Алюминиево-циркониевый сплав

Изобретение относится к области металлургии, в частности к алюминиевым сплавам, используемым в качестве электротехнической катанки и проводов для линий электропередач.

Низколегированные алюминиевые сплавы, благодаря высокой удельной прочности, хорошей электропроводности, высокой коррозийной стойкости и низкой цене находят свое применение в качестве проводов различных кабелей и линий электропередач (ЛЭП). Существует европейский стандарт IEC 62004 и его русский аналог ГОСТ Р МЭК 62004— 014, в котором обозначены требования к проволоке из термостойкого алюминиевого сплава для провода ЛЭП. Однако получение сплавов низкой себестоимости, которые бы соответствовали требованиям этих стандартов, сталкивается с трудностями получения комплекса высоких эксплуатационных свойств: высокой прочности и термостойкости при сохранении электропроводности. Основной путь повышение прочности и термостойкости – легирование цирконием, однако верхний предел добавки циркония ограничен 0,3-0,4% в связи с выделением грубых первичных частиц Al₃Zr, снижающих технологическую пластичность сплавов и проводящих к растрескиванию заготовки при деформации. Уровень прочностных характеристик, обеспеченный дисперсионным упрочнением алюминиевых сплавов частицами Al₃Zr, не соответствует существующим требования. Повышение прочности и термической стабильности при сохранении электропроводности за счет оптимизации химического состава алюминиевых сплавов позволит как уменьшить расход сплава на единицу длины провода, снизив его себестоимость, так и увеличить срок эксплуатации готовых изделий.

Известен сплав с химическим составом 0,6-1,5% Cu, 1,2-1,8% Mn, 0,2-0,8% Zr, 0,05-0,25% Si, 0,1-0,4% Fe, 0,01-0,3% Cr предназначенный для изделий, в частности проволоки, работающих при высоких температурах (RU 2534170, публ. 06.12.2012). Данный сплав после обработки показывает высокие прочностные свойства: временное сопротивление разрыву более 300 МПа и хорошую термостойкость вплоть до высоких температур.

Недостатком данного сплава является низкая электропроводность – менее 55% IACS (электропроводности чистой меди), что является недостаточным для использования данных материалов в проводах ЛЭП.

Известен сплав для изделий электротехнического назначения, в частности проводов высоковольтных ЛЭП в районах со сложными климатическими условиями (RU № 2441090 публ. 01.03.2010). Сплав имеет следующий химический состав: 0,3-0,7% Zr, 0,1-0,6% Fe, 0,04-0,2% Si, 0,005-0,2 % Ce. Алюминиевый сплав характеризуется высокими проводящими свойствами и достаточной термостойкостью.

Недостатком сплава является пониженная прочность: временное сопротивление разрыву составляет около 160 МПа. Кроме того добавка редкоземельного элемента увеличивает себестоимость провода и снижает экономическую целесообразность его производства.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является сплав на основе алюминия, содержащий 0,15-0,40% Zr, 0,03-0,15% Si, 0,15-0,35% Fe, 0,01-0,60% Mg, 0,005-0,01% Cu, 0,005-0,02% Zn, 0,001-0,003% B, сумму примесей Ti, Cr, V, Mn до 0,030% (RU 2544331, публ. 23.01.2014). Сплав может быть использован преимущественно для изготовления катанки электротехнического назначения, а также деформированных полуфабрикатов, используемых в строительстве, машиностроении и других областях народного хозяйства.

Недостатком сплава является недостаточная прочность при высоких проводящих характеристиках и способности сохранять прочность после нагрева до высоких температур.

Задачей предлагаемого изобретение является разработка сплава, обладающего повышенной прочностью, достаточной электропроводностью, термостойкостью при низкой себестоимости.

Для решения поставленной задачи предлагается сплав на основе алюминия, содержащий цирконий, кремний, железо со следующим соотношением компонентов, мас. %: 0,22-0,4 Zr, 0,2-0,4 Si, 0,62-0,8 Fe, алюминий - остальное, при соотношении кремний/железо=0,3-0,5.

Предложенный сплав отличается от прототипа тем, что содержит следующие компоненты в мас. %:

при этом соотношение кремний/железо=0,3-0,5.

Техническим результатом изобретения является сплав, обладающий повышенной прочностью, достаточной электропроводностью, термостойкостью за счет полученного химического состава, что позволит применять его в качестве материалов электротехнического назначения, в частности, в качестве алюминиевой катанки и материала для ЛЭП.

В составе сплава компоненты проявляют себя следующим образом.

