Д.т.н. Сидельников С.Б., д.т.н. Довженко Н.Н., к.т.н. Беспалов В.М.,

д.физ.-мат. н. Кирко В.И, д.х.н. Леонов В.В., к.т.н. Ворошилов Д.С.

Сибирский федеральный университет, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОСТОЙКОСТИ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ НОВЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ СОВМЕЩЕННЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ

Проведенные ранее научные исследования показали, что присутствие переходных металлов в алюминиевых сплавах ведет к повышению уровня механических свойств при удовлетворительной электропроводности деформированных полуфабрикатов (прутки и проволока), получаемых с помощью совмещенных методов обработки [1, 2]. В качестве материалов для исследований применяли сплавы системы Al-Zr с содержанием циркония от 0,15 до 0,30 мас. % [3].

Для определения термостойкости деформированных полуфабрикатов из исследуемых сплавов проводили испытания по методике, приведенной в стандартах IEC 62004 [4], по которой соответствие тому или иному типу проволоки (АТ1-АТ3) определяется, исходя из условия:

где - остаточный коэффициент напряжения, %; - значение временного сопротивления при комнатной температуре, МПа; - значения временного сопротивления разрыву после нагрева до температуры, определенной в стандарте IEC для каждого типа проволоки, МПа.

Проволоку из сплавов подвергали температурным испытаниям. В первом случае образцы выдерживали в печи при температуре 180 ºС в течение 400 часов и охлаждали на воздухе, во втором – нагревали образцы до температур 230 ºС и 280 ºС, выдерживали в течение 1 часа и охлаждали на воздухе. При этом определяли значения временного сопротивления разрыву σ_в, относительного удлинения δ и удельного электросопротивления r в зависимости от времени выдержки и температуры.

В табл. 1 приведены расчетные значения остаточного коэффициента напряжения . Наименьшее значение последнего (75 %) наблюдается у сплава 3 с содержанием циркония 0,12%, даже несмотря на достаточно высокую концентрацию железа (0,25%). Увеличение концентрации циркония до 0,25% в сплаве 12 с одновременным понижением содержания Fe до 0,03 % приводит к увеличению этого показателя до 86%. Более высокие значения коэффициента напряжения (96%) наблюдаются у сплава 2, который отличается средней концентрацией Zr и Fe по сравнению с остальными сплавами. Таким образом, термостойкость проволоки из сплавов 2 и 3 удовлетворяет требованиям стандарта IEC на соответствие типу АТ1 по термостойкости.

Таблица 1

Результаты испытаний на термостойкости проволоки из сплавов
Al-Zr при температуре 180 ºС и выдержке 400 час

Номер сплава	Zr, %	Fe, %	σв, МПа	δ, %	, %
1	0,12	0,25	245	1,6	75,2
2	0,15	0,12	216	2,4	96,3
3	0,25	0,03	187	2,3	86,4

Дополнительно исследовали влияние температуры длительного нагрева на удельное электросопротивление. Значения УЭС для образцов проволоки в исходном деформированном состоянии составляли 0,0275-0,0320 Ом·мм²/м. После длительных испытаний значения удельного электросопротивления уменьшаются незначительно (в среднем на 5%) и составляют 0,0279-0,0317 Ом·мм²/м в зависимости от химического состава.

С увеличением концентрации циркония в сплаве растут значения удельного электросопротивления, тогда как изменение концентрации железа менее значительно влияет на этот показатель. Исходя из результатов исследований, можно выделить сплавы с содержанием Zr и Fe на уровне 0,15-0,25%, значения удельного электросопротивления которых находятся на уровне 0,02750-0,02830 Ом·мм²/м и удовлетворяют требованиям стандарта IEC 62004 на соответствие типу АТ1.

Установлено также, что при выдержке во время первых двух суток электросопротивление резко возрастает, а затем падает. Природу этого явления, по всей видимости, можно связать со структурными изменениями, происходящими в металле при нагреве проволоки, а именно, со снижением ликвации зерен α-твердого раствора по сечению образцов проволоки. Более равномерное распределение атомов Zr в кристаллической решетке алюминия замедляет протекание электрического тока по объему проводника, что повышает удельное электросопротивление. Ввиду низкой диффузионной подвижности атомов Zr этот процесс протекает медленно, тем более это термически активируемый процесс, а при температуре 180 ºС выравнивающая диффузия протекает с низкими скоростями и может занимать несколько суток. Дальнейшее снижение УЭС можно объяснить тем, что идет процесс дисперсионного упрочнения, в результате которого происходит распад пересыщенного твердого раствора с выделением алюминидов Al₃Zr.

Результаты температурных испытаний прутков при температурах 230 и 280 ºС, регламентированных стандартом IEC, представлены в табл. 2. Исследования показали снижение временного сопротивления разрыву в среднем на 12 % и относительного удлинения на 30 %, что соответствует пределу допустимых требований указанных стандартов по типам проводов АТ1 и АТ3.

