EA034631B1

EA034631B1 - Heat resistant ultrafine-grain aluminium conductor alloy and method of production thereof

Info

Publication number: EA034631B1
Application number: EA201700576A
Authority: EA
Inventors: Максим Юрьевич МУРАШКИН; Иван Валерьевич Смирнов; Руслан Зуфарович ВАЛИЕВ
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2020-02-28
Also published as: RU2667271C1; EA201700576A1

Abstract

The invention relates to the field of non-ferrous metallurgy and electrical engineering, in particular to aluminium-based alloys, and can be used to manufacture electrical products (conductors of round and square cross-section, conductive elements in the form of wires, plates and buses, cables of overhead power lines) that function under strong mechanical stress and experience high temperatures during operation. To combine increased mechanical strength and heat resistance, plus good electrical conductivity in an aluminium alloy containing 0.2-0.8% of magnesium, 0.2-0.5% of zirconium and admixture elements (iron, silicon, manganese, chromium, vanadium, etc.) in total no more than 0.2%, it is proposed to form its ultrafine-grained (UFG) structure applying the technique that involves preliminary heat treatment by annealing at 300-450°C for duration 30 to 350 h and subsequent deformation to the true accumulated strain e≥4 via intensive plastic deformation at 0.1-6.0 GPa in the interval of homological temperatures of 0.3-0.5 T. Alloy treated in this way features an UFG microstructure with average grain size not exceeding 1 μm and nanoscale particles of metastable AlZr phase (crystal lattice L1) that are uniformly distributed over the grain volume and have spherical shape of sized not larger than 25 nm,.

Description

Изобретение относится к области цветной металлургии и электротехники, в частности к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при производстве изделий электротехнического назначения (проводников круглого и квадратного сечения, токопроводящих элементов в виде проволоки, пластин и шин, проводов воздушных линий электропередач), работающих при повышенных механических нагрузках и испытывающих воздействие высоких температур в процессе эксплуатации.The invention relates to the field of non-ferrous metallurgy and electrical engineering, in particular to aluminum-based alloys, and can be used in the manufacture of electrical products (round and square conductors, conductive elements in the form of wires, plates and tires, wires of overhead power lines) operating with increased mechanical stress and experiencing high temperatures during operation.

Известен термостойкий сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%: Zr - 0.25-0.70, Si - 0.100.40, Fe - 0.10-1.0, Cu - 0.10-0.40 [1]. Для достижения необходимого уровня прочности, пластичности и термостойкости заготовки сплава перед холодной деформацией подвергают термической обработке в течение от 50 до 300 ч в интервале температур 300-450°С. В результате такой обработки токопроводящие изделия демонстрируют предел прочности (п_В) до 260 МПа и электропроводность 55% IACS.Known heat-resistant alloy based on aluminum, containing, wt.%: Zr - 0.25-0.70, Si - 0.100.40, Fe - 0.10-1.0, Cu - 0.10-0.40 [1]. To achieve the required level of strength, ductility and heat resistance, the alloy preforms are subjected to heat treatment for 50 to 300 hours in the temperature range 300-450 ° C before cold deformation. As a result of this treatment, conductive articles exhibit a tensile strength (f _B) to 260 MPa and an electrical conductivity of 55% IACS.

Также известен термостойкий сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%: Zr - 0.28-0.80, Mn 0.15-0.80, Si - 0.16-0.30, Cu - 0.10-0.40 [2]. С целью достижения заданного комплекса физикомеханических свойств заготовки сплава перед заключительной обработкой холодной деформацией волочением подвергают длительной термической обработке в температурном диапазоне 320-390°С в течение от 30 до 300 ч. Токопроводящие элементы в виде проволоки из данного сплава в зависимости от содержания основных легирующих элементов демонстрируют п_В от 257 до 317 МПа и электропроводность от 56.1 до 50.2% IACS соответственно. После температурного воздействия, эквивалентного сроку эксплуатации при температуре 150°С в течение 36 лет, величина п_В проводников, выполненных из предложенных сплавов снижается не более чем на 10%. Однако данные сплавы имеют многокомпонентный химический состав, что усложняет их производство. Они также содержат медь, присутствие которой может привести к снижению коррозионной стойкости проводников в процессе их длительной эксплуатации при повышенной температуре.Also known is a heat-resistant alloy based on aluminum, containing, wt.%: Zr - 0.28-0.80, Mn 0.15-0.80, Si - 0.16-0.30, Cu - 0.10-0.40 [2]. In order to achieve a given set of physicomechanical properties of the alloy preform, it is subjected to a long heat treatment in the temperature range of 320-390 ° C for 30 to 300 hours before final processing by cold deformation by drawing. Conductive elements in the form of wires from this alloy depending on the content of the main alloying elements demonstrate n _In from 257 to 317 MPa and conductivity from 56.1 to 50.2% IACS, respectively. Following thermal exposure, the equivalent term operation at 150 ° C for 36 s, the value of n _{in the} conductors made of the proposed alloy is reduced by no more than 10%. However, these alloys have a multicomponent chemical composition, which complicates their production. They also contain copper, the presence of which can lead to a decrease in the corrosion resistance of conductors during their long-term operation at elevated temperatures.

Известен термостойкий сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%: Cu - 0.6-1.5; Mn - 1.2-1.8, Zr - 0.2-0.6, Si - 0.05-0.25, Fe - 0.1-0.4, Cr - 0.01-0.3 [3]. Цирконий в микроструктуре деформированных полуфабрикатов из данного сплава содержится в виде дисперсных фаз Al₃Zr размером не более 20 нм, а марганец преимущественно образует вторичные выделения фазы Al₂₀Cu₂Mn₃ размером не более 500 нм в количестве не менее 2 об.%. Такой тип микроструктуры обеспечивает в полученной из сплава проволоке п_В до 345 МПа и электропроводность 54% IACS после отжига при температуре 300°С в течение 100 ч. К недостаткам данного сплава относиться многокомпонентность химического состава, усложняющая его производство, а также высокое содержание меди, присутствие которой может привести к снижению коррозионной стойкости проводников в процессе их длительной эксплуатации при повышенной температуре. Кроме этого сплав обладает избыточной термостойкостью для проводниковых сплавов на основе алюминия, используемых в воздушных линиях электропередачи (ВЛЭП), по причине того, что повышение температуры эксплуатации провода ВЛЭП до 300°С приводит к значительным потерям при транспортировке электроэнергии.Known heat-resistant alloy based on aluminum, containing, wt.%: Cu - 0.6-1.5; Mn - 1.2-1.8, Zr - 0.2-0.6, Si - 0.05-0.25, Fe - 0.1-0.4, Cr - 0.01-0.3 [3]. Zirconium in the microstructure of deformed semi-finished products from this alloy is contained in the form of dispersed Al ₃ Zr phases with a size of not more than 20 nm, and manganese mainly forms secondary precipitates of the Al ₂₀ Cu ₂ Mn ₃ phase with a size of not more than 500 nm in an amount of not less than 2 vol.%. Such microstructures type provides the resulting alloy wire n _V to 345 MPa and an electrical conductivity 54% IACS after annealing at 300 ° C for 100 h. The disadvantages of this alloy treated multicomponent chemical composition, complicates its manufacture, as well as high copper content, the presence of which can lead to a decrease in the corrosion resistance of conductors during their long-term operation at elevated temperatures. In addition, the alloy has excessive heat resistance for aluminum-based conductor alloys used in overhead transmission lines (VLEP), due to the fact that increasing the operating temperature of the VLEP wire to 300 ° C leads to significant losses during the transportation of electricity.

