Исследование влияния легирующих элементов на прочность и термостойкость алюминиевых сплавов электротехнического назначения

(СЛИПП). Цирконий и РЗМ вводили в алюминий для повышения термостойкости, а железо – для увеличения прочностных свойств деформированных полуфабрикатов. В конечном итоге физико-механические свойства катанки должны удовлетворять требованиям стандарта АSТМ B941–05.

Удельное электрическое сопротивление (УЭС) катанки измеряли с помощью омметра «ВИТОК» в соответствии с ГОСТ 7229–76. Испытание на растяжение катанки и проволоки проводили на универсальной машине Walter+Bai АG LFM 400 kN.

Исследование микроструктуры сплавов осуществляли на микроскопе CarlZeiss Axio Observer А1m. Зеренную структуру образцов изучали после анодного оксидирования. Анодную пленку на образцах получали с помощью автоматической полировально-травильной установки ATM Kristall 620.

Исследование структуры и свойств катанки сплавов системы Al-Zr-Fe и Al-РЗМ

На первом этапе работы был проведен анализ зависимости удельного электрического сопротивления от концентрации циркония, железа и РЗМ в алюминиевых сплавах. Установлено, что с повышением концентрации циркония и РЗМ удельное электрическое сопротивление растет и наблюдается прямолинейная зависимость (рис. 1 а , б ). УЭС катанки из сплавов Al–(0,20– 0,36) % Zr–(0,20–0,28) % Fe не соответствует требованиям ASTM B941–05 и имеет значения 0,03147-0,03428 Ом ⋅ мм²/м. (табл. 1). Временное сопротивление разрыву данных сплавов находится в пределах 126-144 МПа (рис. 2 а ). Увеличение концентрации железа с 0,20 до 0,28 % при одинаковом содержании циркония приводит к незначительному повышению уровня УЭС и росту временного сопротивления разрыву (рис. 2 а ). Повышение концентрации циркония в интервале 0,20–0,36 % обеспечивает повышение предела прочности на 12 %. Относительное удлинение соответствует 7-12 % (рис. 3 а ).

Анализ механических свойств сплавов Al–(0,5-3,5) % РЗМ показал, что для катанки исследуемых составов прочностные свойства находятся в пределах 119-162 МПа (рис. 2 б ), относительное удлинение – 20-27 % (рис. 3 б ). Повышение концентрации РЗМ в исследуемом диапазоне дает прирост прочностных характеристик на 30 %, пропорционально повышению предела прочности в сплавах снижаются пластические характеристики (табл. 3). Удельное

Таблица 1. Свойства катанки из сплавов системы Al–Zr–Fe

Zr, масс ., % Fe, масс., % σВ, МПа δ, % ρ20, Ом∙мм2/м 0,20 0,20 126 10 0,03147 0,20 0,28 144 12 0,03180 0,27 0,28 143 7 0,03296 0,29 0,20 140 8 0,03327 0,33 0,20 141 9 0,03349 0,36 0,20 140 9 0,03428 Требования АSТМ B941–05 120 8 0,0285 электрическое сопротивление катанки из сплавов Al–(0,5-3,5) %РЗМ составляет 0,026140,02902 Ом ∙ мм2/м, что соответствует требованиям АSТМ B941–05, за исключением сплава

Al–3,5 %РЗМ.

Рис. 1. Зависимость удельного электрического сопротивления от концентрации легирующих элементов сплавов: a – Al-Zr-Fe; б – Al-РЗМ

б

Рис. 2. Зависимость временного сопротивления разрыва от концентрации легирующих элементов сплавов: a – Al-Zr-Fe; б – Al-РЗМ

б

а                                               б

Рис. 3. Зависимость относительного удлинения a – Al-Zr-Fe; б – Al-РЗМ

от концентрации легирующих элементов сплавов:

Микроструктура образцов катанки в поперечном сечении состоит из зерен пересыщенного цирконием a-твердого раствора на основе алюминия и мелких железосодержащих частиц избыточных фаз, расположенных по границам дендритных ячеек и ориентированных в направлении прокатки; часть включений образует строчечность (рис. 4 а, в ). Повышение концентрации циркония в сплавах приводит к уменьшению размера зерна (рис. 4 г ), повышение концентрации железа - к увеличению объемной доли железосодержащих фаз (рис. 4 в ).

Микроструктура исследуемых прутков, изготовленных СЛИПП, представлена зернами a-твердогоа и макронеоднородностью в виде строчечного расположения эвтектических колоний (a+Al₄Me), имеющих пластинчатое строение (рис. 5). Увеличение концентрации легирующих элементов усиливает неоднородность в структуре прутков и приводит к росту объемной доли эвтектики. Значительное легирование сплавов, до 3,5 % РЗМ, приводит к грубой строчечной структуре по всему объему прутка (рис. 5 г).

Достижение требований ASTM B941–05 по удельному электрическому сопротивлению в катанке из малолегированных цирконием алюминиевых сплавов возможно после воздействия термической обработки. Известно положительное влияние на понижение удельного электрического сопротивления гетерогенизирующего отжига Al-Zr сплавов, основным процессом которого является снижение концентрации легирующих элементов в твердом растворе за счет его распада с выделением дисперсных частиц метастабильной фазы Al3Zr [1-4].

