Изобретение относится к области металлургии электротехнических алюминиевых сплавов и может быть использовано для изготовления изделий электротехнического назначения, в частности гибких кабелей или экранов и оболочек силовых кабелей.
Известны марки алюминия и алюминиевых сплавов, широко применяемых при производстве изделий электротехнического назначения. В частности, технически чистый алюминий марки А5Е и А7Е с содержанием алюминия 99.5 и 99.7 мас. % соответственно используется для изготовления токопроводящих жил кабелей и проводов линий электропередач ЛЭП. Проводниковый алюминий марок А5Е и А7Е имеет достаточно высокие значения электропроводности, средний уровень механической прочности и хорошую коррозионную стойкость. В кабельной промышленности используется также алюминиевый сплав марки ABE системы Al-Si-Mg, который имеет повышенную механическую прочность, но по сравнению с алюминием марок А5Е и А7Е, значительно более низкую электропроводность и плохую коррозионную стойкость.
Общим недостатком алюминия марки А5Е, А7Е и алюминиевого сплава ABE является их низкая термическая стабильность из-за сильного разупрочнения при нагревах свыше 100 0C. Свойства сплава ABE сильно изменяются при нагревах, и он не технологичен при волочении проволок диаметром менее 1,0 мм. Существенного повышения термической стабильности проводниковых алюминиевых сплавов можно добиться за счет введения переходных металлов, в первую очередь, повышая содержание железа и добавляя в сплавы титан. Известны проводниковые алюминиевые сплавы, содержащие цирконий и редкоземельные металлы с высоким уровнем прочностных характеристик, в том числе при повышенных температурах [1, 2]. Однако все эти сплавы обладают низкой технологичностью при получении проволок диаметрам менее 1,0 мм.
Известен алюминиевый сплав [3], содержащий, мас. %: цирконий 0.2-0.32; железо 0.15-0.42; кремний 0.02-0.1; титан, хром, ванадий, марганца в сумме 0.01-0.04; магний, медь, цинк в сумме 0.01-0.07; никель 0.005-0.1; бор 0.001-0.01; 0.005-0.2 одного из редких или редкоземельных металлов из группы, включающей ниобий, церий, иттрий, скандий, алюминий - остальное. Основными недостатками этого сплава - низкая технологичность сплава при волочении тонких проволок и высокое удельное электрическое сопротивление, что требует использования продолжительных выдержек при термической обработке.
Наиболее близким к предложенному изобретению является сплав типа 8176 [4]. Сплав 8176 в качестве легирующего элемента содержит железо в диапазоне 0.40-0.50 мас.%, силиций – 0,07, сумму примесей титана, хрома, ванадия и марганца до 0,015, а остальное алюминий и неизбежные примеси. Основной недостаток этого сплава - низкая коррозионная стойкость и технологичность сплава при волочении проволок диаметрами менее 1,0 мм.
Задачей изобретения является повышение технологичности катанки из сплава при волочении в проволоку малых диаметров, а также расширение арсенала проводниковых алюминиевых сплавов системы Al-Fe с добавкой титана и кремния, обладающих высокой электропроводностью, коррозионной стойкостью и прочностью, в том числе после высокотемпературных нагревов.
Технический результат достигается тем, что электротехнический алюминиевый сплав, содержащий железо, кремний и титан дополнительно содержит один из металлов группы кальций, стронций, барий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
железо - 0.40-0.60
титан - 0.05-0.10
кремний до - 0.10
один из металлов группы кальций, стронций, барий - 0.05-0.10
алюминий и неизбежные примеси - остальное.
При этом сплав имеет структуру, состоящую из алюминиевой матрицы и вторичных выделений и эвтектической фазы, причем алюминиевая матрица содержит кремний и титан, а эвтектическая фаза – по меньшей мере, один элемент из группы, содержащей кремний и железо, со средним поперечным размером не более 3 мкм.
В частных исполнениях: 1) не менее 30% от общего количества титана в сплаве представлено в виде вторичных выделений фазы Al3Ti с решеткой типа L12 с размером не более 20нм. 2) железо перераспределяется между, по меньшей мере, одной эвтектической фазой типа Al8Fe2Si и/или Al6Fe.
Технический результат достигается также за счет того, что изделие изготовлено из указанного алюминиевого сплава. В частных исполнениях: изделие изготовлено в виде катанки или проволоки диаметром менее 1,0 мм.