Известны алюминиевые сплавы, содержащие редкоземельные металлы (РЗМ), применяемые в деталях конструкций и проводниках, несущих низкие и средние нагрузки. Например, известен жаростойкий сплав на основе алюминия для электрических проводов [4]. Он содержит Fe, по крайней мере один легирующий элемент, выбранный из группы РЗМ (где РЗМ^и, Се, Pr, Nd), а также Be при следующем соотношении компонентов, мас.%: металл, выбранный из группы РЗМ - 2.5-4.5, Fe - 0.05-0.1, Be - 0.05-0.1, причем размер включений эвтектических интерметаллидов редкоземельных металлов в микроструктуре сплава составляет меньше 1 мкм. Проволока сплава с такой микроструктурой, полученной в результате холодной деформации волочением, имеет п_В 253-260 МПа и электропроводность 52.2-57.4% IACS.Known aluminum alloys containing rare earth metals (REM), used in structural parts and conductors that carry low and medium loads. For example, a heat-resistant aluminum-based alloy for electrical wires is known [4]. It contains Fe, at least one alloying element selected from the REM group (where REM ^ and, Ce, Pr, Nd), and Be in the following ratio of components, wt.%: Metal selected from the REM group - 2.5-4.5 , Fe - 0.05-0.1, Be - 0.05-0.1, and the size of the inclusions of eutectic intermetallic compounds of rare-earth metals in the microstructure of the alloy is less than 1 μm. Alloy wire with a microstructure resulting from cold deformation by drawing, has n _{in the} 253-260 MPa and electrical conductivity of 52.2-57.4% IACS.

Также известен сплав, содержащий следующие компоненты, мас.%: по меньшей мере один из РЗМ - 5.0-10.0, О₂ - 0.002-1.5, N - 0.002-1.2, Н₂ - 0.0002-0.5, Al - остальное [5]. Образцы сплава в зависимости от содержания редкоземельных металлов имеют при комнатной температуре временное сопротивление от 260 до 350 МПа и электропроводность от 59 до 53% IACS соответственно.Also known is an alloy containing the following components, wt.%: At least one of REM - 5.0-10.0, O ₂ - 0.002-1.5, N - 0.002-1.2, H ₂ - 0.0002-0.5, Al - the rest [5]. Depending on the content of rare-earth metals, alloy samples have a temporary resistance at room temperature of 260 to 350 MPa and an electrical conductivity of 59 to 53% IACS, respectively.

Вышеуказанные сплавы, содержащие редкоземельные металлы, претерпевают значительное разупрочнение только при температуре свыше 250°С.The above alloys containing rare earth metals undergo significant softening only at temperatures above 250 ° C.

Однако для производства изделий электротехнического назначения в виде проволоки из данных сплавов используются трудо- и энергоемкие гранульные технологии, что приводит к увеличению числа технологических операций получения изделий до 17, а также дорогостоящие лигатуры, содержащие РЗМ.However, for the production of electrical products in the form of a wire from these alloys, labor-intensive and energy-intensive granular technologies are used, which leads to an increase in the number of technological operations for obtaining products to 17, as well as expensive ligatures containing rare-earth metals.

Наиболее близким сплавом к предложенному является сплав АА5005, имеющий химический состав (мас.%): Mg - 0.5-0.8; Si - 0.2; Fe - 0.2; примесей в сумме не более 0.5; остальное - алюминий. Проволоку из него получают после холодной деформации (нагартовки) более чем на 80%. В результате такой обработки сплав демонстрирует предел прочности до 240 МПа и электропроводность не ниже 53.8% IACS [6].The closest alloy to the proposed one is AA5005 alloy having a chemical composition (wt.%): Mg - 0.5-0.8; Si - 0.2; Fe - 0.2; impurities in the amount of not more than 0.5; the rest is aluminum. The wire from it is obtained after cold deformation (hardening) by more than 80%. As a result of this treatment, the alloy exhibits a tensile strength of up to 240 MPa and an electrical conductivity of at least 53.8% IACS [6].

Недостатком данного сплава являются невысокая прочность и электропроводность, а также невысокая температура длительной эксплуатации, которая ограничена +90°С.The disadvantage of this alloy is its low strength and electrical conductivity, as well as the low temperature of long-term operation, which is limited to + 90 ° C.

Известен способ получения ультрамелкозернистого (УМЗ) алюминиевого сплава, включающий за- 1 034631 калку от 520-565°С, интенсивную пластическую деформацию, осуществляемую с истинной накопленной деформацией е>4 при температуре не выше 300°С и искусственное старение при температуре 100-180°С со временем выдержки 0.5-24 ч с получением микроструктуры со средним размером зерна 400-1000 нм. Сплав содержит наноразмерные выделения частиц упрочняющей фазы Mg₂Si как стабильной, так и метастабильной модификации [7]. Достигнутое снижение в алюминиевой матрице концентрации легирующих элементов в сочетании с УМЗ структурой позволило значительно повысить значение временного сопротивления до 347 МПа и повысить электропроводность до 58.1% IACS.A known method for producing ultrafine-grained (UFG) aluminum alloy, including 1034631 calf from 520-565 ° C, intense plastic deformation carried out with a true accumulated deformation e> 4 at a temperature not exceeding 300 ° C and artificial aging at a temperature of 100-180 ° C with a holding time of 0.5-24 h to obtain a microstructure with an average grain size of 400-1000 nm. The alloy contains nanoscale precipitates of particles of the strengthening phase of Mg ₂ Si of both stable and metastable modifications [7]. The achieved decrease in the concentration of alloying elements in the aluminum matrix in combination with the UFG structure significantly increased the value of the temporary resistance to 347 MPa and increased the electrical conductivity to 58.1% IACS.

Известный способ не обеспечивает необходимых свойств по термостойкости, а именно не обеспечивает температуру длительной эксплуатации до 150°С.The known method does not provide the necessary properties for heat resistance, namely it does not provide a temperature of long-term operation up to 150 ° C.

Задачей изобретения является создание алюминиевого сплава, который по сравнению с известными аналогами обладает повышенной прочностью, электропроводностью и термостойкостью, а также более простым и экономичным способом его получения.The objective of the invention is the creation of an aluminum alloy, which in comparison with the known analogues has increased strength, electrical conductivity and heat resistance, as well as a simpler and more economical way to obtain it.

Техническим результатом изобретения является повышение механической прочности (предел прочности от 245 до 310 МПа), электропроводности (от 57.3 до 54.5% IACS) и термостойкости (его прочность на разрыв остается на уровне не менее 90% от исходного уровня после отжига при температуре 180°С в течение 400 ч, что соответствует температуре эксплуатации при температуре 150°С в течение 36 лет) алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Zr за счет химического состава и УМЗ структуры, полученной предложенным способом обработки.The technical result of the invention is to increase mechanical strength (tensile strength from 245 to 310 MPa), electrical conductivity (from 57.3 to 54.5% IACS) and heat resistance (its tensile strength remains at least 90% of the initial level after annealing at a temperature of 180 ° C) for 400 hours, which corresponds to the operating temperature at a temperature of 150 ° C for 36 years) of aluminum alloys of the Al-Mg-Zr system due to the chemical composition and UFG structure obtained by the proposed processing method.

Задача решается, а технический результат достигается ультрамелкозернистым алюминиевым сплавом, содержащим магний и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%: магний - 0.20.8; цирконий - 0.2-0.5, менее 0.2 примесных элементов в сумме (железо, кремний, марганец, хром, ванадий и др.), алюминий - остальное. При этом сплав имеет микроструктуру со средним размером зерна не более 1 мкм и наноразмерные частицы метастабильной фазы Al₃Zr (кристаллическая решетка L1₂), которые равномерно распределены по объему зерен и имеют сферическую форму размером не более 25 нм.The problem is solved, and the technical result is achieved by an ultrafine-grained aluminum alloy containing magnesium and zirconium in the following ratio of components, wt.%: Magnesium - 0.20.8; zirconium - 0.2-0.5, less than 0.2 impurity elements in total (iron, silicon, manganese, chromium, vanadium, etc.), aluminum - the rest. Moreover, the alloy has a microstructure with an average grain size of not more than 1 μm and nanoscale particles of the metastable phase Al ₃ Zr (crystal lattice L1 ₂ ), which are uniformly distributed over the volume of grains and have a spherical shape no larger than 25 nm.

