КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-79-00108

НазваниеРазработка новых составов алюминиевых сплавов и технологии бесслитковой прокатки-прессования прутков для изготовления проводниковой проволоки с повышенным уровнем термостойкости, механических свойств и электропроводимости

РуководительБеспалов Вадим Михайлович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет", Красноярский край

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаАлюминиевые сплавы, цирконий, церий, поведение при деформации, прокатка, экструзия, бесслитковая прокатка-прессование, свойства при высокой температуре, микроструктура, термическая стабильность, жаропрочность, моделирование влияния температуры, интерметаллиды, временное сопротивление разрыву, электропроводность

Код ГРНТИ53.43.37, 53.45.31


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Развитие современной электротехники, автомобильной промышленности, транспортных систем и авиации приводит к постоянному росту спроса на катанку, прутки и проволоку из алюминиевых сплавов с повышенной удельной прочностью, термической стабильностью и электропроводностью, сохраняющихся после нагревов до 250 °С и выше. Основная научная проблема организации производства продукции такого качества состоит в трудности достижения высокого уровня взаимообратных свойств, так как для увеличения термической стойкости и прочности при эксплуатации проводов необходимо одновременное легирование сплава и увеличение интенсивности деформации в процессе изготовления, что в обоих случаях приводит к существенному снижению электрической проводимости, в то время как двухступенчатый отжиг позволяет повысить электропроводность, однако при этом существенно снижается прочность. В тоже время известные сплавы, применяемые в аэрокосмической промышленности, в частности сплав 01417 с содержанием 7% редкоземельных металлов (РЗМ) обладает хорошим сочетанием прочности, термостойкости и удельного электрического сопротивления, тем не менее технология изготовления из него проволоки включает большое количества переделов, что повышает стоимость и ограничивает применение только производством самолетов тяжелой авиации типа Boeing, спутниковых систем и ракетостроением. Поэтому актуальной задачей является создание новых составов сплавов с пониженным содержанием дорогостоящих легирующих элементов и расширенным спектром применения, а также определение деформационных режимов их обработки. Второй серьезной проблемой современного отечественного производства является нехватка производственных мощностей для изготовления алюминиевой катанки, являющейся заготовкой при волочении проволоки. Прежде всего это связанно с использованием литейно-прокатных агрегатов (ЛПА), введённых в эксплуатацию в 70-ых годах и не позволяющих обрабатывать новые высокопрочные сплавы, так как их конструкция изначально рассчитана на обработку более пластичных сплавов. В то время как производственные мощности отечественных предприятий составляют 300 тыс. тон в год и не используются в полной мере. Решение данной задачи требует существенной модернизации, проектирования и внедрения новых отечественных конструкций ЛПА, либо введения в производство высокоэффективных линий импортных компаний SouthWire и Continuus Properzi, что связано с большими капиталовложениями и потерями времени на модернизацию. В качестве альтернативы описанным технологиям авторы заявки предлагают новую технологию бесслитковой прокатки-прессования (БПП), позволяющую объединить в одном технологическом цикле операции литья, прокатки и прессования, сократить количество переходов сортовой прокатки с 16-ти до 1-го (традиционная технология ЛПА) и обеспечить одновременный рост прочностных и пластических свойств за счет знакопеременной сдвиговой деформации в процессе обработки. Исследование в рамках проекта предполагает разработку составов термостойких алюминиевых сплавов с сравнительно небольшим содержанием переходных и редкоземельных металлов за счет комплексного легирования цирконием, церием и железом, а также режимов совместной обработки методами бесслитковой прокатки-прессования (БПП), волочения и двухступенчатого отжига, обеспечивающих более стабильные эксплуатационные характеристики проволоки при нагреве до 300 °С, высокую производительность и меньшие энергетические затраты по сравнению с ЛПА. Научная новизна предлагаемого технологического решения состоит: во-первых, в определении закономерностей влияния сдвиговой деформации в процессе бесслитковой прокатки-прессования (БПП) на структуру и свойства прутков, необходимых для обеспечения требуемого качества проводниковой проволоки при меньших энергетических затратах; во-вторых, разработке новых составов алюминиевых сплавов с содержанием 0,1-0,3% циркония, 0,3-3,3% церия и 0,2-1,5% железа для обеспечения более высокого уровня прочности и термостойкости по сравнению со стандартными электротехническими сплавами применяемыми в строительстве зданий, ЛЭП и городского транспорта; в-третьих, расширении спектра коммерческих сплавов системы Al-Cе необходимых для малой авиации, робототехники и транспортных систем; в-четвертых, обосновании параметров совместной деформационно-термической обработки методами волочения и двухступенчатого отжига после БПП для обеспечения труднодостижимого комплекса свойств проводниковой проволоки, отвечающего требованиям международных стандартов ASTM и IEC; в-пятых, получении проволоки с повышенным уровнем термостойкости и высокой электропроводностью за счет эффекта при введении в сплав церия в концентрации 0,3-0,5%.

