Открытые распределительные устройства с жесткой ошиновкой - Алюминиевые сплавы для изготовления жесткой ошиновки

1.4. Алюминиевые сплавы для изготовления жесткой ошиновки

Классификация и обозначение.

Алюминиевые сплавы можно разделить на две большие группы: литейные, не подвергающиеся после отливки пластическому деформированию, и деформируемые, из слитка которых получают полуфабрикаты обработкой давлением (прессованием, прокаткой, ковкой и др.). Для электротехнических целей используют деформируемые сплавы. Они отличаются большим разнообразием прочностных, пластических, коррозионных характеристик. Классифицировать деформируемые алюминиевые сплавы можно по различным принципам, однако наиболее верным из них является химический состав (см. табл. П2). В табл. 1.3 приведены марки отечественных сплавов, а также некоторых зарубежных аналогов по группам в зависимости от системы легирования в порядке возрастания уровня их прочности. Следует отметить, что прочность сплавов даже одной системы легирования может изменяться достаточно широко в зависимости от состояния поставки (холодной деформации или термообработки) и особенностей химического состава.
Технический алюминий (система Al, табл. 1.3) и термически неупрочняемые сплавы алюминия с марганцем и магнием (Al — Mn и Al — Mg — Mn) отличаются высокими пластическими и технологическими свойствами, коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью. Для повышения прочностных характеристик сплавы дополнительно упрочняют холодной деформацией. Они имеют высокую электрическую проводимость.
Сплавы систем Al — Mg — Si и Al — Zn — Mg обладают высокой технологичностью при обработке давлением и допускают высокие скорости прессования, недоступные другим термоупрочняемым сплавам. Закалку полуфабрикатов из этих сплавов можно проводить на спокойном воздухе непосредственно после прессования. Они обладают высокой коррозионной стойкостью и достаточно большой прочностью. Электрическая проводимость сплавов системы Al — Mg — Si близка к проводимости технического алюминия, проводимость сплавов Al — Zn — Mg несколько выше.

Сплавы Al — Cu — Mg имеют среднюю и высокую прочность, применяются при комнатной и повышенных температурах. Они обладают низкой технологичностью при литье и обработке Давлением (допускают малые скорости деформации) и требуют использования узкого интервала температур нагрева под закалку. Коррозионная стойкость сплавов низкая, поэтому требуется специальная защита от коррозии. Сплавы не рекомендуется сваривать плавлением из-за высокой склонности к образованию кристаллизационных трещин. Проводимость изменяется в широких пределах.

Таблица 1.3. Некоторые отечественные алюминиевые сплавы и их зарубежные аналоги [21]

Сплавы системы Al — Cu — Mg — Mn — Si характеризуются хорошими литейными свойствами, позволяющими отливать слитки любых необходимых диаметров (до 400 мм), и высокой пластичностью в горячем состоянии. Эти сплавы применяют для изготовления кованых изделий сложной конфигурации. Проводимость удовлетворительная, коррозионная стойкость низкая.
Сплавы системы Al — Cu — Mg — Fe — Ni — Si используют для изготовления изделий, работающих при повышенных температурах (до 250° С). Они имеют хорошие технологические свойства при литье и обработке давлением.
Сплавы Al — Cu — Mn обладают хорошей технологичностью при литье и обработке давлением, отличаются высокими прочностными и пластическими характеристиками, механическими свойствами при температурах до 250° С, хорошо свариваются всеми видами сварки.
Сплавы системы Al — Zn — Mg — Cu наиболее высокопрочные, однако имеют пониженную технологичность при литье и обработке давлением. Для термообработанных полуфабрикатов из этих сплавов характерны пониженная пластичность и значительная чувствительность к надрезам и перекосам, что необходимо учитывать при обработке деталей и сборке конструкций. Длительная эксплуатация возможна при низких температурах (до минус 100—120° С). Сплавы последних трех систем обладают высоким удельным электрическим сопротивлением, пониженной коррозионной стойкостью.
Алюминиевые деформируемые сплавы одной марки могут иметь различные физико-механические свойства в зависимости от технологии производства и способа термической обработки полуфабрикатов. Технология производства полуфабрикатов слагается из процессов: отливки слитков; горячей обработки давлением (прокатки, литьевых заготовок, прессования труб, прутков, ковки и штамповки деталей); холодной обработки давлением (прокатки листов, лент, нагартовки листового материала, волочения труб). Наиболее распространенным способом получения алюминиевых профилей является прессование, заключающееся в продавливании нагретой заготовки через матрицу с отверстием заданного профиля. Полуфабрикаты термически упрочняемых сплавов подвергаются термической обработке, улучшающей некоторые их свойства. В зависимости от состояния поставки полуфабрикаты имеют следующую буквенно-цифровую маркировку, добавляемую к основному обозначению сплава:
Отожженные .. М
Нагартованные . Н
Полунагартованные П
Нагартованные после закалки . ТН
Закаленные и естественно состаренные .. Т
Закаленные и искусственно состаренные на максимальную прочность Т1 Закаленные и искусственно состаренные по режимам, приводящим к снижению прочности по сравнению с Т1, но к росту вязкости разрушения и коррозионной стойкости Т2, Т3
В конструкциях с жесткой ошиновкой наиболее часто используются алюминиевые сплавы систем Al — Mg — Si, Al — Zn—- Mg, в меньшей степени Al и Al — Mg — Mn. Как правило, применяют закаленные сплавы, естественно (Т) или искусственно (XI) состаренные, реже — полуфабрикаты без термической обработки. Кроме того, используют заготовки из алюминиевых сплавов, плакированных медью для контактных соединений шин, например с медными вводами аппаратов, а также полуфабрикаты, плакированные алюминием для создания антикоррозионного слоя. Буквенные обозначения плакированных изделий следующие:
Нормальная двусторонняя плакировка . А
Технологическая плакировка двусторонняя . Б
Утолщенная двусторонняя плакировка. У
Сведения о полуфабрикатах, изготовляемых из различных сплавов, а также о состоянии их поставки приводятся в [20, 21].