Описание действия легирующих элементов.Description of the action of alloying elements.

Цирконий (Zr) образует дисперсные частицы Al₃Zr определенного диапазона размеров, чтобы улучшить термостойкость алюминиевого сплава [8,9]. Частицы образуются на стадии термической обработки сплава в литом или деформированном состоянии. Если содержание циркония составляет менее чем 0.2 мас.%, частицы Al₃Zr не могут быть выделены при термической обработке в достаточном количестве, и, следовательно, термостойкость не может быть улучшена. Если содержание циркония составляет не более 0.4 мас.%, температура ликвидуса алюминиевого сплава составляет не более 810°С. Серийное промышленное металлургическое оборудование для литья алюминиевых сплавов должно быть способно к функционированию при температурах до 850°С [2]. Таким образом, в изобретении алюминиевый сплав может быть получен путем обычного литья на металлургических предприятиях. При этом содержание циркония наиболее предпочтительно в диапазоне от 0.2 до 0.5 мас.%.Zirconium (Zr) forms dispersed Al ₃ Zr particles of a certain size range in order to improve the heat resistance of an aluminum alloy [8, 9]. Particles are formed at the stage of heat treatment of the alloy in a cast or deformed state. If the zirconium content is less than 0.2 wt.%, Al ₃ Zr particles cannot be isolated during heat treatment in sufficient quantities, and therefore, the heat resistance cannot be improved. If the zirconium content is not more than 0.4 wt.%, The liquidus temperature of the aluminum alloy is not more than 810 ° C. Serial industrial metallurgical equipment for casting aluminum alloys should be capable of functioning at temperatures up to 850 ° C [2]. Thus, in the invention, an aluminum alloy can be obtained by conventional casting in metallurgical plants. Moreover, the zirconium content is most preferably in the range from 0.2 to 0.5 wt.%.

Магний (Mg) в алюминии приводит к существенному уменьшению среднего размера зерна в результате обработки интенсивной пластической деформации и, следовательно, обеспечивает заметное повышение прочностных характеристик [10]. Кроме того, концентрация Mg до 1% не вызывает сильного снижения электропроводности алюминия (1 мас.% Mg, растворенный в алюминии, снижает сопротивление алюминия на 5.6 нОм*м) [11]. Таким образом, содержание Mg наиболее предпочтительно в диапазоне от 0.2 до 0.8 мас.%.Magnesium (Mg) in aluminum leads to a significant decrease in the average grain size as a result of processing intense plastic deformation and, therefore, provides a noticeable increase in strength characteristics [10]. In addition, the Mg concentration of up to 1% does not cause a strong decrease in the electrical conductivity of aluminum (1 wt.% Mg, dissolved in aluminum, reduces the resistance of aluminum by 5.6 nOhm * m) [11]. Thus, the Mg content is most preferably in the range from 0.2 to 0.8 wt.%.

Технический результат достигается также предварительной термической обработкой - отжигом в интервале температур 300-450°С продолжительностью от 30 до 350 ч.The technical result is also achieved by preliminary heat treatment - annealing in the temperature range 300-450 ° C for a duration of 30 to 350 hours

Помимо этого технический результат достигается способом получения ультрамелкозернистого алюминиевого сплава, осуществляемым после предварительной термической обработки. Способ включает интенсивную пластическую деформацию, осуществляемую со значением истинной накопленной деформации е>4, приложенном давлении 0.1-6.0 ГПа в интервале гомологических температур 0.3-0.5 Т_пл.In addition, the technical result is achieved by the method of producing ultrafine-grained aluminum alloy, carried out after preliminary heat treatment. The method includes intense plastic deformation carried out with a true accumulated strain e> 4, an applied pressure of 0.1-6.0 GPa in the range of homological temperatures of 0.3-0.5 T _pl .

Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что интенсивную пластическую деформацию осуществляют одним из известных методов кручения под высоким давлением, или равноканального углового прессования, или равноканального углового прессования в параллельных каналах, или непрерывного равноканального углового прессования по схеме Конформ.In addition, this technical result is achieved due to the fact that intensive plastic deformation is carried out by one of the known methods of torsion under high pressure, or equal channel angular pressing, or equal channel angular pressing in parallel channels, or continuous equal channel angular pressing according to the Conform scheme.

Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что после интенсивной пластической деформации осуществляют холодную деформацию прокаткой со степенью обжатия от 10 до 90%.In addition, the specified technical result is achieved due to the fact that after intense plastic deformation, cold deformation is carried out by rolling with a compression ratio of 10 to 90%.

Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что после интенсивной пластической деформации осуществляют холодную деформацию волочением со степенью обжатия от 10 до 90%.In addition, the specified technical result is achieved due to the fact that after intense plastic deformation, cold deformation is carried out by drawing with a compression ratio of 10 to 90%.

Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что после интенсивной пластической деформации осуществляют термическую обработку отжигом в температурном интервале 180230°С продолжительностью не менее 1 ч.In addition, this technical result is achieved due to the fact that after intense plastic deformation, heat treatment is carried out by annealing in the temperature range of 180-230 ° C for a duration of at least 1 hour

Технический результат достигается благодаря следующему.The technical result is achieved due to the following.

- 2 034631- 2 034631

Известно, что исходные заготовки сплавов Al-Zr подвергают термической обработке (ТО) - отжигу в интервале температур 300...450°С с временем выдержки от 30 до 300 ч [2, 9, 12]. Данная ТО обеспечивает образование в алюминиевой матрице наноразмерных частиц фазы Al₃Zr (ее метастабильной модификации L1₂), которые при повышенных температурах эксплуатации препятствуют деградации микроструктуры и соответственно прочностных свойств токопроводящих элементов. Также известно, что вследствие ТО происходит снижение концентрации циркония, содержащегося в твердом растворе алюминия, вызванное образованием наноразмерных частиц фазы Al₃Zr, и его влияние на величину электрического сопротивления становится незначительным [12].It is known that the initial billets of Al-Zr alloys are subjected to heat treatment (TO) - annealing in the temperature range 300 ... 450 ° C with a holding time of 30 to 300 hours [2, 9, 12]. This TO ensures the formation in the aluminum matrix of nanosized particles of the Al ₃ Zr phase (its metastable modification L _{1 2} ), which at elevated operating temperatures prevent the degradation of the microstructure and, accordingly, the strength properties of the conductive elements. It is also known that, due to TO, a decrease in the concentration of zirconium contained in the aluminum solid solution is caused by the formation of nanosized particles of the Al ₃ Zr phase, and its effect on the electrical resistance becomes insignificant [12].

Известно, что формирование УМЗ структуры позволяет достичь необычно высокой прочности в металлических материалах, в том числе и в алюминиевых сплавах, содержащих магний [13]. Также известно, что для формирования УМЗ структуры используют интенсивную пластическую деформацию, реализуемую методами кручения под высоким давлением, равноканального углового прессования, равноканального углового прессования в параллельных каналах или непрерывного равноканального углового прессования по схеме Конформ [14]. При этом истинная накопленная деформация должна достигать величины е>4, а интенсивная пластическая деформация должна осуществляться в интервале гомологических температур 0.3-0.5 Т_пл и приложенном давлении до 6 ГПа [15].It is known that the formation of the UFG structure allows one to achieve unusually high strength in metallic materials, including aluminum alloys containing magnesium [13]. It is also known that for the formation of UFG structures, intense plastic deformation is used, which is realized by methods of high pressure torsion, equal channel angular pressing, equal channel angular pressing in parallel channels or continuous equal channel angular pressing according to the Conform scheme [14]. In this case, the true accumulated deformation should reach a value of e> 4, and intense plastic deformation should be carried out in the range of homological temperatures of 0.3–0.5 T _mp and an applied pressure of up to 6 GPa [15].

