RU2772800C1 - Композитный высокопрочный термостойкий провод на основе алюминия - Google Patents

Композитный высокопрочный термостойкий провод на основе алюминия Download PDF

Info

Publication number
RU2772800C1
RU2772800C1 RU2021129794A RU2021129794A RU2772800C1 RU 2772800 C1 RU2772800 C1 RU 2772800C1 RU 2021129794 A RU2021129794 A RU 2021129794A RU 2021129794 A RU2021129794 A RU 2021129794A RU 2772800 C1 RU2772800 C1 RU 2772800C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wire
strength
aluminum
electrical
sectional area
Prior art date
Application number
RU2021129794A
Other languages
English (en)
Inventor
Максим Юрьевич Мурашкин
Иван Валерьевич Смирнов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)"
Application granted granted Critical
Publication of RU2772800C1 publication Critical patent/RU2772800C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к области цветной металлургии и электротехники и может быть использовано для производства изделий электротехнического назначения, таких как токопроводящие элементы в виде катанки, проволок, пластин, шин, кабелей (в том числе бортовой проводки транспортных средств), а также проводов воздушных линий электропередачи. В предлагаемом изобретении композитный высокопрочный термостойкий провод содержит сердечник из алюминиевого сплава системы Al-Zr с электропроводностью не менее 58% IACS и оболочку из высокопрочного алюминиевого сплава с пределом прочности не менее 365 МПа, содержащего легирующие компоненты медь (Cu) и марганец (Mn) при соотношении, в мас.%: 0.4-2.0 Cu; 0.7-2.0 Mn или магний (Mg) и цирконий (Zr) при соотношении, в мас.%: 0.4-1.5 Mg; 0.1-0.4 Zr, причем площадь поперечного сечения оболочки составляет 70-90% от площади сечения провода. Использование данного композитного провода дает возможность повысить надежность и срок службы электротехнических изделий и электросетей, а также снизить их стоимость. Это позволяет отнести заявляемое изобретение к импортозамещающим технологиям. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области цветной металлургии и электротехники и может быть использовано для производства изделий электротехнического назначения, таких как токопроводящие элементы, в виде, например, катанки, проволок, пластин, шин, кабелей (в том числе бортовой проводки транспортных средств), а также проводов воздушных линий электропередачи.
Известно, что алюминий обладает высокой электропроводностью, технологичностью и коррозионной стойкостью. Однако низкая прочность приводит к ограничению его использования в электротехнике в качестве альтернативного меди проводникового материала. Методы, основанные на прицезионном легировании для улучшения механической прочности, не в полной мере обеспечивают достижение ее оптимального сочетания с электропроводностью и/или термостойкостью. Например, повышение прочности алюминия достигают за счет введения в его состав магния (Mg) и кремния (Si) в определенных пропорциях, т.е. за счет создания сплавов системы Al-Mg-Si электротехнического назначения [1]. Монометаллические изделия электротехнического назначения, выполненные из данной группы сплавов, демонстрируя предел прочности 245-342 МПа и электропроводность 57.5-52.0% IACS [2], не обладают высокой термостойкостью. Их температура эксплуатации ограничена 90°С.
Заметное повышение прочности электротехнического материала на основе алюминия также возможно за счет введения в его состав таких легирующих элементов, как медь (Cu), марганец (Mn), цирконий (Zr), кремний (Si) и железо (Fe) [3]. В таком монометаллическом материале, полученном в виде проволоки, достигается предел прочности 434 МПа. Однако его электропроводность весьма на низком уровне -44.3% IACS.
Известны конструкции композитных проводов на основе алюминия, позволяющие повысить их механическую прочность при сохранении удовлетворительной электропроводности.
