Исследователи Сибирского федерального университета разработали новые составы алюминиевых сплавов и технологию совмещённой обработки для производства проводниковой проволоки, использующейся в авиации и автомобилестроении, с повышенным уровнем термостойкости и электропроводности. Такая проволока более устойчива к колебанию температур, и при этом более дешёвая в сравнении с имеющимися аналогами.
Легирование алюминиевых сплавов редкоземельными металлами позволяет в значительной мере управлять структурой и физико-механическими свойствами электротехнической проволоки для авиации (бортовая система электроснабжения) и автомобилестроения. Повысить электропроводность, прочность, пластичность и термическую стабильность образцов при эксплуатации можно за счёт снижения содержания редкоземельных металлов в сплаве. Также необходимо обеспечить равномерное распределение микроскопических и наноразмерных фаз в алюминиевой матрице и сбалансировать параметры производства проволоки: совмещённого литья-прокатки-прессования, волочения и ступенчатого отжига.
Учёные Института цветных металлов СФУ проанализировали влияние легирующих добавок — циркония, церия и железа — на свойства алюминиевого сплава и изучили параметры их деформационно-термической обработки. С помощью металлографического анализа, испытаний физико-механических свойств и компьютерного моделирования в программе Deform 3D они определили составы сплавов с комбинированным содержанием Zr, Сe и Fe, а также параметры бесслитковой прокатки-прессования (БПП), волочения и ступенчатого отжига, позволяющие улучшить сочетание электропроводности и термостойкости проволоки.
«Основная сложность достижения комплекса свойств проводов заключается в том, что значительное добавление легирующих элементов в алюминий приводит к снижению электропроводности и пластичности, в тоже время пластическая деформация традиционным методами производства приводит к росту прочности, но одновременно уменьшает упомянутые свойства и их стабильность при длительном нагреве 250–300 °C в режиме эксплуатации проводов. Нами определены составы низколегированных алюминиевых сплавов с пониженным содержанием циркония и церия, а также оптимальные условия сдвиговой знакопеременной деформации, характерной для обработки методом БПП и многоступенчатого отжига при волочении, обеспечивающие в совокупности баланс взаимообратных свойств», — сообщил руководитель исследования, докторант кафедры обработки металлов давлением, доцент кафедры инженерный бакалавриат CDIO СФУ Вадим Беспалов.
В рамках исследований в лабораторных условиях были испытаны алюминиевые сплавы с разным сочетанием редкоземельных металлов, проведено компьютерное моделирование процесса бесслитковой прокатки-прессования в программе Deform 3D, определены оптимальные параметры деформации для изготовления проводниковой проволоки волочением с разными режимами промежуточного ступенчатого отжига.
«В результате исследования параметров деформационно-термической обработки 20 образцов из сплавов алюминия с редкоземельными металлами нам удалось определить комбинированные составы с пониженным содержанием дорогостоящих легирующих компонентов, позволяющие за счёт образования определённых интерметаллидных фаз Al-Zr и Al-Ce-Fe добиться улучшенного сочетания физико-механических свойств. Проволока из этих сплавов соответствуют международным стандартам IEC 62004-07 и ASTM B941‐16, благодаря оптимальному сочетанию редкоземельных металлов в пределах 0,1–0,25 % циркония, 0,4–0,6 % церия, 0,5–1,0 % железа, последовательной обработке методами бесслитковой прокатки-прессования, волочения и многоступенчатого отжига 300-450 °C в течение 50–72 часов», — продолжил Вадим Беспалов.
Разработанные составы термостойких низколегированных алюминиевых сплавов и технологические схемы производства позволят выпускать проводниковую проволоку с меньшими экономическими затратами в сравнении с традиционными методами изготовления.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках гранта № 22-79-00108 и опубликовано в одном из ведущих международных научных журналов.
