую жидкую смесь подают ток 300 А. Направление тока - по ходу движения материала в лотке. Между двумя электродами, обеспечивающими подачу электрического тока в жидкий материал, установлены блоки катушек индуктивности, по принципу, схожему с конструкцией обмоток статора в электрической машине переменного тока. Катушки индуктивности обеспечивают частоту вращения поля 630 Гц. Всего установлено 4 блока. Каждый из блоков управляется с помощью статического преобразователя, который обеспечивает такую подачу электрического тока в катушки, при которой результирующий вектор магнитного поля движется по поверхности воображаемого в пространстве конуса. При этом в сечении конуса угол наклона гипотенузы относительно высоты для первого блока составляет 45 градусов, для второго - 30 градусов, для третьего - 15 градусов, а для четвертого - вектор магнитного поля совпадает с осью движения жидкого алюминия. При прохождении смеси алюминия и одностенных графеновых трубок через электромагнитное поле, сконфигурированное таким образом, на проводник начинает действовать сила Ампера, и поскольку электропроводность одностенных графеновых трубок при прохождении тока в осевом направлении многократно превышает электропроводность алюминия, то одностенные графеновые трубки в объеме жидкого алюминия начинают перераспределяться таким образом, что после завершения этого процесса их ориентация в пространстве преимущественно совпадает с осью протекания основного материала. В таком состоянии жидкая смесь начинает кристаллизоваться и переходит в твердое состояние в кристаллизаторе. Таким образом, формируется направленное расположение графеновых трубок параллельно оси катанки. Получена катанка, имеющая сечение 10 мм². Полученная катанка обладала следующими характеристиками электропроводности, предела прочности, относительного удлинения и числа циклов изгиба при угле закручивания 5 л и 6 л (в качестве критерия стойкости к многократным изгибам и перегибам):

электропроводность - 28,6 IACS%,

предел прочности - 273 МПа,

относительное удлинение - 13%,

число циклов изгиба при угле закручивания 5 л; - 4123, а при 6 л - 2835.

Пример 2.

Аналогичным примеру 1 способом была получена катанка из электротехнического алюминиевого сплава АД31, причем возможно получение катанки различных сечений от 5 до 50 мм² (с отклонением по диаметру+/- 0,5 мм) со следующими характеристиками:

электропроводность - 32 IACS%,

предел прочности - 301 МПа,

относительное удлинение - 12%,

число циклов изгиба при угле закручивания 5 л - 4103, а при 6 л - 2740.

Ориентирование одностенных графеновых трубок параллельно оси заготовки обеспечивает радикальное повышение электропроводности в местах их расположения, тем самым достигается улучшение параметра электропроводности в целом у полученной заготовки на величину до 15% по сравнению с электропроводностью известной из наиболее близкого аналога заготовки, а также повышение стойкости катанки к многократным изгибам и перегибам. Равномерное распределение одностенных графеновых трубок по сечению катанки (то есть от оси к перефирии) обеспечивает высокую пластичность и стойкость к перегибам.

Таким образом, достижение заявленного технического результата - повышение электропроводности, а также высокой технологичности материала при деформационной обработке и стойкости к многократным изгибам и перегибам обеспечивается за счет распределения одностенных графеновых трубок в объеме катанки с одновременным ориентированием их в продольном направлении путем воздействия электромагнитного поля на элементарные проводники в базовом материале, находящемся в жидкой фазе в условиях прохождения электрического тока.

Изобретения относятся к области металлургии, в частности к металлическим композитам на основе алюминиевой матрицы, упрочненной графеном, и могут быть использованы для получения кабельно-проводниковой продукции. Способ включает получение расплава электротехнического алюминия, его подачу в печь-миксер для рафинирования, очистку и доводку расплава с одновременной подачей в расплав графена и последующую подачу расплава по литейному лотку в кристаллизатор с получением заготовки, сечение которой имеет вид трапеции. Заготовку подвергают горячей прокатке с получением катанки. Графен подают в расплав в виде одностенных графеновых трубок с обеспечением их концентрации в общей массе расплава, составляющей 0,05 мас. %, и достижения равномерного их распределения в объеме расплава. Подачу полученного расплава электротехнического алюминия и одностенных графеновых трубок в кристаллизатор осуществляют по литейному лотку, выполненному из электроизоляционного материала. В начале лотка и перед кристаллизатором устанавливают два электрода, через которые в расплав подают ток 200-500 А, направление которого совпадает с направлением движения расплава в лотке. Между двумя электродами устанавливают блоки катушек индуктивности, на которые подают ток для формирования электромагнитного поля в форме конуса, обеспечивающий ориентацию одностенных графеновых трубок, совпадающую с осью протекания расплава. Технический результат заключается в повышении электропроводности электротехнического материала, а также в обеспечении высокой технологичности материала при деформационной обработке и стойкости к многократным изгибам и перегибам. 2 н.п. ф-лы, 2 пр.

1. Способ получения катанки из электротехнического алюминия, включающий получение расплава электротехнического алюминия, его подачу в печь-миксер для рафинирования, очистку и доводку расплава с одновременной подачей в расплав графена, последующую подачу расплава по литейному лотку в кристаллизатор с получением заготовки с сечением в виде трапеции, которую подвергают горячей прокатке с получением катанки, отличающийся тем, что графен подают в расплав в виде одностенных графеновых трубок до обеспечения их концентрации в общей массе расплава, составляющей 0,05 мас. %, и равномерного их распределения в объеме расплава, подачу полученного расплава электротехнического алюминия и одностенных графеновых трубок в кристаллизатор осуществляют по литейному лотку, выполненному из электроизоляционного материала, причем в начале лотка и перед кристаллизатором устанавливают два электрода, через которые в расплав подают ток 200-500 А, направление которого совпадает с направлением движения расплава в лотке, а между двумя электродами устанавливают блоки катушек индуктивности, на которые подают ток для формирования электромагнитного поля в форме конуса, обеспечивающий ориентацию одностенных графеновых трубок, совпадающую с осью протекания расплава.

2. Катанка из электротехнического алюминия, полученная способом по п. 1, характеризующаяся тем, что она выполнена из электротехнического алюминия, содержащего графен в виде ориентированных по оси катанки одностенных графеновых трубок, равномерно распределенных в объеме алюминия в количестве 0,05 мас. %.