Результат интеллектуальной деятельности: АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ

Изобретение относится к области металлургии, в частности к алюминиевым сплавам, предназначенным для производства электропроводников, работающих при повышенных температурах, а также в качестве изделий в машиностроении, самолетостроении, ракетостроении, судостроении, автомобилестроении, медицинской технике, строительстве и в бытовом оборудовании.

Известен сплав на основе алюминия (RU 2344187 С2, 10.07.2008), содержащий, мас. %: по меньшей мере один редкоземельный металл, и дополнительно он содержит кислород, азот и водород при следующем соотношении компонентов, мас. %:

В частном случае выполнения алюминиевый сплав дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы: кремний, медь, магний, хром, цирконий, бор, марганец, цинк, никель, иттрий, скандий, титан, ванадий, молибден, ниобий, тантал, железо в количестве 0,005-2,2 мас. %.

Данный сплав обладает стабильными механическими свойствами при температурах до 350°С, однако высокое содержание редкоземельных металлов приводит к снижению электропроводности по сравнению с электротехническим алюминием и существенному удорожанию сплава.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является сплав на основе алюминия (RU 2458170 C1, 10.08.2012), содержащий, мас. %: гафний, рутений, сурьма, бериллий, стронций, углерод в сумме 0,001-0,4; никель и железо в сумме 0,2-0,7, при соотношении никеля к железу 1,0-4,0; кремний, бор, титан, цинк, марганец, медь в сумме 0,001-0,4 при соотношении бора к титану 0,01-3,0; по меньшей мере, один редкоземельный металл 0,5-5,0; алюминий - остальное.

Данный сплав обладает стабильными механическими свойствами при температурах от 20°С до 200°С и хорошей электропроводностью, однако при приготовлении этого сплава с использованием мишметалла (церий, лантан, празеодим и др.) или лигатуры Al-La, в которых содержится лантан, возникает веерная структура, которая негативно отражается на свойствах сплава. При этом снижается пластичность металла и технологичность обработки, а получение деформированных полуфабрикатов в виде проволоки из них становится практически невозможным из-за обрывов, что приводит к увеличению трудоемкости производства и снижению выхода годной продукции (см. Падалка В.А., Довженко Н.Н., Сидельников С.Б. и др. Особенности технологии получения и свойства литых и деформированных полуфабрикатов электротехнического назначения из низколегированных сплавов системы Al - РЗМ. Литейщик России, 2011. №8, с. 26-29). Присутствие никеля в сплаве повышает пластические и прочностные свойства сплава, однако, при избыточных концентрациях по сравнению с содержанием редкоземельных металлов возрастает электросопротивление.

Технической задачей данного изобретения является создание жаропрочного алюминиевого сплава, обладающего одновременно стабильными прочностными, пластическими и электрофизическими свойствами, а также расширение технологических возможностей его обработки.

Достигается это тем, что алюминиевый сплав, содержащий редкоземельные элементы, никель и стронций, дополнительно содержит лантан и церий в качестве редкоземельных элементов при следующем соотношении компонентов, мас.%: лантан и церий в сумме до 9, никель до 0,7, стронций до 0,001, алюминий - остальное, при соотношении церия к лантану 1,0-1,5 и никеля к сумме лантана и церия 0,1-0,3.

Наличие в составе сплава церия и лантана в заявленных количествах приводит к оптимальному сочетанию механических свойств, термостойкости и электропроводности. Так при их количестве в сплаве до 9% по массе возможно изготовление бортовых проводов самолетов, работающих при повышенных температурах (сплав 01417). При наличии в составе никеля, железа, кремния и др. элементов суммарное содержание церия и лантана в количествах, превышающих 9%, приводит к резкому снижению электропроводности и пластичности металла. Соотношение церия к лантану 1,0-1,5 мас.% является оптимальным, так как при отношениях меньше 1,0 (большом количестве лантана по сравнению с церием) лантан резко снижает пластичность сплава и технологичность его обработки, так как велика вероятность образования веерной структуры (фиг. 1).

Макроструктурный анализ показывает, что слитки исследуемых сплавов преимущественно состоят из зоны столбчатых кристаллов, которая занимает более половины слитка, и центральной зоны равноосных кристаллов. Грубые веерные кристаллы с двойникованными границами приводят при кристаллизации к формированию характерного расположения ветвей дендритов относительно плоскости двойникования. Такие участки структуры могут оказывать неблагоприятное воздействие при изготовлении деформированных полуфабрикатов, так как значительно снижается их пластичность. При отношениях церия к лантану больше 1,5 снижается электропроводность сплава.

Легирование сплава никелем в заявленных количествах повышает пластичность и технологичность обработки. При производстве деформированных полуфабрикатов из сплавов системы Аl-РЗМ и Al-PЗM-Ni происходит характерное распределение структурных составляющих по сечению образцов, которое приводит к макро- и микронеоднородности (фиг. 2). При этом, чем больше количество никеля в сплаве по сравнению с содержанием РЗМ, тем больше неоднородность структуры металла. Поэтому важно не только количество вводимого никеля, но и отношение содержания никеля к сумме редкоземельным металлов. При величинах этого отношения меньше 0,1 не достигается повышения механических характеристик металла, а изготовление сплавов с отношением никеля к РЗМ больше 0,3 приводит к снижению электропроводности и пластичности металла (см. Довженко Н.Н., Сидельников С.Б., Дроздова Т.Н. и др. Исследование структуры и оценка свойств литых и деформированных полуфабрикатов из сплавов системы Al-РЗМ с различным содержанием никеля. Вестник магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2013. №.1, с. 45-48).

Пример реализации изобретения.

Подготовка сплава осуществляется в индукционной печи из первичного алюминия и лигатур Аl-Мишметалл и Al-La с добавками никеля, железа, титана, бора и др. элементов. В качестве модификатора вводили один или несколько элементов из группы: гафний, рутений, сурьма, бериллий, стронций, сурьма, углерод в заявленных количествах. Далее с помощью кристаллизатора получали литую заготовку, которую затем подвергали обработке давлением и получали катанку диаметром 9 мм. На полученных деформированных полуфабрикатах замеряли механические свойства и электропроводность.

Для опробования предложенного сплава были приготовлены композиции с различным соотношением церия и лантана, а также с различным соотношением никеля к сумме церия и лантана, состав и свойства которых в сопоставлении с известными сплавами приведены в таблицах 1, 2.

Как показывает анализ приведенных данных, предложенный сплав обладает по сравнению с прототипом повышенными пластическими свойствами и более высокой электропроводностью. Высокий уровень пластических свойств расширяет технологические возможности производства из него холоднодеформированных полуфабрикатов в виде проволоки и повышает технологичность обработки. Таким образом, заявляемый сплав может успешно использоваться для производства электропроводников, работающих в условиях высоких механических нагрузок и повышенных температур.