Известно, что заготовки УМЗ алюминиевых сплавов после обработки интенсивной пластической деформацией могут подвергать холодной деформации волочением или прокаткой, которая позволяет придать им заданную геометрию, дополнительно уменьшить размер зерна и увеличить прочность соответственно [13], без значительного ухудшения электропроводности.It is known that UFG billets of aluminum alloys after processing by intense plastic deformation can be subjected to cold deformation by drawing or rolling, which allows them to be given the specified geometry, further reduce grain size and increase strength, respectively [13], without significant deterioration in electrical conductivity.

После образования в процессе термической обработки дисперсных частиц Al₃Zr, сопровождающегося обеднением алюминиевого твердого раствора атомами циркония и улучшением электропроводности, в процессе интенсивной пластической деформации в сплаве происходит формирование УМЗ структуры с размером зерна не более 1 мкм. Известно, что формирование УМЗ структуры с размером зерна менее 1 мкм при ИПД приводит к значительному повышению механической прочности алюминиевых сплавов (в 1.5-2 раза) без заметного ухудшения их электропроводности (при размере зерна около 400 нм электропроводность снижается не более чем на 15%) [14]. Это связано с высокой способностью границ зерен упрочнять алюминиевые сплавы и их слабым влиянием при зерне в диапазоне размеров 1000...400 нм на рассеяние электронов проводимости.After the formation of dispersed Al ₃ Zr particles during heat treatment, which is accompanied by depletion of the aluminum solid solution by zirconium atoms and an improvement in electrical conductivity, in the process of intense plastic deformation in the alloy, an UFG structure with a grain size of no more than 1 μm is formed. It is known that the formation of an UFG structure with a grain size of less than 1 μm during SPD leads to a significant increase in the mechanical strength of aluminum alloys (1.5-2 times) without a noticeable decrease in their electrical conductivity (with a grain size of about 400 nm, the electrical conductivity decreases by no more than 15%) [14]. This is due to the high ability of grain boundaries to harden aluminum alloys and their weak effect with grain in the size range 1000 ... 400 nm on the scattering of conduction electrons.

Согласно изобретению после интенсивной пластической деформации осуществляют отжиг в температурном интервале 180-230°С, который приводит к дальнейшей эволюции микроструктуры, полученной после ИПД. В результате отжига происходит снятие внутренних напряжений в сформированной микроструктуре и стабилизация размера зерна, что обеспечивает достижение необходимого сочетания прочности и электропроводности материала, а также обеспечивает необходимый уровень его термостойкости.According to the invention, after intense plastic deformation, annealing is carried out in the temperature range 180-230 ° C, which leads to further evolution of the microstructure obtained after SPD. Annealing results in the removal of internal stresses in the formed microstructure and stabilization of the grain size, which ensures the achievement of the necessary combination of strength and electrical conductivity of the material, and also provides the necessary level of its heat resistance.

Структурные изменения алюминиевых сплавов реализуются предложенным способом обработки при соблюдении указанных условий его осуществления.Structural changes in aluminum alloys are implemented by the proposed processing method, subject to the specified conditions for its implementation.

В целом, формирование описанной выше УМЗ структуры в алюминиевом сплаве системы Al-Mg-Zr в предложенной совокупности признаков изобретения приводит к одновременному повышению их механической прочности, электропроводности и термостойкости в сравнении с другими алюминиевыми сплавами, используемыми в электротехнических изделиях.In general, the formation of the UFG structure described above in an aluminum alloy of the Al-Mg-Zr system in the proposed combination of features of the invention leads to a simultaneous increase in their mechanical strength, electrical conductivity and heat resistance in comparison with other aluminum alloys used in electrical products.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - представлен общий вид микроструктуры сплава после предварительной термической обработки, содержащей наноразмерные частицы метастабильной фазы Al₃Zr, которые имеют сферическую форму и равномерно распределены в объеме алюминиевой матрицы (а - электронно-микроскопическое изображение частиц в темнопольном режиме изображения; б - электронная дифракция с рефлексами от частиц метастабильной фазы Al₃Zr с кристаллической решеткой L1₂ (рефлексы указаны стрелками));The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 - presents a general view of the alloy microstructure after preliminary heat treatment containing nanoscale particles of the metastable Al ₃ Zr phase, which are spherical in shape and uniformly distributed in the aluminum matrix (a - electron microscopic image of particles in a dark-field image mode; b - electron diffraction with reflections from particles of a metastable phase Al ₃ Zr with a crystal lattice L1 ₂ (reflections are indicated by arrows));

на фиг. 2 - общий вид УМЗ структуры сплава, сформированной по заявленному способу, образованной зернами размером не более 1 мкм, содержащей наноразмерные частицы метастабильной фазы Al3Zr сферической формы, равномерно распределенные внутри зерен (указаны стрелками), (а - электронно-микроскопическое изображение ультрамелких зерен в светлопольном режиме изображения; б - электронно-микроскопическое изображение ультрамелких зерен и наноразмерных частиц метастабильной фазы Al3Zr в темнопольном режиме изображения; в - электронная дифракция с рефлексами от частиц метастабильной фазы Al3Zr с кристаллической решеткой L12 (рефлексы указаны стрелками)).in FIG. 2 is a general view of the UFG of the alloy structure formed by the claimed method, formed by grains no larger than 1 μm in size, containing nanoscale particles of a metastable Al3Zr phase of a spherical shape uniformly distributed inside the grains (indicated by arrows), (a is an electron microscopic image of ultrafine grains in a bright field image mode; b - electron microscopic image of ultrafine grains and nanoscale particles of the metastable Al3Zr phase in the dark-field image mode; c - electron diffraction with reflections about t of particles of a metastable phase Al3Zr with a crystal lattice L12 (reflections are indicated by arrows)).

Изобретение реализуется следующим образом.The invention is implemented as follows.

Для формирования УМЗ структуры используют исходную заготовку сплава со следующим соотношением/содержанием компонентов, мас.%: Mg - 0,2-0,8, Zr - 0,2-0,5, менее 0.2 примесных элементов в сумме (железо, кремний, марганец, хром, ванадий и др.), остальное - Al.To form the UFG structure, an initial alloy billet is used with the following ratio / content of components, wt.%: Mg - 0.2-0.8, Zr - 0.2-0.5, less than 0.2 impurity elements in total (iron, silicon, manganese, chromium, vanadium, etc.), the rest is Al.

На первом этапе заготовку сплава подвергают предварительной термической обработке - отжигу, включающему нагрев заготовки до температуры 300-450°С, выдержку при данных температурных условиях продолжительностью от 30 до 350 ч и последующее охлаждение в воде или на воздухе. На данном этапе происходит образование наноразмерных частиц метастабильной фазы Al3Zr, равномерно распреде- 3 034631 ленных в объеме алюминиевой матрицы, имеющих сферическую форму и средний размер не более 25 нм, а также достигается заданный уровень электропроводности из-за снижения концентрации атомов циркония в алюминии.At the first stage, the alloy billet is subjected to preliminary heat treatment - annealing, which includes heating the billet to a temperature of 300-450 ° C, holding under these temperature conditions for a duration of 30 to 350 hours and subsequent cooling in water or air. At this stage, the formation of nanosized particles of the metastable Al3Zr phase, uniformly distributed in the volume of the aluminum matrix, having a spherical shape and an average size of not more than 25 nm, is achieved, and a specified level of electrical conductivity is achieved due to a decrease in the concentration of zirconium atoms in aluminum.