Одинарный отжиг по исследуемым режимам в работах [1, 3, 4] не обеспечил необходимый уровень УЭС. Было показано, что для снижения УЭС катанки при одноступенчатом отжиге необходимо использовать длительные выдержки. В ранее проведенных работах [1, 3] для по-„   .   .

вышения производительности процесса термической обработки и более существенного сниже-

а

в

Рис. 4. Микроструктура катанки сплавов: а, б – Al-0,27 %Zr-0,20 %Fe; в – Al-0,27 %Zr-0,28 %Fe, г – Al-0,33 %Zr-0,20 %Fe; а, в – в светлом поле, ×500; б, г – в поляризованном свете, ×50

Таблица 2. Режимы отжига и свойства катанки сплава Al–0,27Zr–0,28Fe

Отжиг	Режим отжига	ρ20, Ом∙мм2/м	σ в , МПа	δ, %
Одинарный	350 ºС, 48 ч	0,03024	135	19
Ступенчатый	350 ºС, 48 ч + вторая ступень	0,02803	134	23
Одинарный	400 ºС, 12 ч	0,02959	127	23
Ступенчатый	400 ºС, 12 ч + вторая ступень	0,02790	127	25
Требования АSТМ B941–05		0,0285	120	8

а

б

в

Рис. 5. Микроструктура прутков, полученных СЛИПП, из сплавов Al-РЗМ, ×500: а – Al-0,5 % РЗМ; б – Al-1,0 % РЗМ; в – Al-2,5 % РЗМ; г – Al-3,5 % РЗМ

г

ния УЭС катанки из малолегированных сплавов системы Al–Zr рекомендовано использовать ступенчатый отжиг.

После проведения ступенчатого гетерогенизирующего отжига УЭС катанки сплавов Al-Zr-Fe составляет 0,02790-0,02803 Ом ∙ мм2/м, прочность – 127-134 МПа, пластичность 2325 %. Измеренные значения временного сопротивления разрыву и удельного электрического сопротивления катанки, отожженной по режимам двухступенчатого отжига, удовлетворяют требованиям международного стандарта ASTM B 941–05 (табл. 2). После проведения ступенчатого отжига сплавы с цирконием по УЭС и прочности сопоставимы со сплавом Al–2,5 %РЗМ.

Исследование термостойкости сплавов Al-Zr-Fe и Al-РЗМ

Для определения термостойкости катанки проводили высокотемпературные испытания на растяжение. Испытание на растяжение при повышенной температуре (150 °С) сплавов – 877 –

Таблица 3. Свойства катанки из сплавов системы Al-РЗМ при комнатной и повышенной температурах испытания

Сплав	Испытания при tком			Испытания при t = 150 °С
	σ в , МПа	δ, %	УЭС, Ом∙мм2/м	σ в , МПа	К н , %*
Al-0,5 %РЗМ	119	27	0,02614	119	100
Al-1,0 %РЗМ	129	24	0,02643	118	92
Al-2,5 %РЗМ	147	22	0,02807	119	81
Al-3,5 %РЗМ	172	20	0,02902	139	81

*Кн, % – остаточный коэффициент напряжения при нагреве.

Таблица 4. Свойства катанки при комнатной и повышенной температурах испытания

Сплав	После отжига (испытания при t ком )			Испытания при t = 230 °С
	σ в , МПа	δ, %	УЭС, Ом∙мм2/м	σ в , МПа	К н , %*
Al-0,27 %Zr-0,28 %Fe	136	26	0,0284	124	91

Кн, % – остаточный коэффициент напряжения при нагреве.

Al–(0,5-3,5) % РЗМ показало, что снижение предела прочности катанки происходит не более чем на 20 % от первоначально измеренных значений (табл. 3), а при испытании катанки из сплава Al-0,27 %Zr-0,28 % Fe при температуре 230 °С предел прочности снизился всего на 10 % (табл. 4).

Выводы

Сравнительный анализ деформированных полуфабрикатов электротехнического назначения позволил установить, что введение 0,5–2,5%-ных дорогостоящих РЗМ в алюминий незначительно увеличивает УЭС, значения которого соответствуют требованиям АSТМ B941–05. Легирование алюминиевых сплавов цирконием в количестве 0,20–0,36 % Zr, что на порядок ниже, чем РЗМ, значительно повышает УЭС, которое существенно превышает требуемые значения стандарта. Для снижения удельного электрического сопротивления катанки, легированной цирконием, до требований АSТМ B941–05 необходимо проводить гетерогенизирующий отжиг.

Повышение концентрации РЗМ в алюминии с 0,5 до 3,5 % увеличивает значения временного сопротивления разрыву на 30 %. В сплавах Al-Zr-Fe повышение концентрации Zr с 0,20 до 0,36 % приводит к росту предела прочности катанки на 12 %. При этом относительное удлинение катанки, легированной РЗМ, в 2 раза выше.

Высокотемпературные испытания показали, что сплав Al–0,27 %Zr–0,28 %Fe сохраняет на 90 % предел прочности при температуре 230 °С, а сплавы, легированные РЗМ в количестве 1,0-3,5 %, сохраняют прочностные свойства на 80-90 % только при температуре 150 °С. Следовательно, легирование алюминия цирконием на порядок меньшей концентрацией, чем РЗМ, обеспечивает более высокую жаропрочность сплавам.

Анализ влияния легирующих элементов на свойства катанки из электротехнических алюминиевых сплавов показал, что цирконий является наиболее перспективным легирующим элементом для производства термостойких проводов.