Ожидаемые результаты
Исследование, разработка и внедрение на отечественных предприятиях комплексной технологии приготовления расплава, бесслитковой прокатки-прессования, волочения и двухступенчатого отжига проволоки из алюминиевых сплавов с повышенным уровнем прочности, пластичности, термостойкости и электропроводности обеспечит серьезные конкурентные преимущества по сравнению с импортными аналогами оборудования для производства проводниковой продукции и является одной из приоритетных задач в условиях современной экономической обстановки в мире. В рамках проекта будут разработаны новые составы термостойких проводниковых алюминиевых сплавов с пониженным содержанием переходных (ПМ) и редкоземельных металлов (РЗМ) за счет комплексного легирования цирконием, церием и железом, обеспечивающих стабильные эксплуатационные характеристики проволоки при нагреве до 300 °С. Проведены исследования влияния сдвиговой знакопеременной деформации в процессе бесслитковой прокатки-прессования (БПП) на структуру и свойства длинномерных прутков, определены температурно-скоростные и деформационные параметры обработки для достижения наилучшего сочетания прочности (130-170 МПа) и пластичности (15-20%) на прутках в сравнении с традиционными электротехническими сплавами, обеспечивающими 100-120 МПа. Исследовано влияние степени деформации на структуру и свойства катанки, полученной традиционной сортовой прокаткой с поперечным сечением, соответствующим сечению прутков после БПП для сравнения результатов. Определены режимы совместной деформационно-термической обработки прутков методом волочения и двухступенчатого отжига для обеспечения удельного электросопротивления на уровне 0,0287-0,0313 Ом*мм2/м, временного сопротивления разрыву 150-250 МПа и относительного удлинения 1-2% для проволоки. Определен уровень термической стабильности проволоки, полученной по различным режимам деформационной и термической обработки, а именно: закономерность изменения термостойкости в зависимости от момента введения промежуточного двухступенчатого отжига проволоки и разного уровня ее нагартовки после волочения. На основании проведенных экспериментальных исследований по получению прутков и проволоки рекомендованы для промышленного внедрения новые составы сплавов с содержанием циркония, церия и железа, отвечающие требованиям стандартов ASTM B941-16 и IEC 62004-07. Опубликовано не менее 2 публикаций (Scopous Q2 и Q1) в журнале Scopus по результатам исследования за два года. Возможность практического использования ожидаемых результатов проекта в экономике и социальной сфере подкрепляется наличием спроектированных и изготовленных лабораторных установок совмещенной обработки СПП-200 и опытно промышленной установки СЛиПП-2,5, защищенные патентами РФ. В рамках предыдущих научных и опытно конструкторских работ на ОАО «ИркАЗ» внедрена установка совмещенного литья и прокатки-прессования СЛиПП-4, работающая в настоящий момент по технологии совмещенной прокатки-прессования (СПП) литой заготовки. На ООО «Завод современных материалов» в г. Устюг запущена опытно-промышленная установка СПП-400. Наличие перечисленного оборудования позволит провести опытно-промышленные испытания предлагаемых технологий бесслитковой прокатки-прессования (БПП), волочения и двухступенчатого отжига.