На втором этапе термообработанную/отожженную заготовку подвергают обработке интенсивной пластической деформацией со значением истинной накопленной деформации е>4, приложенном давлении 0.1-6.0 ГПа в интервале гомологических температур 0.3-0.5 Т_пл. Данную обработку можно осуществлять любым из известных методов кручения под высоким давлением, или равноканального углового прессования, или равноканального углового прессования в параллельных каналах, или непрерывного равноканального углового прессования по схеме Конформ. На данном этапе происходит измельчение микроструктуры в объеме заготовки. Вследствие эволюции микроструктуры в процессе интенсивной пластической деформации при заданных режимах в алюминиевом сплаве формируется однородная УМЗ структура со средним размером зерна не более 1 мкм. В ходе реализации интенсивной пластической деформации при заданных режимах наноразмерные частицы метастабильной фазы не претерпевают значимых изменений ни в отношении их среднего размера, ни в отношении их химического состава, ни в отношении формы. Нанометрический размер частиц и их равномерное распределение обеспечивает заданную термостойкость материала.At the second stage, the heat-treated / annealed billet is subjected to intense plastic deformation with the value of the true accumulated strain e> 4, an applied pressure of 0.1-6.0 GPa in the range of homological temperatures of 0.3-0.5 T _pl . This processing can be carried out by any of the known methods of high-pressure torsion, or equal-channel angular pressing, or equal-channel angular pressing in parallel channels, or continuous equal-channel angular pressing according to the Conform scheme. At this stage, the microstructure is crushed in the bulk of the workpiece. Due to the evolution of the microstructure during intense plastic deformation under specified conditions, a uniform UFG structure with an average grain size of not more than 1 μm is formed in an aluminum alloy. During the implementation of intense plastic deformation under given conditions, nanoscale particles of the metastable phase do not undergo significant changes either in terms of their average size, or in relation to their chemical composition, or in relation to shape. Nanometric particle size and their uniform distribution provides the specified heat resistance of the material.

На третьем этапе УМЗ заготовку подвергают термической обработке - отжигу в температурном интервале 180-230°С длительностью не менее 1 ч, в результате которого происходит стабилизация размеров зерна и обеспечение заданной прочности, электропроводности и термостойкости сплава.At the third stage of the UFG, the billet is subjected to heat treatment — annealing in the temperature range of 180-230 ° C for a duration of at least 1 h, which results in the stabilization of grain sizes and ensuring the specified strength, electrical conductivity, and heat resistance of the alloy.

Для получения УМЗ заготовок в виде токопроводящих элементов заданной геометрии: катанки, проволоки, шин различной геометрии и т.п. после осуществления второго этапа (интенсивной пластической деформации) проводят дополнительную холодную деформацию волочением или прокаткой со степенью обжатия от 10 до 90%. В ходе дополнительной деформации, помимо придания заготовке заданной геометрии, происходит повышение ее прочности за счет дополнительного измельчения УМЗ структуры. В случае реализации холодной деформации термическая обработка - отжиг в температурном интервале 180-230°С длительностью не менее 1 ч не обязателен.To obtain UFG blanks in the form of conductive elements of a given geometry: wire rod, wire, tires of various geometries, etc. after the second stage (intense plastic deformation) is carried out, additional cold deformation is carried out by drawing or rolling with a reduction ratio of 10 to 90%. In the course of additional deformation, in addition to giving the workpiece a given geometry, there is an increase in its strength due to additional grinding of the UFG structure. In the case of cold deformation, heat treatment - annealing in the temperature range of 180-230 ° C with a duration of at least 1 hour is not necessary.

Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного результата: повышение механической прочности электропроводности и термостойкости алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Zr.The claimed invention was tested in laboratory conditions. As a result of the experiments, the achievement of the indicated result was confirmed: an increase in the mechanical strength of electrical conductivity and heat resistance of aluminum alloys of the Al-Mg-Zr system.

Пример осуществления изобретения.An example embodiment of the invention.

Пример 1.Example 1

Вначале подготовили расплав в индукционной печи из первичного алюминия, лигатуры Al-Zr и AlMg. Далее в кристаллизаторе получили 2 литые заготовки в виде прутков диаметром 20 мм сплава с содержанием 0.52 мас.% Mg, 0.28 мас.% Zr, 0.05Z(Fe,Si,V,Ni,Mn,Cr), остальное - Al. Из литых прутков изготовили заготовки в виде диска диаметром 20 мм и толщиной 2 мм. Заготовки подвергли термообработке - отжигу при температуре 385°С в течение 336 ч.First, a melt was prepared in an induction furnace made of primary aluminum, Al-Zr and AlMg alloys. Then, 2 cast billets were obtained in the mold in the form of rods with a diameter of 20 mm of alloy with a content of 0.52 wt.% Mg, 0.28 wt.% Zr, 0.05Z (Fe, Si, V, Ni, Mn, Cr), the rest was Al. Billets in the form of a disk with a diameter of 20 mm and a thickness of 2 mm were made from cast rods. The preforms were subjected to heat treatment — annealing at a temperature of 385 ° С for 336 h.

После отжига заготовки были охлаждены на воздухе. Затем заготовки подвергли интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) при комнатной температуре с приложенным давлением 2 ГПа до истинной накопленной деформации (е) 5 и 10. Затем деформированные заготовки извлекли из оснастки для проведения ИПД и подвергли термической обработке - отжигу в течение 1 ч при температуре 230°С.After annealing, the preforms were cooled in air. Then, the preforms were subjected to intense torsional plastic deformation (IPDK) at room temperature with an applied pressure of 2 GPa to the true accumulated deformation (e) of 5 and 10. Then, the deformed preforms were removed from the equipment for SPD and subjected to heat treatment - annealing for 1 h at temperature 230 ° C.

Из полученных заготовок были изготовлены образцы для исследований микроструктуры, механических свойств, электропроводности и термостойкости.Samples for studying the microstructure, mechanical properties, electrical conductivity, and heat resistance were made from the obtained blanks.

Анализ микроструктуры заготовок осуществляли методом просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе фирмы Jeol JEM 2100.Analysis of the microstructure of the workpieces was carried out by transmission electron microscopy using a Jeol JEM 2100 microscope.

Механические испытания образцов осуществляли в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение. Электропроводность образцов определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 27333-87 Измерение удельной электрической проводимости цветных металлов. Термостойкость образцов определяли в соответствие с требованиями IEC 62004:2007 Thermal resistant aluminum alloy wire for overhead line conductors.Mechanical testing of the samples was carried out in accordance with the requirements of GOST 1497-84 Metals. Tensile test methods. The electrical conductivity of the samples was determined in accordance with the requirements of GOST 27333-87 Measurement of the electrical conductivity of non-ferrous metals. The temperature resistance of the samples was determined in accordance with the requirements of IEC 62004: 2007 Thermal resistant aluminum alloy wire for overhead line conductors.

После предварительной термической обработки - отжига в заготовках сплава образовались наноразмерные частицы метастабильной фазы Al₃Zr (фиг. 1). Полученная УМЗ структура в заготовке сплава (фиг. 2), сформированная в ходе реализации предложенного способа обработки, имеет средний размер зерна в диапазоне 500-800 нм. Наряду с ультрамелкими зернами в структуре наблюдаются наноразмерные частицы метастабильной фазы Al3Zr (фиг. 2), имеющие сферическую форму и средний размер 20 нм, равномерно распределенные по объему зерен алюминиевой матрицы.After preliminary heat treatment — annealing, nanosized particles of the metastable phase Al ₃ Zr were formed in the alloy billets (Fig. 1). The obtained UFG structure in the alloy preform (Fig. 2), formed during the implementation of the proposed processing method, has an average grain size in the range of 500-800 nm. Along with ultrafine grains in the structure, nanoscale particles of the metastable Al3Zr phase are observed (Fig. 2), having a spherical shape and an average size of 20 nm, uniformly distributed over the grain size of the aluminum matrix.

