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

Автор: Бернгардт В.А., Дроздова Т.Н., Орелкина Т.А., Жереб В.П., Федорова О.В.

Журнал: Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии @technologies-sfu

Статья в выпуске: 6 т.9, 2016 года.

Бесплатный доступ

В статье проведен сравнительный анализ влияния циркония, железа и РЗМ на структуру и свойства деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Установлено, что для достижения свойств катанки, заданных в АSТМ B941-05, требуется на порядок меньше циркония по сравнению с РЗМ. Проведены высокотемпературные испытания сплавов Al-Zr-Fe и Al-РЗМ для поиска наиболее перспективных легирующих элементов для производства термостойких проводов.

Аsтм b941-05 standard, катанка, алюминиевые сплавы, требования аsтм b941-05, удельное электрическое сопротивление, жаропрочность, термостойкие провода

Короткий адрес: https://sciup.org/146115120

IDR: 146115120   |   DOI: 10.17516/1999-494X-2016-9-6-872-879

Текст научной статьи 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

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

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

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.

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

  • Бернгардт В.А., Дроздова Т.Н., Орелкина Т.А., Сидельников С.Б., Трифоненков Л.П., Фролов В.Ф., Сальников А.В., Федорова О.В. Разработка режимов отжига катанки из сплавов системы Al-Zr для достижения заданного комплекса свойств. Журнал СФУ. Техника и технологии, 2014, 7(5), 587-595
  • Белов Н.А., Истомин-Кастровский В.В., Алабин А.Н. Влияние циркония на структуру и механические свойства малолегированных сплавов системы Al-Fe-Si. Известия ВУЗов. Цветная металлургия, 2003, 4, 54-59
  • Бернгардт В.А., Федорова О.В. Исследование влияния режимов термической обработки на структуру и свойства катанки из сплавов системы Al-Zr. Молодежь и наука: IX Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием, 2013; http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2013/thesis/s007/s007-006.pdf
  • Белов Н.А., Алабин А.Н., Прохоров А.Ю. Влияние отжига на электросопротивление и механические свойства холоднодеформированного сплава Al-0,6 % (мас.) Zr. Цветные металлы, 2009, 10, 65-68
Статья научная