Известна конструкция композитного провода, полученного из алюминиевого сплава и стали [4]. Он состоит из сердечника, выполненного из нержавеющей аустенитной стали марки 316L, и оболочки из термически упрочняемого сплава системы Al-Mg-Si марки АА6201. Установленное рациональное соотношение: площадь сечения стального сердечника составляет 25% от общей площади сечения провода. Данная конструкция позволила, в зависимости от условий обработки, достичь в указанном проводнике диаметром 10 мм условного предела текучести 424 МПа и электропроводности в диапазоне 42.97% IACS. Присутствие в композитном проводнике стального сердечника обеспечивает высокий уровень прочности, но не обеспечивает электропроводность на приемлемом уровне ≥50% IACS. Кроме того, присутствие в предложенной конструкции стали нивелирует преимущество в погонной массе/погонном весе композитного проводника, содержащего алюминий, в сравнении с проводниками, выполненными исключительно из меди и сплавов на ее основе.
Известна конструкция композитного провода, полученного из алюминия, покрытого медью [5]. Провод с медным покрытием с содержанием меди в количестве 15 об.% имеет сердечник, выполненный из алюминиевого сплава. Электропроводность данного композитного провода составляет 62% IACS, а предел прочности 252 МПа.
При достаточно высоких значениях электропродности композитный провод из алюминиевого сплава в медной оболочке не обладает достаточной прочностью. Кроме этого существует опасность образования очагов коррозии в торцах и местах соединения таких проводов из-за возможного нарушения тонкой медной оболочки при проведении монтажных работ.
Известна конструкция композитного провода с медью, используемой в качестве проволоки, повитой в виде спирали, встроенной в алюминиевую матрицу - основу провода [6]. Образец данного композитного провода из технически чистого алюминия со спиральной «арматурой» из чистой меди с долей около 15 об.% демонстрирует повышенную несущую способность. Однако композитный провод предложенной конструкции из-за большой протяженности межфазной поверхности алюминиевой основы с «арматурой» из меди содержит прослойки, образованные интерметаллидными фазами θ-Al2Cu, γ-Al4Cu9 и ξ-Al3Cu4, суммарная толщина которых составляет ≥100 мкм. Из-за своей низкой электропроводности прослойки данных фаз заметно снижают итоговую электропроводность провода. Также выполнение наружной оболочки композитного провода из мягкого чистого алюминия не обеспечивает возможности его использования в условиях приложенных сильных внешних механических воздействий, вызванных например, эоловыми вибрациями, представляющими собой основную причину усталостного разрушения проводов воздушных линий электропередачи.
Известна конструкция композитного провода, выполненного на основе алюминия [7], имеющая общий с заявляемым устройством принцип действия конструкции по сочетанию комбинации проводящего сердечника и высокопрочной оболочки. Провод состоит из сердечника, выполненного из технически чистого алюминия марки АА1350, и оболочки из термически упрочняемого сплава системы Al-Mg-Si марки АА6201. Площадь сечения сердечника составляет 40% от площади сечения композитного провода. Экспериментальное значение предела прочности указанного композитного материала в виде проволоки диаметром 1 мм составляет 150 МПа, а электропроводности 56.5% IACS.
Достигнутый уровень прочности в данном проводе является недостаточным для конкурирования в применении, например, с проводниками из меди марки M1 (предел прочности от 340 до 450 МПа) [8] или с проводниками из термически упрочняюмых сплавов системы Al-Mg-Si (предел прочности от 245 до 342 МПа) [2]. Кроме того предложенный композитный провод не является термостойким, так как температура длительной эксплуатации обоих материалов, входящих в его конструкцию, не превышает 90°С.
Техническим результатом изобретения является расширение области применения проводов на основе алюминия и замещение существующих более дорогих проводов, выполненных на основе меди, за счет достижения высокой прочности и термостойкости проводника при удовлетворительной электропроводности.
Для достижения указанного технического результата композитный высокопрочный, термостойкий провод содержит сердечник из алюминиевого термостойкого сплава системы Al-Zr с электропроводностью не менее 58% IACS (IACS - Международный Стандарт Отожженной Меди, где 100% IACS=0,017241 Ом*мм2/м) и оболочку из высокопрочного алюминиевого сплава с пределом прочности не менее 365 МПа, содержащего легирующие компоненты медь (Cu) и марганец (Mn) при соотношении, в мас.%: 0.4-2.0 Cr; 0.7-2.0 Mn или магний (Mg) и цирконий (Zr) при соотношении, в мас.%: 0.4-1.5 Mg; 0.1-0.4 Zr, причем площадь поперечного сечения оболочки составляет 70-90% от площади сечения провода.
