Проводниковый термостойкий сплав на основе алюминия
Владельцы патента RU 2541263:
Общество с ограниченной ответственностью "ЭМ-КАТ" (RU)
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.
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.
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, |
и имеет структуру, содержащую дисперсные частицы фазы Al3Zr, равномерно распределенные в алюминиевой матрице, сформированную термообработкой при температуре 400°С.