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Для достижения эксплуатационных свойств проводниковой проволоки стабильных после нагрева 180-300°С рекомендованы сплавы Al-0.3Zr-0.2Fe [1], Al-0.2Zr-0.5Fe [2], Al-0.2Zr-1.0Fe [3], Al-0.2Zr-0.5Ce-0.2Fe [4] и Al-0.1Zr-0.6Ce-0.7Fe [5] 2. Анализ микроструктуры и механических свойств литых проб сплавов [1-5] показал, что для получения твердого раствора Al без образования первичных интерметаллидных фаз Al3Zr с равномерным распределением фаз Al4(Ce, La), Al(Ce, La)Fe и AlFeSi необходимо перегревать расплав до 820-850°С перед заливкой. Временное сопротивление разрыву сплавов [1], [4] в литом состоянии составляет 60-70 МПа, а повышение содержания железа до 0.5-1% в сплавах [2], [3], [5] увеличивает прочность до 90-110 МПа. 3. Для достижения полного усвоения лигатуры, стабильной деформации и достаточного уровня упрочнения прутков в процессе БПП целесообразно осуществлять заливку расплава в калибр валков при температурах 820-850°С, подогреве валков 100°С, температуре матрицы 25°С, частоте вращения валков 0.42 рад/с, относительном обжатии в зоне прокатки 50% и коэффициенте вытяжки в зоне прессования 4.4-14.3. 4. Бесслитковая прокатка-прессование (БПП) сплава [1] с коэффициентом вытяжки 4.4-14.3 позволяет изготовить прутки с временным сопротивлением разрыву 130-140 МПа, относительным удлинением 30-25% и электросопротивлением 0.0328-0.0330 Ом∙мм2/м при сокращении количества технологических операции до 3 в сравнении с традиционной технологией непрерывного литья и сортовой прокатки катанки (ЛПА), включающей 20 операций и обеспечивающей сопоставимый уровень прочности 125-140 МПа, электросопротивления 0.0310-0.0330 Ом∙мм2/м, но меньшую пластичность 12-20%. Упрочнение после БПП с меньшей в 6 раз вытяжкой по сравнению с ЛПА обусловлено возникновением дополнительной сдвиговой знакопеременной деформации и неравномерного всестороннего сжатия в зоне распрессовки и прессования. 5. Проводниковая проволока из сплава [1], изготовленная методами БПП с вытяжкой 14.3, ступенчатого отжига 350°С, 40 ч. - 450°С, 20 ч. и волочения с относительным обжатием 96%, имеет прочность 180 МПа, удельное электрическое сопротивление 0.0291 Ом∙мм2/м и относительное удлинение 3%. Электропроводность сплава повышается после отжига из-за распада твердого раствора Al с Zr и выведения наноразмерных фаз Al3Zr, причем чем выше коэффициент вытяжки БПП, тем равномернее распределение фаз Al3Zr, выше термостойкость и меньше электросопротивление. Комплекс свойств проволоки после такого режима совмещенной обработки соответствует типу АТ3 по международной классификации. 6. Микроструктура проволоки из сплава [1] состоит из более мелких и раздробленных частиц избыточных фаз AlFeSi и кристаллов Al3Zr по сравнению с прутками, обработанными методом БПП. В деформированном состоянии проволока имеет волокнистое строение и частично рекристаллизованные зерна после ступенчатого отжига 350°С, 40 ч. - 450°С, 20 ч, при этом повышение коэффициента вытяжки БПП приводит к меньшей степени рекристаллизации и размеру зерна в структуре отожжённой проволоки. 7. Повышение Fe в сплаве [2] до 0.5% при уменьшенном до 0.2% содержании Zr, БПП с вытяжкой 14.3 и обжатие волочением 96% обеспечивают уровень временного сопротивления разрыву проволоки 224 МПа, электрическое сопротивление 0.0336 Ом∙мм2/м и относительное удлинение 2.5%, а ступенчатый отжиг 350°С, 40 ч. - 450°С, 20 ч. после волочения с обжатием 48% и повторное обжатие 96% позволяет снизить электросопротивление проволоки до 0.0291 Ом∙мм2/м при достижении уровня прочности 172-176 МПа и относительного удлинения 1.5-2.5%, что также удовлетворяет требованиям проволоки типа АТ3. 