При площади поперечного сечения оболочки более 90% от площади поперечного сечения провода необходимый уровень электропроводности (≥50% IACS) не достигается.
При площади поперечного сечения оболочки менее 70% от площади поперечного сечения провода необходимый уровень механической прочности (предел прочности ≥340 МПа) не достигается.
Экспериментально было установлено, что оптимальное сочетание прочности, электропроводности и термостойкости в материале на основе алюминия достигается при содержании меди 0.2-2.0 мас.% и марганца 0.7-2.0 мас.%. При этом медь и марганец за счет частичного сохранения заданной концентрации в твердом растворе, а также за счет образования интерметаллидных фаз Al6Mn и Al20Cu2Mn3, приводят к повышению прочности, электропроводности и термостойкости сплава. Также экспериментально было установлено, что оптимальное сочетание прочности, электропроводности и термостойкости в материале на основе алюминия достигается при содержании магния 0.4-1.5 мас.% и циркония 0.1-0.4 мас.%. При этом магний и цирконий за счет частичного сохранения заданной концентрации в твердом растворе, а также за счет образования интерметаллидной фазы Al3Zr, приводят к повышению прочности, электропроводности и термостойкости сплава.
Сущность изобретения поясняется рисунком (Фиг. ), на котором представлено изображение поперечного сечения композитного термостойкого провода повышенной прочности, где:
1 - расположенной вдоль оси провода сердечник из термостойкого сплава системы Al-Zr;
2 - оболочка, выполненная из алюминиевого сплава, содержащего легирующие элементы, обеспечивающие высокую прочность, термостойкость и удовлетворительную электропроводность, площадь поперечного сечения которой составляет 70-90% от площади поперечного сечения провода.
Примеры осуществления изобретения.
Пример 1. Для получения композитного провода в качестве материала оболочки использовали высокопрочный термостойкий сплав Al-2.0Cu-1.7 Mn (мас.%) в виде трубной заготовки диаметром 16 мм. В качестве материала сердечника использовали сплав Al-0.4Zr (мас.%) в виде цилиндрического прутка диаметром 7.15 мм. Площадь поперечного сечения оболочки (трубной заготовки) составляла 80% от общей площади композитного провода. В трубную заготовку (оболочку) помещали цилиндрический пруток (сердечник). Композитную заготовку провода из данных материалов подвергали горячей и холодной деформации до диаметра 10 мм, отжигу и деформационной обработке до диаметра 4.2 мм.
Из полученного композитного провода в виде проволоки были изготовлены образцы для исследований механических свойств, электропроводности и термостойкости.
Механические испытания образцов осуществляли в соответствии с требованиями ГОСТ 10446-80 [9]. Удельное электрическое сопротивление образцов определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 7229-76 [10]. Термостойкость образцов оценивали по требованиям IEC 62004:2007 [11].
Для данного композитного провода диаметром 4.2 мм предел прочности составил 410 МПа, электропроводность - 51% IACS и температура длительной эксплуатации (36 лет) - 150°С.
Пример 2. Для получения композитного провода в качестве материала оболочки использовали высокопрочный термостойкий сплав Al-l.17Mg-0.35 Zr (мас.%) в виде трубной заготовки диаметром 22 мм. В качестве материала сердечника использовали сплав Al-0.4 Zr (мас.%) в виде цилиндрического прутка диаметром 9,2 мм. Площадь поперечного сечения оболочки (трубной заготовки), составляла 83% от общей площади композитного провода. В трубную заготовку (оболочку) помещали цилиндрический пруток (сердечник). Композитную заготовку из данных материалов подвергали горячей и холодной деформации до диаметра 9 мм, отжигу и деформационной обработке до диаметра 3.2 мм.
Из полученного композитного провода в виде проволоки были изготовлены образцы для исследований механических свойств, электропроводности и термостойкости.
Механические испытания образцов осуществляли в соответствии с требованиями ГОСТ 10446-80 [9]. Удельное электрическое сопротивление образцов определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 7229-76 [10]. Термостойкость образцов оценивали по требованиям IEC 62004:2007 [11].