Оптимальное содержание циркония в пределах 0,22-0,4% необходимо для формирования когерентных частиц Al₃Zr с решеткой L1₂ размером менее 20 нм. Частицы обеспечивают хорошую термостойкость и препятствуют развитию рекристаллизационных процессов при повышенных температурах. Завышенное содержание циркония приводит к выделению грубых первичных частиц Al₃Zr в литом состоянии, которые не влияют на прочностные характеристики сплава и на стабильность структуры при повышенных температурах. Первичные частицы Al₃Zr имеют размер 3-10 мкм и характерную форму иероглифа. Наличие в сплаве таких частиц снижает технологическую пластичность отливки и приводит к растрескиванию материала в процессе дальнейшей деформации. Легирование сплава цирконием менее 0,22% приводит к ухудшению термостойкости и снижению прочностных свойств. Добавка железа с кремнием необходима для значительного повышения прочностных характеристик при сохранении электропроводности на приемлемом уровне. При этом соотношение кремний/железо=0,3-0,5 обеспечивает формирование после отжига частиц Al₈Fe₂Si и Al₅FeSi сферической формы размером менее 3 мкм. Частицы являются препятствиями для движения дислокаций при повышенной температуре и препятствуют разупрочнению сплава при нагреве. Кроме того легирование кремнием приводит к повышению диффузии циркония, ускоряет выделение частиц Al₃Zr и тем самым сокращает время термической обработки, что позволяет оптимизировать технологический процесс, сократить затраты на электроэнергию и снизить себестоимость готового изделия. Легирование кремнием и железом выше заявленных пределов влечет сильное снижение проводящих свойств. Завышенное в сравнении с аналогом содержание кремния и железа не приводит к значительному увеличению себестоимости изделия, однако позволяет повысить прочностные характеристики при сохранении электропроводности на высоком уровне.

Пример осуществления.

Выплавку проводят в тигельных печах под флюсом при температуре 800-900°С и скорости охлаждения 10°С/сек. Далее сплав подвергают горячей прокатке при температуре 400°С со степенью обжатия 78 % после чего проводят ступенчатый отжиг деформированной заготовки в интервале 200-450°С с шагом 50°С и выдержкой на каждом этапе 3 ч. Охлаждение заготовки осуществляется на воздухе.

Полученную заготовку подвергли испытаниям на растяжение при комнатной температуре и после отжига при температуре 400°С 1 ч для определения предела текучести, предела прочности, относительного удлинения и термостойкости. Кроме того была измерена электропроводность сплава при комнатной температуре.

Фазовый состав термостойкого алюминие-циркониевого сплава после ступенчатого отжига литой заготовки в интервале 200-450°С с шагом 50°С и выдержкой на каждом этапе 3 ч представлен крупными железистыми частицами преимущественно Al₈Fe₂Si и Al₅FeSi размером 1-3 мкм выделившихся по границам первоначальных дендритных ячеек. Анализ тонкой структуры выявляет частицы Al₃Zr, равномерно распределенных в теле зерен, размером 10 нм с решеткой L1₂. Тонкая структура термостойкого алюминие-циркониевого сплава и соответствующая структуре дифракционная картина представлена на фиг.1. Частицы имеют кубическую решетку с периодом a=4,09, и выделяются в соответствии с ориентационным соотношением куб-куб с матрицей: (020)_Al || (020)_Al3Zr, (002)_Al || (002)_Al3Zr, [022]_Al || [022]_Al3Zr.

Химический состав и физико-механические характеристики аналогов, прототипа и предложенного сплава представлены в сравнительной таблице 1 (фиг.2).

Пример 1. В соответствии с предложенным способом получен сплав следующего химического состава: Al – 0,24 % Zr, 0,22 % Si, 0,65% Fe при соотношение кремний/железо= 0,33. После термомеханической обработки временное сопротивление разрыву составило 220 МПа, относительное удлинение – 17%, электропроводность – 59,8 % IACS.

Пример 2.

Получен сплав следующего химического состава: Al – 0,37% Zr, 0,36% Si, 0,75% Fe при соотношение кремний/железо= 0,33. В отличие от примера 1, данный сплав имеет более высокое содержание легирующих элементов. Как следует из таблицы 1, заявленный материал обладает повышенной прочностью и достаточную электропроводность: временное сопротивление разрыву составляет 250 МПа, относительное удлинение – 15%, электропроводность – 56,7 % IACS.

Оптимальное содержание легирующих элементов в предложенном сплаве обеспечит повышенную прочность, высокую электропроводность и термостойкость. Данные в таблице показывают, что разработанный сплав имеет прочность выше, чем сплавы, предложенные в патентах RU № 2441090 и RU № 2544331, лучшую электропроводность в сравнении с патентом RU № 2534170. Пониженное содержание дорогого легирующего элемента циркония и завышенное недорогих элементов железа и кремния в сравнении с другими сплавами обеспечивает низкую себестоимость материала, поэтому производство термостойкой катанки и проводов из предлагаемого сплава представляется экономически целесообразным. Физико-механические характеристики разработанного сплава отвечают требованиям IEC 62004 и ГОСТ Р МЭК 62004— 014, поэтому производство катанки из данного материала, возможно реализовать не только в рамках программы импортозамещения, но и в рамках расширения экспортных поставок отечественной продукции за рубеж.