Свойства сплавов.

Уровень физико-механических свойств полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов определяется как их составом, так и технологией изготовления. В пределах марки сплава свойства образцов полуфабрикатов могут изменяться в определенных пределах. Это обусловлено изменением химического состава внутри марочного содержания легирующих компонентов и примесей, что приводит к разному насыщению твердого раствора легирующими элементами. Дополнительный разброс свойств вызван неизбежными отклонениями параметров технологии получения различных полуфабрикатов. Как правило флюктуации свойств образцов полуфабрикатов одной марки отвечают нормальному закону распределения. Под типичными свойствами полуфабриката понимают наиболее часто встречаемые значения характеристик. Они соответствуют максимуму кривой распределения, полученной для совокупности образцов полуфабриката, приготовленных из сплавов разного состава в пределах марки по серийной технологии, параметры которой изменяются в незначительных пределах.
Таблица 1.4. Типичные физические свойства алюминиевых сплавов 20—221

* По ГОСТ 15176—84 удельное электрическое сопротивление сплава АД31Т не менее 0,035-КГ,\ АДЗ1T1-0,0325• 10 " Ом-м.
Таблица 1.5. Температурные коэффициенты линейного расширения 20, 21

В табл. 1.4—1.6 приведены основные типичные физико-механические свойства алюминиевых сплавов: удельное электрическое сопротивление р, плотность 6, теплоемкость с и теплопроводность А, коэффициент линейного температурного расширения а/, модуль упругости Е, предел текучести ао.2, временное сопротивление разрыву (предел прочности) ов, предел выносливости О- 1.
Значения параметров указаны при вполне определенных температурах: р, ов, о0,2 и Е— при 20° С; с — при 100° С; К— при 25° С. Зависимости удельных электрического сопротивления, теплоемкости и теплопроводности от температуры приближенно можно считать линейными
(1.1) (1.2) (1.3)
где pr, cv, ро, с(), — удельные электрическое сопротивление, теплоемкость и теплопроводность при температуре д и 0° С; ар, Р и у — температурные коэффициенты удельного электрического сопротивления, теплоемкости и теплопроводности.
Для химически чистого алюминия коэффициент а() « ~ 0,004 1 /° С, для сплавов он изменяется в зависимости от состава легирующих элементов, оставаясь, как правило, в пределах 0,0036—0,0043 1 /° С. Температурные коэффициенты теплоемкости Р и теплопроводности у на порядок ниже и изменяются соответственно от 0,0005 до 0,0012 и от — 0,00045 до + 0,00045 1/°С.
На рис. 1.12 приведена зависимость модуля упругости алюминия и его сплавов от температуры. За 100% принято значение Е при 20° С. Повышение температуры до 200° С приводит к снижению модуля упругости на 10%. Более значительно (на 40—50%) снижается при нагревании прочность алюминиевых сплавов. Это необходимо учитывать при оценках термической и электродинамической стойкости шин. Кривые временных сопротивлений разрыву ов и пределов текучести о02 от температуры при кратковременных испытаниях некоторых сплавов приведены на рис. 1.13.

Таблица 1.6. Механические свойства труб из алюминиевых сплавов

* Значения для образцов и профилей. ** Закалка осуществлялась на прессе.
Примечание. При составлении таблицы использованы ГОСТ 18482—79 «Трубы прессованные из алюминия и алюминиевых сплавов», ГОСТ 18475—82 «Трубы катанные и тянутые из алюминия и алюминиевых сплавов», а также [20—23].