Таблица 2

Результаты температурных испытаний прутков из сплавов системы Al-Zr

Номер сплава	Zr, %	Fe, %	Температура испытания, ºС
			230 (АТ1)			280 (АТ3)
			σв, МПа	δ, %	, %	σв, МПа	δ, %	, %
4	0,15	0,30	117	19	86	110	15	81
5	0,25	0,03	124	15	91	112	16	82
6	0,30	0,15	124	14	89	116	10	83
			124	14	91	119	11	87
			115	15	77	-	-	-
			124	15	84	108	17	73
7	0,30	0,20	108	12	75	110	14	76
			127	15	86	113	20	77
			122	15	88	114	16	82
			112	18	83	-	-	-

Определение соответствия типу термостойкости осуществляли на образцах проволоки, изготовленной из прутков сплава 7 диаметром 2,0 - 4,3 мм. Поскольку значения удельного электросопротивления (0,0328 Ом·мм²/м) прутков из данного сплава изначально выше требуемого уровня, для снижения ρ их подвергали отжигу перед волочением по двухступенчатому режиму: первая ступень – нагрев до температуры 300 °С с выдержкой 12 часов, вторая ступень нагрев до температуры 450 °С с выдержкой 32 часа.

Механические свойства и УЭС прутков в деформированном и отожженном состояниях приведены в табл.3.

Таблица 3

Механические и электрические свойства прутка из сплава 7

Состав сплава, мас.%		Свойства металла
		в деформированном состоянии			в отожженном состоянии
Zr	Fe	σв, МПа	δ, %	r, Ом·мм^2/м	σв , МПа	δ, %	r, Ом·мм^2/м
0,30	0,20	138,67	23,50	0,03266	110	33	0,02819

После двухступенчатого отжига существенно уменьшилось удельное электрическое сопротивление прутков, а его значение соответствовало требованиям АSТМ B941–05 [5], однако предел прочности снизился ниже регламентируемого уровня на 10 МПа, тем не менее, холодное волочение последних привело к достаточному повышению прочности проволоки, значение которого удовлетворяет стандарту.

Дальнейшее испытание проволоки из сплава 7 при температуре 230 °С (табл. 4) с выдержкой 1 час привело к разупрочнению проволоки на 5-6 %, остаточный коэффициент напряжения сохранился на уровне 95 %, что свидетельствует о соответствии проволоки термостойкости типа АТ1. Значение проволоки после испытания при температуре 280 °С с выдержкой 1 час составил 93 % и удовлетворяет требованиям IEC по типу АТ3 (с максимально допустимой длительно действующей рабочей температурой 210 °С).

Таблица 4

Результаты испытаний на термостойкость проволоки из сплава 7

Диаметр проволоки, мм	Деформированное состояние		230 ºС, 1 час (АТ1)		280 ºС, 1 час (АТ3)
	r, Ом·мм^2/м	σв, МПа	σв, МПа	, %	σв, МПа	, %
4,3	0,02839	172	164	95,3	160	93,0
3,6	0,02839	176	168	95,5	165	93,7
2,0	0,02867	180	169	93,8	167	92,8

Проведенные исследования показали, что железо значительно влияет на прочность металла. Так в сплавах с содержанием циркония 0,24 - 0,26 % Zr с увеличением концентрации железа от 0,18 до 0,28 % повышается временное сопротивления разрыву с 130 до 147 МПа, при этом железо несущественно влияет на УЭС катанки. Влияние железосодержащих фаз на упрочнение деформированных полуфабрикатов не снижается при последующих технологических переделах изготовления проводов, а усиливается за счет измельчения железосодержащих частиц при волочении. Поэтому для повышения термостойкости проволоки рекомендуется в сплавах системы Al-Zr повысить концентрацию железа до 0,27-0,30 %.

Таким образом, проведенные исследования позволили определить термостойкость прутков и проволоки, полученных методом совмещенной обработки и установить физико-механические свойства в зависимости от химического состава сплавов. Результаты исследований используются в настоящее время на Иркутском алюминиевом заводе для получения электротехнической катанки из сплавов системы Al-Zr.

Литература

1. Сравнительная оценка прочностных характеристик деформированных полуфабрикатов из сплавов системы Al –Zr, полученных по разным схемам совмещенной обработки / С.Б. Сидельников, Н.Н. Загиров, Э.А. Рудницкий, Е.С. Лопатина, В.М. Беспалов // Цветные металлы, №1, 2013, С. 86-90.

2. Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Загиров Н.Н. Комбинированные и совмещенные методы обработки цветных металлов и сплавов. М.: МАКС Пресс, 2005.

3. Алюминиевый сплав. Патент РФ № 2544331, кл. С22С 21/00, опубл. 20.03.2015, бюл. № 8.

4. IEC 62004-07. Thermal-resistant aluminum alloys wire for overhead line conductor. Copyright International Commission, Geneva, Switzerland. 2007. – 13 p.

5. ASTM В94-05. Standard Specification for Heat Resistant Aluminium-Zirconium Alloys Wire for Electrical Purposes. Copyright American Society for Testing and Materials International, West Conshohocken, Pennsylvania, USA. 2005. – 4 p.