Для данного композитного провода в виде проволоки диаметром 3.2 мм предел прочности составил 354 МПа, электропроводность - 51,2% IACS и температура длительной эксплуатации (36 лет) - 150°С.
Технико-экономическая эффективность заявленного изобретения, как показывают результаты апробации, состоит в возможности получения электротехнического материала в виде композитного провода на основе алюминия, обладающего повышенной прочностью и термостойкостью. Композитный термостойкий провод повышенной прочности на основе алюминия с заявленным уровнем свойств может быть использован для производства изделий электротехнического назначения, эксплуатируемых в условиях повышенных механических нагрузок и температур, а внедрение данного композитного провода дает возможность повысить надежность и срок службы электротехнических изделий и электросетей, а также снизить их стоимость. Это позволяет отнести заявляемое изобретение к импортозамещающим технологиям.
Список используемых источников информации
1. Воронцова Л.А., Маслов В.В., Пешков И.Б. Алюминий и алюминиевые сплавы в электротехнических изделиях. М.: «Энергия», 1971. 224 с. (С. 29).
2. EN50183 (2002), Overhead power line conductors - Bare conductors of aluminium alloy with magnesium and silicon content.
3. N.A. Belov, N.O. Korotkova, T.K. Akopyan, A.M. Pesin, Phase composition and mechanical properties of Al 1.5% Cu 1.5% Mn 0.35% Zr (Fe, Si) wire alloy // Journal of Alloys and Compounds 782(2019)735-746.
4. Yu. Qi, R. Lapovok and Yu. Estrin, Microstructure and electrical conductivity of aluminium/steel bimetallic rods processed by severe plastic deformation // Journal Materials Science 51 (2016) 6860-6875.
5. Y. Koiwa, M. Sugawara, and M. Fukuhara, Copper-Clad aluminum wire DCCA for speakers on mobile devices // SEI Technical Review 90 (2020) 27-30.
6. R. Lapovok, V.V. Popov, Y. Qi, et al. Architectured hybrid conductors: Aluminium with embedded copper helix // Materials and Design 187 (2020) 108398.
7. C. Yang, N. Masquellier, C. Gandiolle, X. Sauvage, Multifunctional properties of composition graded Al wires // Scripta Materialia 189 (2020) 21-24 (общий с заявляемым устройством принцип действия конструкции).
8. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки. Справочник. М.: Машиностроение, 2003 336 с. (С. 21).
9. ГОСТ 10446-80 «Проволока. Метод испытания на растяжение».
10. ГОСТ 7229-76 «Кабели, провода и шнуры, метод определения электрического сопротивления токопроводящих жил и проводников».
11. IEC62004: 2007 «Thermal resistant aluminum alloy wire for overhead line conductors».
Учтены также источники патентной информации, близкие по МПК: H01B 1/00, Н01В 5/02:
- патент РФ №RU2417468 С1;
- патент РФ №RU119514 U1
- патент США №US20150290738 A1;
- патент США №US6470564 B1;
- патент Японии №JP2009289746 A;
- патент Китая №CN203038693 U;
- патент Китая №CN 102420024 В;
- патент Китая №CN102103906 A;
- патент Китая №CN202352363 U;
- патент Китая №CN 104900300 В;

Claims (1)

  1. Композитный высокопрочный термостойкий провод на основе алюминия, выполненный по принципу конструкции из комбинации проводящего сердечника и высокопрочной оболочки и содержащий сердечник из алюминиевого сплава системы Al-Zr с электропроводностью не менее 58% IACS и оболочку из высокопрочного алюминиевого сплава с пределом прочности не менее 365 МПа, содержащего легирующие компоненты медь и марганец при соотношении, мас.%: 0.4-2.0 Cu; 0.7-2.0 Mn или магний и цирконий при соотношении, мас.%: 0.4-1.5 Mg; 0.1-0.4 Zr, причем площадь поперечного сечения оболочки составляет 70-90% от площади сечения провода.
