Технические науки/1. Металлургия

Сидельников С.Б., Беспалов В.М.,

Трифоненков Л.П., Лопатина Е.С., Галиев Р.И.

Сибирский федеральный университет, Россия

Исследование возможности повышения эффективности производства электропроводников из алюминиевых сплавов

В последние годы применение алюминиевых сплавов в электротехнической промышленности заметно растет. Прежде всего, этому способствуют сравнительно высокие цены на медь и медную катанку, так по данным LME, на сегодняшний день, алюминий почти в 4 раза дешевле меди. При этом алюминиевая катанка имеет значительно меньший вес (в 3,3 раза), а электропроводность алюминия в 1,7 раз меньше, чем у меди. Основным недостатком реализуемой на рынке алюминиевой катанки технической чистоты из сплавов марок А5Е и А7Е является сравнительно низкая прочность (временное сопротивление разрыву составляет σ_в = 80 - 110 МПа). Для упрочнения в качестве легирующих добавок в алюминий вводят кремний и магний (сплавы марки АВЕ), что позволяет увеличить прочностные характеристики до 120 - 130 МПа, но при этом существенно снижает электрическую проводимость проводов.

В качестве оборудования для производства алюминиевых полуфабрикатов электротехнического назначения в основном используют литейно-прокатные агрегаты (ЛПА). Однако катанка, получаемая на существующих ЛПА, не обладает достаточным уровнем механических свойств для применения ее в качестве силовых проводов линий электропередач. Поэтому в конечном итоге приходится применять дополнительные меры для усиления общей прочности кабеля путем использования различных обмоточных материалов, усложнения конструкции кабеля, применения разного рода сердечников и т.д., повышающие себестоимость готовой продукции.

С учетом вышеизложенного для повышения эффективности необходим поиск составов новых алюминиевых сплавов для производства алюминиевых полуфабрикатов электротехнического назначения, которые должны при сравнительно высокой механической прочности иметь удовлетворительные характеристики по электропроводности и термостойкости. Не менее актуальной задачей является разработка менее энергоемких технологий производства из них катанки, прутков и проволоки. Исходя из анализа научно-технической литературы, легирование алюминия металлами переходной группы позволяет повысить жаропрочность сплавов, т.к. они имеют низкий коэффициент диффузии. В частности незначительные добавки циркония позволяют значительно увеличить прочность и термическую устойчивость сплавов на основе алюминия. В связи с этим одним из актуальных направлений исследования является создание металлургических технологий для производства деформированных полуфабрикатов электротехнического назначения из новых алюминиевых сплавов с переходными и редкоземельными металлами с использованием совмещенных методов обработки [1].

Таким образом, целью работы, проводимой в рамках выполнения договора №13.G25.31.0083 с Министерством образования и науки России, является исследование механических, электрофизических свойств и термостойкости полуфабрикатов, полученных из экспериментальных сплавов системы Al – Zr по следующим технологическим схемам:

–совмещенная прокатка - прессование (СПП) прутка из литой заготовки, по воз ожности имеющей мелкозернистое строение и небольшие размеры поперечного сечения, что может быть реализовано с применением электромагнитного кристаллизатора;

–совмещенное литье и прокатка-прессование (СЛИПП) с использованием расплава металла, при этом отсутствует передел получения литой заготовки, что значительно снижает энерго- и трудоемкость процесса.

Для СПП использовали два вида заготовок: цилиндрические заготовки диаметром 15 мм, полученные литьем в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК), и заготовки квадратной формы с размерами 14х14 мм, полученные литьем в изложницу. Выбор интервала температур при литье заготовок был обоснован особенностями приготовления сплавов и составлял 800 - 880⁰С [2], а время выдержки после ввода циркониевой лигатуры равнялось 10 мин.

Процесс СПП осуществляли на экспериментальной установке совмещенной обработки [1], смонтированной на базе прокатного стана дуо 200 с диаметром валков 200 мм. При этом в первом эксперименте использовали литые заготовки, полученные с помощью ЭМК (процесс ЭМК+СПП), а во втором заготовки, отлитые в изложницу. В соответствии с технологией обработки заготовки нагревали в электрической камерной печи до температуры 550⁰С и задавали их в закрытый калибр валков экспериментальной установки. К валкам с помощью гидроцилиндра была поджата матрица с калибрующим отверстием диаметром 9 мм, поэтому на выходе из нее получали прутки круглого сечения указанного размера.