В табл. 1 представлены результаты механических испытаний, измерений и электропроводности заготовок сплава после их обработки по предложенному способу, а также свойства известных аналогов.In the table. 1 presents the results of mechanical tests, measurements and electrical conductivity of the alloy billets after their processing by the proposed method, as well as the properties of known analogues.

Также в табл. 1 приведены механические свойства и значения электропроводности заготовок, полученных по предложенному способу после оценки уровня их термостойкости, а именно после отжига в течение 400 ч при температуре 180°С.Also in the table. 1 shows the mechanical properties and electrical conductivity of the workpieces obtained by the proposed method after evaluating the level of their heat resistance, namely after annealing for 400 hours at a temperature of 180 ° C.

- 4 034631- 4,034,631

Таблица 1Table 1

По заявленному способу обработки According to the claimed processing method Тип микроструктуры Microstructure type σ_Β, [МПа]σ _Β , [MPa] 8, [%] 8, [%] СО, [МСм/м] CO, [MSm / m] IACS, [%] IACS [%] ИПД при комнатной IPD at room УМЗ структура образована зернами с размером не более 700 UMP structure is formed by grains with a size of not more than 700 310 310 10.5 10.5 31.03 03/31 54.1 54.1 температуре до е = 5 термообработан ной при 385^аС заготовки с последующим отжигом в течение 1 часа при 230°С.temperature until e = 5 hydrochloric heat treated at 385 C ^{and the} billet followed by annealing for 1 hour at 230 ° C. нм и частицы метастабильной фазы Al₃Zr равномерно распределенными по объему зерен алюминиевой матрицы, имеющими сферическую форму и средний размер 20 нм.nm and particles of the metastable phase Al ₃ Zr uniformly distributed over the grain volume of the aluminum matrix, having a spherical shape and an average size of 20 nm. ИПД при комнатной температуре до е = 10 термообработан ной при 385^вС заготовки с последующим отжигом в течение 1 часа при 230°С.SDI at room temperature until the e = 10 hydrochloric heat treated at 385 C ⁱⁿ the preform, followed by annealing for 1 hour at 230 ° C. УМЗ структура образована зернами с размером не более 500 нм и и частицы метастабильной фазы Al₃Zr равномерно распределенными по объему зерен алюминиевой матрицы, имеющими сферическую форму и средний размер 20 нм.The UFG structure is formed by grains with a size of no more than 500 nm and particles of the metastable phase Al ₃ Zr are uniformly distributed over the grain size of the aluminum matrix, having a spherical shape and an average size of 20 nm. 320 320 9.0 9.0 30.91 30.91 53.3 53.3 Аналоги Analogs Japanese Patent LayingOpen 63- 293146 [1] Japanese Patent LayingOpen 63- 293146 [1] - - 260* 260 * - - - - 55.0 55.0 ЕР 0787811 [2] EP 0787811 [2] - - 257* 257 * - - 56.1 56.1 317* 317 * - - 50.2 50.2 RU 2534170 [3] RU 2534170 [3] 340 340 - - 54.1 54.1 RU 2492258 [4] RU 2492258 [4] 253*** 253 *** 57.4 57.4 После отжита 400 часов при 180°С After 400 hours at 180 ° C ИПД при комнатной температуре до в = 5 термообработан ной при 385°С заготовки с последующим отжигом в течение 1 часа при 23 (УС. IPD at room temperature up to = 5 heat-treated at 385 ° C workpiece with subsequent annealing in within 1 hour at 23 (US 300 300 14.7 14.7 30.2 30.2 55.0 55.0 ИПД при комнатной температуре до е = 10 термообработан ной при 385°С заготовки с последующим отжигом в IPD at room temperature to e = 10 heat-treated at 385 ° C workpiece with subsequent annealing in 310 310 14.0 14.0 30.5 30.5 54.5 54.5

течение 1 часа при 230°С.for 1 hour at 230 ° C.

течение 1 часа при 230°С. for 1 hour at 230 ° C. σ_Β - предел прочности; δ - удлинение до разрушения; ω - удельная электрическая проводимость; IACS - International Annealed Copper Standard, соответствует удельной электрической проводимости 58 МСм/м, которое принимают за 100 % по IACS. * - рабочая температуре/температура эксплуатации 150°С (в течение 36 лет) или 180°С в течение 400 часов; ** - после отжига при температуре 300°С, в течение 100 часов; *** - рабочая температура/температура эксплуатации не определена в соответствие с с требованиями IEC 62004:2007.σ _Β - ultimate strength; δ is the elongation to failure; ω is the electrical conductivity; IACS - International Annealed Copper Standard, corresponds to a specific conductivity of 58 MSm / m, which is taken as 100% according to IACS. * - operating temperature / operating temperature of 150 ° C (for 36 years) or 180 ° C for 400 hours; ** - after annealing at a temperature of 300 ° C, for 100 hours; *** - operating / operating temperature is not defined in accordance with the requirements of IEC 62004: 2007.

Как видно из табл. 1, алюминиевый сплав, полученный по предложенному способу обработки, по сравнению с известными аналогами, имеющими температуру длительной эксплуатации при 150°С, имеет более высокие значения прочности и электропроводности. Кроме этого, алюминиевый сплав, полученный по предложенному способу обработки, по сравнению с известными аналогами обладает более простым химическим составом.As can be seen from the table. 1, the aluminum alloy obtained by the proposed method of processing, in comparison with the known analogues having a temperature of long-term operation at 150 ° C, has higher values of strength and electrical conductivity. In addition, the aluminum alloy obtained by the proposed processing method, in comparison with known analogues has a simpler chemical composition.

Пример 2.Example 2

Методом совмещенного литья и прокатки получили исходные заготовки сплава в виде прутков диаметром 9 мм с содержанием 0.40 мас.% Mg, 0.20 мас.% Zr, 0.17Z(Fc.Si.V.Ni.Mn.Cr). остальное - Al. Прутки подвергли термообработке - отжигу при температуре 385°С в течение 120 ч. После отжига заготовки были охлаждены на воздухе. Затем заготовки подвергли интенсивной пластической деформацииBy the method of combined casting and rolling, the initial alloy billets were obtained in the form of rods with a diameter of 9 mm with a content of 0.40 wt.% Mg, 0.20 wt.% Zr, 0.17Z (Fc.Si.V. Ni.Mn.Cr). the rest is Al. The rods were subjected to heat treatment — annealing at a temperature of 385 ° С for 120 h. After annealing, the billets were cooled in air. Then the workpieces were subjected to intense plastic deformation.

- 5 034631 методом непрерывного равноканального углового прессования по схеме Конформ при комнатной температуре с приложенным давлением 0.2 ГПа до истинной накопленной деформации (е) 4. Затем деформированные заготовки извлекли из оснастки для проведения интенсивной пластической деформации и подвергли холодному волочению со степенью обжатия до 85% и последующей финальной термической обработке - отжигу в течение 1 ч при температуре 230°С. В результате проведенной обработки получили образцы проволоки диаметром 3.2 мм и длинной до 3 м.- 5 034631 by the method of continuous equal-channel angular pressing according to the Conform scheme at room temperature with an applied pressure of 0.2 GPa to the true accumulated deformation (e) 4. Then, the deformed workpieces were removed from the tooling for intensive plastic deformation and subjected to cold drawing with a compression ratio of up to 85% and subsequent final heat treatment - annealing for 1 h at a temperature of 230 ° C. As a result of the processing, we obtained wire samples with a diameter of 3.2 mm and a length of up to 3 m.

Из полученных заготовок проволоки были изготовлены образцы для исследований микроструктуры, механических свойств, электропроводности и термостойкости.Samples for studying the microstructure, mechanical properties, electrical conductivity and heat resistance were made from the obtained wire blanks.