Сущность изобретения заключается в том, что железо (в диапазоне 0.40-0.60 мас.%) в присутствии кремния (до 0.1 мас.%) необходимы для обеспечения в структуре эвтектических фаз в виде компактных частиц, преимущественно фазы Al8Fe2Si и/или Al6Fe. Наличие эвтектических фаз благоприятно сказывается на технологичности при литье заготовки при производстве катанки и волочении в проволоку малых диаметров. При этом высокая объемная доля эвтектических фаз и их малый размер (не более 3 мкм в поперечном направлении) повышает прочностные свойства и термостойкость алюминиевого сплава и снижает его ползучесть. Избыток железа (>0,60 мас.%) приводит к снижению коррозионной стойкости и электропроводности, а его недостаток (<0,40 мас.%) - к снижению прочности и технологичности. Избыток кремния выше 0.10 мас.% будет снижать проводимость. При этом избыток железа увеличивает склонность к формированию ликватов, что может приводить к увеличению максимального поперечного размера эвтектических фаз, содержащих, по меньшей мере, один элемент из группы кремний и железо и как следствие ухудшение технологичности при волочении.
Выбор титана обусловлен его значимым влиянием на термостойкость алюминиевых сплавов, сравнительно доступной стоимостью. Добавки тита
на в алюминиевые сплавы обеспечивают образование вторичных выделений фазы Al3Ti. Наличие вторичных выделений фазы Al3Ti с решеткой типа L12 и размером не более 20нм благоприятно сказывается на повышении термостойкости, повышении прочностных характеристик, за счет повышения стойкости к процессам возврата и рекристаллизации, снижается ползучесть, уменьшаются окислительные процессы (коррозия) под действием электрического тока высокого напряжения. Избыток титана (>0.10 мас.%) приводит к снижению относительного удлинения и электропроводности сплава, а его недостаток (<0.05 мас.%) к снижению термостойкости и прочности.
Содержание железа и титана в заявленных пределах в сочетании с требуемой структурой позволяет обеспечить достаточную термостойкость сплава до 150 0C.
Добавки щелочноземельных металлов - кальция, стронция и бария в пределах 0.05-0.10 мас.% играя роль модификатора структуры алюминиевых сплавов способствуют глобуляризации выделений фазы Al3Ti и эвтектических выделений железосодержащих фаз Al8Fe2Si и/или Al6Fe и тем самым способствуют росту коррозионной стойкости сплава. Избыток щелочноземельных металлов (более 0,10 мас.%) проводит к снижению электропроводности сплава.
Химический состав и электрохимические характеристики исследованных сплавов приведены в таблице. Исследование коррозионно-электрохими-ческого поведения алюминиевых сплавов, легированных кальцием, стронцием и барием проводилось в растворе хлорида натрия с концентрацией 0.03%, с помощью потенциостата ПИ-50.1.1 с выходом на программатор ПР-8 и самописцем ЛКД-4. Температура раствора в ячейке поддерживалась постоянная (20 0С) с помощью термостата МЛШ-8. Электродом сравнения служил хлорид-серебряный, вспомогательным – платиновый электрод.
Исследование проводились в потенциодинамическом режиме со скоростью развёртки потенциала 2 мВ/с. Электроды потенциодинамически анодно поляризовали от установившегося значения стационарного потенциала до резкого возрастания тока (до постоянного значения тока 2А), затем в обратном направлении до значения потенциала -1.2 В, при котором происходит восстановление оксидной пленки. Затем образцы снова поляризовали в положительном направлении до потенциала питтингообразования. Из полученных потенциодинамических кривых определяли основные электрохимические характеристики сплавов: потенциал коррозии Екор. и ток коррозии iкор., потенциалы питтингообразования Еп.о. и репассивации Ереп..
Величину Ереп. определяли графически как потенциал, при котором наблюдается первый перегиб на обратном ходе анодной кривой, или как потенциал, при котором происходит пересечение прямого и обратного хода анодной поляризационной кривой. Скорость коррозии определялся по формуле: K = iкор. · k, где k – электрохимический эквивалент, численное значение которого для алюминия составляет 0.335 г/А·час. Воспроизводимость измерения электрохимических потенциалов равнялся ±5 ÷ ±10 мВ, а плотность тока коррозии составляла (0.05 - 0.10)·10-2 А/м2.
Исследованный алюминиевый сплав AlTi0.1, модифицированный щелочноземельными металлами, имея потенциал свободной коррозии 0.685 ÷ 0.611 В, характеризуются меньшим значением скорости коррозии на 20±30% (таблица).
Снижение скорости коррозии сплава в результате легирования кальцием, стронцием и барием позволяет уменьшить металлоемкость изготавливаемых из него деталей и получить солидного экономического эффекта.