Процесс СЛИПП отличался тем, что в валки в этом случае заливали расплав металла, который последовательно кристаллизовался в калибре вращающихся валков, обжимался ими и выдавливался через матрицу в виде горячепрессованного прутка диаметром 9 мм.

Исследования механических свойств полуфабрикатов проводили на испытательной машине Walter + Bai AG LFM400 («Walter + Bai AG») усилием 400 кН. Для исследования технологичности полученных полуфабрикатов и оценки изменения их свойств прутки подвергали волочению на цепном стане без промежуточных отжигов и получали проволоку диаметром 2 мм. Затем осуществляли двухступенчатый отжиг металла сначала при температуре 300⁰С, а затем при температуре 450⁰С при фиксированном времени выдержки, после чего также определяли механические свойства проволоки

Результаты исследования показали, что диапазон изменения значений временного сопротивления разрыву заготовок, отлитых литьем в изложницу, составляет 60 - 65 МПа, а заготовок, полученных в ЭМК – 100-110 МПа.

После горячей обработки литой заготовки и получения прутка способом СПП в зависимости от метода литья значения σ_в растут до 120 - 140 МПа, а после применения способа СЛИПП – до 110 - 120 МПа. При этом временное сопротивление разрыву прутка, полученного по технологии ЭМК+СПП, выше в среднем на 8%. Отметим также, что пластические свойства выше у прутков, полученных способом СЛИПП.

Анализ механических свойств проволоки после волочения со степенями деформации до 95% (рис. 1) показал, что проволока, полученная из прутков способами СПП и ЭМК+СПП, имеет более высокие прочностные характеристики (σ_в =210 - 220 МПа) по сравнению с проволокой, полученной из прутков способом СЛИПП.

Рис.1. Механические характеристики проволоки из сплавов системы Al – Zr в зависимости от методов обработки: σ_В – временное сопротивление разрыву; ε – степень деформации

Таким образом, по сравнению с деформированными полуфабрикатами из электротехнического алюминия марок А5Е, А7Е прочностные свойства полуфабрикатов из новых сплавов возрастают примерно в 1,6 раза.

Установлено также, что присутствие циркония в алюминиевом сплаве способствует увеличению термостойкости полуфабрикатов. Проведенные температурные испытания показали, что значения временного сопротивления разрыву при увеличении температуры до 200⁰С для прутков, полученных способом СПП, уменьшается на 20%, а для прутков, полученных по способу СЛИПП, – на 10%. Результаты исследования электропроводности представлены в табл. 1.

Таблица 1

Средние значения удельного электросопротивления деформированных полуфабрикатов, полученных по различным технологиям

Состояние образца	Сечение, мм^2	σв, МПа	δ, %	Удельное электросопротивление Ом·мм^2/м
СПП и ЭМК+СПП
Деформированное диаметр 9, мм	63,58	120 – 140	17,0	0,0291 – 0,0309
Деформированное диаметр 2, мм	3,14	210 – 220	2,5	0,0296 – 0,0311
Отожженное диаметр 2, мм	3,14	75 – 85	34	0,0288 – 0,0304
СЛИПП
Деформированное диаметр 9, мм	63,58	110 – 120	23,0	0,0284 – 0,0298
Деформированное диаметр 2, мм	3,14	190 – 210	3,0	0,0285 – 0,0307
Отожженное диаметр 2, мм	3,14	70 – 80	36	0,0275 – 0,0297

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что повышение эффективности производства электропроводников из алюминиевых сплавов возможно при использовании новых сплавов с низким содержанием циркония, при этом деформированные полуфабрикаты, полученные по технологиям совмещенной обработки характеризуются высокими показателями механических и электрофизических свойств и повышенной термостойкостью.

Литература:

1. Сидельников С.Б., Довженко Н.Н. Загиров Н.Н. Комбинированные и совмещенные методы обработки цветных металлов и сплавов: монография. // М.:МАКС Пресс, 2005.- 344 с.

2. Прохоров А.Ю., Белов Н.А., Алабин А.Н. Особенности технологии плавки и литья слитков проводниковых алюминиево-циркониевых сплавов в промышленных условиях // Литейщик России, 2010, №4, с.30-34.