Механические испытания образцов осуществляли в соответствии с требованиями ГОСТ 10446-80 Проволока. Метод испытания на растяжение. Электропроводность образцов определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 7229-76 Кабели, провода и шнуры, метод определения электрического сопротивления токопроводящих жил и проводников. Термостойкость образцов определяли в соответствии с требованиями IEC 62004:2007 Thermal resistant aluminum alloy wire for overhead line conductors.Mechanical testing of the samples was carried out in accordance with the requirements of GOST 10446-80 Wire. Tensile Test Method The electrical conductivity of the samples was determined in accordance with the requirements of GOST 7229-76 Cables, wires and cords, a method for determining the electrical resistance of conductive conductors and conductors. The temperature resistance of the samples was determined in accordance with the requirements of IEC 62004: 2007 Thermal resistant aluminum alloy wire for overhead line conductors.

После предварительной термической обработки - отжига в заготовках сплава образовались наноразмерные частицы метастабильной фазы Al₃Zr. Полученная УМЗ структура в заготовке сплава, сформированная в ходе реализации предложенного способа обработки, имеет средний размер зерна в диапазоне 600-400 нм. Наряду с ультрамелкими зернами в структуре наблюдаются наноразмерные частицы метастабильной фазы Al₃Zr, имеющие сферическую форму и средний размер 20 нм, равномерно распределенные по объему зерен алюминиевой матрицы.After preliminary heat treatment — annealing, nanosized particles of the metastable phase Al ₃ Zr formed in the alloy billets. The obtained UFG structure in the alloy preform, formed during the implementation of the proposed processing method, has an average grain size in the range of 600-400 nm. Along with ultrafine grains in the structure, nanosized particles of the metastable phase Al ₃ Zr are observed, having a spherical shape and an average size of 20 nm, uniformly distributed over the grain size of the aluminum matrix.

В табл. 2 представлены результаты механических испытаний, измерений и электропроводности заготовок сплава после их обработки по предложенному способу, а также свойства известных аналогов.In the table. 2 presents the results of mechanical tests, measurements and electrical conductivity of the alloy billets after their processing by the proposed method, as well as the properties of known analogues.

Также в табл. 2 приведены механические свойства и значения электропроводности заготовок, полученных по предложенному способу после оценки уровня их термостойкости, а именно после отжига в течение 1 ч при температуре 230°С.Also in the table. 2 shows the mechanical properties and electrical conductivity of the workpieces obtained by the proposed method after evaluating the level of their heat resistance, namely after annealing for 1 h at a temperature of 230 ° C.

Таблица 2table 2

По заявленному способу обработки According to the claimed processing method Тип микроструктуры Microstructure type σ_Β, [МПа]σ _Β , [MPa] 8, [%] 8, [%] УЭС, [нОм*м] Resistivity [nOm * m] IACS, [%] IACS, [%] ИПД при комнатной температуре до е = 4 термообработан ной при 385°С заготовки IPD at room temperature to e = 4 heat-treated at 385 ° С УМЗ структура образована зернами с размером не более 600 нм и частицы метастабильной фазы AlyZr равномерно распределенными по объему зерен алюминиевой матрицы, имеющими сферическую форму и средний размер 20 нм. The UFG structure is formed by grains with a size of no more than 600 nm and the particles of the metastable phase AlyZr uniformly distributed over the volume of grains of the aluminum matrix, having a spherical shape and an average size of 20 nm. 267 267 2.4 2.4 30.18 30.18 57.1 57.1 Аналоги Analogs Japanese Patent Laying- Open 63- 293146 [1] Japanese Patent Laying- Open 63- 293146 [1] - - 260* 260 * - - - - 55.0 55.0 ЕР0787811 [2] EP0787811 [2] * * 257* 257 * - - 56.1 56.1 317* 317 * - - 50.2 50.2 RU2534170 [3] RU2534170 [3] 340** 340 ** - - 54.1 54.1

RU2492258 [4] | { 253*** | - | - | 57.4RU2492258 [4] | {253 *** | - | - | 57.4

После отжига 1 час при 230°СAfter annealing for 1 hour at 230 ° C

RU2492258 [4] RU2492258 [4] 253*·* 253 * 57.4 57.4 После отжига 1 час при 230°С After annealing for 1 hour at 230 ° C ИПД при комнатной температуре до е = 4 термообработан ной при 385°С заготовки с последующим отжигом в течение 1 часа при 230^рС.SPD at room temperature up to e = 4 heat-treated at 385 ° C preform with subsequent annealing for 1 hour at 230 ^r C. 245 245 3.3 3.3 30.09 09/30 57.3 57.3 ав _ предел прочности; δ - удлинение до разрушения; УЭС - удельное электрическое сопротивление; IACS - International Annealed Copper Standard, соответствует удельной электрической проводимости 58 МСм/м, которое принимают за 100 % по IACS. * - рабочая температуре/температура эксплуатации 150°С (в течение 36 лет) или 180°С в течение 400 часов; * * - после отжига при температуре 300°С, в течение 100 часов; *** - рабочая температура/температура эксплуатации не определена в соответствие с требованиями IEC 62004:2007. ав _ ultimate strength; δ is the elongation to failure; UES - electrical resistivity; IACS - International Annealed Copper Standard, corresponds to a specific conductivity of 58 MSm / m, which is taken as 100% according to IACS. * - operating temperature / operating temperature of 150 ° C (for 36 years) or 180 ° C for 400 hours; * * - after annealing at a temperature of 300 ° C, for 100 hours; *** - operating / operating temperature is not defined in accordance with the requirements of IEC 62004: 2007.

Как видно из табл. 2, алюминиевый сплав, полученный по предложенному способу обработки, поAs can be seen from the table. 2, an aluminum alloy obtained by the proposed processing method, according to

- 6 034631 сравнению с известными аналогами, имеющими температуру длительной эксплуатации при 150°С, имеет более высокие значения прочности и электропроводности. Кроме этого, алюминиевый сплав, полученный по предложенному способу обработки, по сравнению с известными аналогами обладает более простым химическим составом.- 6 034631 in comparison with the known analogues having a temperature of long-term operation at 150 ° C, has higher values of strength and electrical conductivity. In addition, the aluminum alloy obtained by the proposed processing method, in comparison with known analogues has a simpler chemical composition.

Технико-экономическая эффективность заявленного изобретения состоит в получении алюминиевого сплава, обладающего высокой прочностью и термостойкостью при сохранении электропроводности, с помощью простого и экономичного способа. Высокие характеристики прочности и термостойкости, а также удовлетворительной электропроводности обеспечиваются за счет химического состава и ультрамелкозернистой структуры. Содержание циркония в матрице алюминия придает сплаву нужную термостойкость, а магний позволяет уменьшить средний размера зерна в результате обработки интенсивной пластической деформации, что повышает прочность материала. При этом предлагаемые методы термообработки позволяют использовать оба легирующих элемента без снижения электропроводности.Feasibility study of the claimed invention consists in producing an aluminum alloy having high strength and heat resistance while maintaining electrical conductivity, using a simple and economical method. High strength and heat resistance characteristics, as well as satisfactory electrical conductivity, are ensured by the chemical composition and ultrafine-grained structure. The zirconium content in the aluminum matrix gives the alloy the desired heat resistance, and magnesium allows you to reduce the average grain size as a result of processing intense plastic deformation, which increases the strength of the material. Moreover, the proposed heat treatment methods allow the use of both alloying elements without reducing conductivity.

Простой химический состав предлагаемого алюминиевого сплава позволяет использовать обычные и недорогие технологические процессы литья на металлургических предприятиях. Необходимая ультрамелкозернистая структура сплава обеспечивается известными методами термообработки и интенсивной пластической деформации, поэтому не требует существенных изменений в технологических процессах обработки металлов, применяемых на металлургических предприятиях.The simple chemical composition of the proposed aluminum alloy allows the use of conventional and inexpensive casting processes in metallurgical enterprises. The necessary ultrafine-grained structure of the alloy is provided by the well-known methods of heat treatment and intense plastic deformation, therefore, it does not require significant changes in the technological processes of metal processing used in metallurgical enterprises.