8. Проволока из сплава [5] с 0.6% Ce, 0.7% Fe и пониженным до 0.1% содержанием Zr имеет прочность 174 МПа, относительное удлинение 1.5% и электросопротивление 0.0294 Ом∙мм2/м после БПП с вытяжкой 14.3, обжатия волочением 48%, ступенчатого отжига 350°С, 40 ч. - 450°С, 20 ч. и повторного обжатия 96%. Поскольку лигатура Al-Zr в 4-6 раз дороже, чем Al-Ce и Al-Fe целесообразно замещение части Zr в сплавах [1], [2] добавками Ce и Fe. 9. Повышение содержания Fe в сплаве [3] до 1% при содержании 0.2% циркония, вытяжка 14.3 при БПП и обжатие волочением 96% обеспечивают прочность проволоки 260 МПа, электрическое сопротивление 0.0328 Ом∙мм2/м и относительное удлинение 1.5%. Комплекс свойств проволоки данного сплава близок к типу АТ2 по международной классификации. На следующем этапе будут подробнее исследованы режимы обработки данного сплава для достижения требуемого уровня термостойкости и электропроводности. 10. Определены реологические свойства сплава [4], температурно-скоростные, деформационные параметры при обработки его методом БПП с температурой заливки 850°С, вытяжкой 14.3 и частотой вращения валков 0.42 рад/с в программе Deform 3D. Изменение температуры металла в зоне обжатия при прокатке уменьшается с 620ºС до 285ºС из-за контакта с валками, затем в зоне прессования при выдавливании прутка через матрицу растет до 350ºС за счет деформационного разогрева. Скорость перемещения металла в зоне прокатки составляет 69 мм/с, в зоне распрессовки снижается до 20 мм/с и в зоне выдавливания возрастает до 240 мм/с Скорость деформации изменяется в пределах от 1 до 2 1/с в зоне прокатки и растет до 25 1/с в зоне выдавливания прутка. Интенсивность напряжений в зоне захвата металла валками составляет 69 МПа, в зоне распрессовки и прессования растет до 113 МПа, временное сопротивление разрыву прутков после охлаждения составляет 136 МПа. 11. Исследовано течение металла в момент сдвига при БПП сплава [4] методом построения сетки Лагранжа в Deform 3D и металлографического анализа структуры пресс-остатков. Течение металла в пластической зоне прессования с вытяжкой 14.3 и частотой вращения валков 0.42 рад/с характеризуется наличием, слоев неравномерной сдвиговой деформации, менее выраженной в близи к оси прессования и более существенной в периферийных слоях течения металла на контактной поверхности с валками, зоны затрудненного течения металла на контакте с зеркалом матрицы. Результаты расчета сетки в Deform 3D хорошо согласуются с изображением структуры зерна пресс-остатков в продольном сечении, выявленной оксидированием в реактиве Баркера, что позволяет использовать компьютерную модель для прогнозирования течения сплавов с аналогичным составом. 12. Временное сопротивление разрыву прутков из сплава [4] после БПП с вытяжкой 14.3 составляет 136 МПа, относительное удлинение 29%, удельное электрическое сопротивление 0.0330 Ом∙мм2/м. Волочение прутка с обжатием 19% и ступенчатый отжиг 300°С - 400°С - 450°С, 50 ч. снижают электросопротивление до 0.0283 Ом∙мм2/м при уровне прочности 120 МПа и относительного удлинения 17%. Сплав демонстрирует хороший уровень свойств после деформации БПП и промежуточного отжига проволоки, поэтому оценка влияния повторного холодного волочения будет дополнительно исследована на следующем этапе.

 

Публикации

1. Беспалов В.М., Ворошилов Д.С., Бернгардт В.А., Сидельников С.Б., Лежнев С.Н., Мотков М.М., Бермешев Т.В., Дурнопьянов А.В., Беспалова Д.Д., Дурнопьянова А.С. Influence of Stepped Annealing on the Properties of Conductor Wire After Ingotless Rolling-Extrusion and Drawing of Aluminum Alloys Containing Zr, Ce, La and Fe Journal of Chemical Technology and Metallurgy, - (год публикации - 2023)