RU2021129794A 2021-10-12 Композитный высокопрочный термостойкий провод на основе алюминия RU2772800C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2772800C1 true RU2772800C1 (ru) 2022-05-26

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5106825A (en) * 1987-07-31 1992-04-21 Olin Corporation Fabrication of superconducting wire and product
US6470564B1 (en) * 1998-09-22 2002-10-29 The Furukawa Electric Co., Ltd. Method of manufacturing aluminum-stabilized superconducting wire
RU2285966C1 (ru) * 2005-02-14 2006-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара" Способ изготовления композитных проводов
JP2009289746A (ja) * 2008-05-29 2009-12-10 Gebauer & Griller Metallwerk Gmbh 金属層を少なくとも2層有する金属複合線
RU2417468C1 (ru) * 2010-01-27 2011-04-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Композитный высокопрочный провод с повышенной электропроводностью
RU119514U1 (ru) * 2012-04-02 2012-08-20 Открытое акционерное общество "Кирскабель" Провод неизолированный усиленный для воздушных линий электропередачи (варианты)
US9597747B2 (en) * 2012-11-15 2017-03-21 Afl Telecommunications Llc Methods for applying aluminum coating layer to a core of copper wire

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5106825A (en) * 1987-07-31 1992-04-21 Olin Corporation Fabrication of superconducting wire and product
US6470564B1 (en) * 1998-09-22 2002-10-29 The Furukawa Electric Co., Ltd. Method of manufacturing aluminum-stabilized superconducting wire
RU2285966C1 (ru) * 2005-02-14 2006-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара" Способ изготовления композитных проводов
JP2009289746A (ja) * 2008-05-29 2009-12-10 Gebauer & Griller Metallwerk Gmbh 金属層を少なくとも2層有する金属複合線
RU2417468C1 (ru) * 2010-01-27 2011-04-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Композитный высокопрочный провод с повышенной электропроводностью
RU119514U1 (ru) * 2012-04-02 2012-08-20 Открытое акционерное общество "Кирскабель" Провод неизолированный усиленный для воздушных линий электропередачи (варианты)
US9597747B2 (en) * 2012-11-15 2017-03-21 Afl Telecommunications Llc Methods for applying aluminum coating layer to a core of copper wire

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101414838B1 (ko) 알루미늄 합금 도체 전선 및 그 제조방법
JP6615413B1 (ja) 可動ケーブル
EP3362581B1 (en) Aluminum-iron-zirconium alloys
US9934887B2 (en) Umbilical
Tian et al. Prospects for novel deformation processed Al/Ca composite conductors for overhead high voltage direct current (HVDC) power transmission
US11183780B2 (en) Connection structure
KR102453495B1 (ko) 절연 전선용 연선 도체, 절연 전선, 코드 및 케이블
US3278300A (en) Aluminum alloys for electric conductors
EP0257904A2 (en) Contact conductor for electric vehicles
RU2772800C1 (ru) Композитный высокопрочный термостойкий провод на основе алюминия
KR20130079905A (ko) 합금화에 의해 강도와 계면신뢰성이 향상된 구리/알루미늄 클래드재 및 그 제조방법
CN104294089B (zh) 一种煤矿电缆用Al‑Fe‑Cu‑Mg‑Zr系铝合金及铝合金电缆
EP2646586A1 (en) High strength, high conductivity copper alloys and electrical conductors made therefrom
CN104294096A (zh) 煤矿电缆用Al-Fe-Cu-Mg-Cr系铝合金及铝合金电缆
CN103730185A (zh) 一种Al-Fe-Cu-Mg铝合金及其制备的电线
CN113593748B (zh) 一种合金铜线及制备方法
US20170154700A1 (en) Aluminum-alloy electric wire and wire harness
RU2648339C2 (ru) Проводниковый алюминиевый сплав и изделие из него
Hou et al. Interface characterization and performances of a novel pure Al clad Al alloy wire
CN103725927A (zh) 一种Al-Fe-Cu-Mg铝合金及其制造的中压电缆
EP3981015A1 (en) Aluminum carbon nanotube (al-cnt) wires in transmission or distribution line cables
RU2815427C1 (ru) Способ получения проводника из сплава системы Al-Fe
RU2816585C1 (ru) Проводниковый материал на основе алюминия и изделие из него
RU2703564C1 (ru) Композитный контактный провод
RU223180U1 (ru) Кабель для установок погружных электронасосов