Использование предлагаемого высокопрочного и термостойкого алюминиевого сплава позволяет расширить рынок проводников со специальными свойствами для производства изделий электротехнического характера, работающих при повышенных механических нагрузках и испытывающих воздействие высоких температур в процессе эксплуатации. Внедрение предлагаемого высокопрочного и термостойкого алюминиевого сплава позволит повысить надежность и срок службы электротехнических изделий и электросетей, а также снизить стоимость их обслуживания.The use of the proposed high-strength and heat-resistant aluminum alloy allows us to expand the market of conductors with special properties for the production of products of an electrotechnical nature, working at high mechanical loads and experiencing high temperatures during operation. The introduction of the proposed high-strength and heat-resistant aluminum alloy will improve the reliability and service life of electrical products and electrical networks, as well as reduce the cost of their maintenance.

Список используемой литературы.Bibliography.

1. Japanese Patent Laying-Open 63-293146 (1988).1. Japanese Patent Laying-Open 63-293146 (1988).

2. Патент ЕР0787811, МПК С22С21/00, опубл.06.08.1997.2. Patent EP0787811, IPC C22C21 / 00, publ. 06/08/1997.

3. Патент RU2534170 МПК С22С 21/12, C22F1/057, С22С 1/02, опубл. 27.11.2014.3. Patent RU2534170 IPC C22C 21/12, C22F1 / 057, C22C 1/02, publ. 11/27/2014.

4. Патент RU2492258, МПК С22С21/00, опубл. 10.09.2013.4. Patent RU2492258, IPC C22C21 / 00, publ. 09/10/2013.

5. Патент RU2344187, МПК С22С1/02, опубл. 20.01.2009.5. Patent RU2344187, IPC С22С1 / 02, publ. 01/20/2009.

6. ASTM В396-00 Standard Specification for Aluminum-Alloy 5005-H19 Wire for6. ASTM B396-00 Standard Specification for Aluminum-Alloy 5005-H19 Wire for

Electrical Purposes, (прототип по сплаву)Electrical Purposes, (prototype alloy)

17. Патент RU 2478136, МПК C22F1/05, опубл. 27.03.2013. (прототип по способу)17. Patent RU 2478136, IPC C22F1 / 05, publ. 03/27/2013. (prototype according to the method)

8. Алюминий и сплавы алюминия в электротехнических изделиях / Л.А. Воронцова, В.В. Маслов, И.Б. Пешков Изд. «Энергия», Москва 1971 - 224 с. (стр. 53-59).8. Aluminum and aluminum alloys in electrical products / L.A. Vorontsova, V.V. Maslov, I.B. Peshkov Publ. "Energy", Moscow 1971 - 224 p. (p. 53-59).

9. N.A. Belov, A.N. Alabin, LA. Matveeva, D.G. Eskin Effect of Zr additions and annealing temperature on electrical conductivity and hardness of hot rolled Al sheets // Trans. Nonferrous Met. Soc. China 25 (2015) 2817-2826.9. N.A. Belov, A.N. Alabin, LA. Matveeva, D.G. Eskin Effect of Zr additions and annealing temperature on electrical conductivity and hardness of hot rolled Al sheets // Trans. Nonferrous Met. Soc. China 25 (2015) 2817-2826.

10. Iwahashi Y., Horita Z., Nemoto M., Langdon T.G. Factor influencing the equilibrium grain size in equal-channel angular pressing: Role of Mg addition to aluminum // Metal. Trans. A. (1998) 29A 2503 -2510.10. Iwahashi Y., Horita Z., Nemoto M., Langdon T.G. Factor influencing the equilibrium grain size in equal-channel angular pressing: Role of Mg addition to aluminum // Metal. Trans. A. (1998) 29A 2503-2510.

11. P. Olafsson, R. Sandstrom, A. Karlsson Comparison of experimental, calculated and observed values for electrical and thermal conductivity of aluminium alloys // J. Mater. Sci. 32 (1997) 4383-4390.11. P. Olafsson, R. Sandstrom, A. Karlsson Comparison of experimental, calculated and observed values for electrical and thermal conductivity of aluminum alloys // J. Mater. Sci. 32 (1997) 4383-4390.

12. T. Knych, M. Piwowarska, P. Uliasz Studies on the process of heat treatment of conductive AlZr alloys obtained in various productive processes // Archives of Metallurgy and Materials 56 (2011) Issue 3 685-692.12. T. Knych, M. Piwowarska, P. Uliasz Studies on the process of heat treatment of conductive AlZr alloys obtained in various productive processes // Archives of Metallurgy and Materials 56 (2011) Issue 3 685-692.

13. J. Gubicza, N.Q. Chinh, Z. Horita, T.G. Langdon Effect of Mg addition on microstructure and mechanical properties of aluminum // Mater. Sci. Eng. A 387-389 (2004) 55-59.13. J. Gubicza, N.Q. Chinh, Z. Horita, T.G. Langdon Effect of Mg addition on microstructure and mechanical properties of aluminum // Mater. Sci. Eng. A 387-389 (2004) 55-59.

14. M.Yu. Murashkin, I. Sabirov, X. Sauvage, R.Z. Valiev Nanostructured Al and Cu alloys with superior strength and electrical conductivity // J. Mater. Sci. 51 (2016) ЗЗШ9.14. M.Yu. Murashkin, I. Sabirov, X. Sauvage, R.Z. Valiev Nanostructured Al and Cu alloys with superior strength and electrical conductivity // J. Mater. Sci. 51 (2016) ЗЗШ9.

15. P.3. Валиев, И.В. Александров, Объемные наноструктурные металлические материалы. -М.: ИКЦ «Академкнига», 2007 - 308 с. (стр. 322-328).15. P.3. Valiev, I.V. Aleksandrov, Volumetric nanostructured metallic materials. -M.: IKC "Akademkniga", 2007 - 308 p. (p. 322-328).

Claims

CLAIM

1. Heat-resistant conductive ultrafine-grained aluminum alloy containing magnesium, characterized in that it additionally contains zirconium in the following ratio of components, wt.%: Magnesium - 0.2-0.8, zirconium - 0.2-0.5, impurities, in particular iron, silicon, manganese, chromium, vanadium, not more than 0.2; aluminum - the rest, while the alloy has a microstructure with an average grain size of not more than 1 μm and nanoscale particles of the metastable phase Al ₃ Zr with a crystal lattice L1 ₂ , which are uniformly distributed

- 7 034631 divided by the volume of grains and have a spherical shape with a size of not more than 25 nm.

2. A method of obtaining a heat-resistant conductive ultrafine-grained (UFG) aluminum alloy according to claim 1, which consists in preliminary heat treatment and deformation of the UFG billet of an aluminum alloy, characterized in that the preliminary heat treatment is carried out by annealing in the temperature range 300-450 ° C for a duration of 30 to 350 h, and the deformation is carried out to the value of the true accumulated deformation e> 4 by the method of intensive plastic deformation at an applied pressure of 0.1-6.0 GPa in the range of homological temperatures 0.3 -0.5 _mp.

3. The method according to claim 2, characterized in that the intense plastic deformation is carried out by torsion under high pressure, or equal channel angular pressing, or equal channel angular pressing in parallel channels, or continuous equal channel angular pressing according to the Conform scheme.

4. The method according to claim 2, characterized in that after intense plastic deformation of the alloy billet is subjected to cold deformation by a drawing method with a compression ratio of from 10 to 90%.

5. The method according to claim 2, characterized in that after intensive plastic deformation of the alloy billet is subjected to cold deformation by rolling with a compression ratio of from 10 to 90%.