Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к сплавам на основе алюминия, предназначенным для изготовления проводов, кабелей, стержней, шин и других изделий для электропромышленности.
Известен проводниковый сплав на основе алюминия [1], содержащий, мас.%:
Железо 0,45-0,95
Кремний ≤0,15
Алюминий 98.95-99.45
Недостаток известного сплава - его низкие прочностные свойства. Типичные свойства сплава в отожженном состоянии: предел прочности 10 кгс/мм2; относительное удлинение 20%; число перегибов до разрушения 20.
Известен алюминиевый сплав [2], 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
Одного из редких или
редкоземельных металлов
из группы, включающей
ниобий, церий, иттрий,
скандии 0.005-0.2
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 [3]. Сплав 8176 в качестве легирующего элемента содержит, мас.%:
железо 0.40-0.65
силиций 0.07
сумму примесей титана,
хрома, ванадия и марганца 0,015
алюминий и неизбежные примеси остальное.
Основной недостаток этого сплава - низкая коррозионная стойкость и технологичность сплава при волочении проволок диаметрами менее 1,0 мм.
Задачей изобретения является повышение коррозионной стойкости и технологичности катанки из сплава при волочении в проволоку малых диаметров, а также расширение арсенала электротехнических алюминиевых сплавов системы Al-Fe с добавкой титана и редкоземельных металлов обладающих высокой электропроводностью, коррозионной стойкостью и прочностью, в том числе после высокотемпературных нагревов.
Цель изобретения является повышение коррозионной стойкости, стабильности прочностных свойств при сохранении высокой электропроводности. Это достигается тем, что в сплав на основе алюминия, содержащий железо, дополнительно вводятся титан и один элемент из группы лантан, церий, празеодим, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
железо 0.1-1.0
титан 0.01-0.25
один из элементов группы
лантан, церий, празеодим 0.05-1.0
алюминий и его примеси остальное.
Синтез сплавов проводился в шахтном лабораторном печи сопротивления типа СШОЛ при температуре 750 - 800 0С. Для получения алюминиевого сплава AlTi0,1 (Al+0.1 мас.% Ti), в качестве шихты был использован алюминий марки А6, который дополнительно легировали расчётным количеством титана. При легировании алюминия использовалось лигатура алюминия с 2,0 мас.% титаном. Металлический лантан марки ЛаМ-1 ТУ 48-4-218-72, ГОСТ 23862.5-79, церий марки ЦеМ-1 ТУ 48-4-529-90, ОСТ 48-295-85, празеодим марки ПрМ-1 ТУ 48-4-215-72, ГОСТ 23862.0-79, вводились в расплав в завернутом в алюминиевой фольге виде с помощью колокольчика. Химический анализ полученных сплавов на содержание титана проводилось в Центральной заводской лаборатории ОАО “Таджикская алюминиевая компания”. Состав сплавов также контролировалось взвешиванием шихты и полученных сплавов. При отклонении массы сплавов более чем на 1-2% отн. синтез сплавов проводился заново. Далее из расплава удалялся шлак и производилось литьё образцов для коррозионно-электрохимических исследований, в графитовую изложницу. Образцы цилиндрической формы имели диаметр 10мм и длину 140мм.
Исследования проводили в среде нейтрального водного раствора 3,0 %-ного NaCl, согласно рекомендациям, ГОСТ 9.017 - 74, т.е. в имитаторе морской среды, с целью определения влияния хлорид-иона на коррозионно-электрохимическое поведение алюминиевого проводникового сплава AlTi0,1 с лантаном, церием, празеодимом.
Исследования коррозионностойкости сплавов проводили на потенциостате ПИ-50-1-1 потенциостатическим методом в потенциодинамическом режиме при скорости развертки потенциала 2 мВ/с, с помощью программатора ПР-8 и само записи ЛКД-4. Температура раствора поддерживалась постоянно 20°С, с помощью термостата МЛШ-8. Электродом сравнения служил хлорид серебряный, а вспомогательным - платиновый.
Результаты исследования коррозионно-электрохимических свойств сплавов, в среде электролита 3.0%-ного NaCl обобщены в таблице. Из приведённых в таблице электрохимических характеристик и скорости коррозии алюминиевого сплава AlTi0,1 с лантаном, церием и празеодимом следует, что добавка по крайней мере одного элемента из группы лантан, церий, празеодим в пределах 0,05÷1,0 мас. % способствуют смещению в область положительных значений потенциалов свободной коррозии (Есв.кор.), питингообразования (Еп.о.) и репассивации (Ерп.) сплавов, результатом чего является снижение скорости коррозии и плотности тока коррозии сплавов. 40-50% по сравнению с прототипом.
Анализ данных, приведенных в таблице, свидетельствует о хорошем комплексе антикоррозионных свойств предложенного сплава.
Это позволяет использовать описываемый сплав в качестве жилы электропроводов с изоляционной оболочкой и оболочки кабеля, при производстве которых проводят отверждение оболочки при повышенных температурах.
Титан, лантан, церий, празеодим, оказывая модифицирующее воздействие, измельчают структуру алюминия и его сплавов с железом, взаимодействуют с газами, растворёнными в алюминии. У модифицированных указанными металлами сплавов в отличие от не модифицированных процесс межкристаллитной коррозии ограничивается поверхностным слоем металла и не получает сильного развития даже после длительных коррозионных испытаний.
Роль титана как легирующего элемента алюминиевых сплавов не ограничивается его модифицирующим действием. Помимо этого, он резко повышает температуру рекристаллизации алюминия и его сплавов, как после горячей, так и холодной деформации. Исследованные сплавы оптимального состава характеризуются уменьшением скорости коррозии от 40,2 г/м2•час для сплава - прототипа, до 23.1 г/м2•час для сплава оптимального состава в среде электролита 3,0%-ного NaCl.
Механизм действия редкоземельных металлов (РЗМ) на структуру и свойства алюминиевых сплавов сводится к следующему:
1. РЗМ измельчают кристаллы твердого раствора на основе алюминия.
2. РЗМ рафинируют расплав от неметаллов-кислорода, азота, фосфора, серы, ухудшающих многие свойства сплавов.
3. РЗМ улучшают структуры поверхностной оксидной плёнки расплава и за счёт этого увеличивают коррозионную стойкость сплавов.
4. РЗМ повышают температуру рекристаллизации алюминия.
5. В алюминиевых сплавах от легирования их РЗМ наблюдается эффект механического упрочнения сплавов.
Повышение коррозионной стойкости сплава алюминия, содержащего как примесь железо (0,1-1,0%) путём легирования титаном (0,01-0,25%) и одним металлом из группы лантан, церий, празеодим (0,05-1,0%) позволяет на 13% повысит коррозионную стойкость исходного алюминиевого сплава с железом.
Расчёт экономической эффективности использования предлагаемого сплава показывает, что 10%-ное снижение металлоёмкости изготавливаемых из него изделий при объеме годового производства 1000тн равняется: 10%-е снижение от 1000тн равняется 100тн сплава. При стоимости 1тн сплава 3000$ США экономия 100тн сплава в денежном выражений составляет 100тн•3000$ США=300 000$ США.