рис. 1. 12. Зависимость модуля упругости алюминия и его сплавов от температуры

Рис. 1.13. Зависимости временных сопротивлений разрыву (а) и пределов текучести (б) различных алюминиевых сплавов от температуры: 1 — АДМ, АД1М катанные; 2 — АДН, АД1Н катанные; 3 — АДЗЗТ прессованные; 4— 1915Т катанные; 5 — АДЗЗТ 1 прессованные; 6— 1915Т1 катанные
Для успешного применения алюминиевых сплавов в электротехнике необходима оценка их сопротивления коррозии, обрабатываемости давлением и резанием, свариваемости и паяемости.
Сравнительные характеристики указанных свойств в баллах приведены в [21].
Сварка изделий из термически упрочняемых сплавов приводит к отжигу материала. В результате отжига в области сварных швов наблюдается снижение прочности изделий. Примерные значения временных сопротивлений разрыву с учетом снижения прочности после сварки ав св, а также отношения ов св/ав для некоторых сплавов указаны в табл. 1.7. Следует отметить, что овсв может изменяться в зависимости от способа и условий сварки. Например, при сварке изделий из сплавов АД31Т1 временное сопротивление снижается со 196 до 120 МПа при полуавтоматической аргонно-дуговой сварке и до 100—110 МПа при ручной сварке с неплавящимся электродом.

Таблица 1.7. Временные сопротивления разрыву алюминиевых сплавов с учетом снижения прочности после сварки

* При ручной сварке с неплавящимся электродом ов св == 100-М 10 МПа
Сплавы систем Al—Zn—Mg обладают высокой прочностью сварных соединений, обусловленной частично самозакаливаемостью швов и околошовных зон и последующим их упрочнением при естественном и искусственном старении. Однако сварные соединения более чувствительны ко всякого рода дефектам. Это имеет большое значение для конструкций, работающих в условиях сложного напряженного состояния.
Узлы и детали шинных конструкций могут изготавливаться из различных деформируемых алюминиевых сплавов. В настоящее время для этих целей в основном используются сплавы двух систем: Al—Mg—Si и Al—Zn—Mg.

Сплавы системы Al—Mg—Si (АВ, АД31, АДЗЗ, АД35) являются термически упрочняемыми. Наибольшим эффектом закалки обладают сплавы АВ. После искусственного старения предел прочности АВТ1 достигает 350 МПа. По прочностным характеристикам АВТ1 превосходит другие сплавы этой группы. Отожженный сплав можно подвергать холодной гибке, штамповке. Он весьма стоек к общей коррозии и коррозии под напряжением. Сварка (пайка) может осуществляться с использованием промышленных приемов и методов. Основным недостатком сплава АВТ1 является разупрочнение его в зоне сварного шва (до 50%).
Сплав применяется в конструкциях с жесткой ошиновкой, работающих в режиме умеренных нагрузок.
Электротехнический сплав АД31, а также конструкционные сплавы общего назначения АДЗЗ и АД35 обладают хорошей пластичностью, высокой коррозионной стойкостью, но средней прочностью, поэтому в ОРУ напряжением 110 кВ и выше находят ограниченное применение. Все сплавы системы Al—Mg—Si могут работать в обычных атмосферных условиях без специальной защиты от коррозии, а также в условиях низких температур.

Сплавы системы Al — Zn—Mg (1911, 1915, 1925 и др.) имеют высокую прочность. Сплав 1911 применяется для ответственных изделий, но выпускается пока в малом количестве. Широкое применение в промышленности нашел сплав 1915. Этот сплав наиболее часто используется для изготовления жесткой ошиновки ОРУ. Он обладает высокой технологичностью при производстве прессованных полуфабрикатов, самозакаливаемостью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Однако уступает по электрической проводимости сплавам группы Al—Mg—Si, а также сплаву 1911.
Сплав 1925 близок к сплаву 1915 по механическим, технологическим и коррозионным свойствам, однако имеет более высокое содержание примесей (главным образом меди), что ухудшает свариваемость изделий. Этот сплав рекомендуется для несварных конструкций [23].
Сплавы 1915 и 1925 обладают высокой устойчивостью против коррозии в атмосферных условиях при любом состоянии поставки, а сплав 1911 —после искусственного старения. Сплавы 1915 и 1925 после искусственного старения становятся стойкими к расслаивающей коррозии, характерной для приморской атмосферы при высокой концентрации ионов хлора. Тем не менее для сварных швов конструкций из сплава 1915 более предпочтительно естественное старение, так как швы приобретают большую пластичность и вязкость разрушения, а следовательно, более высокое сопротивление замедленному разрушению. Длительное естественное старение до 10 лет практически не влияет на уровень пластичности и работоспособность сварных соединений.
Сплав 1915 хорошо сваривается аргонно-дуговой сваркой по технологии, широко применяемой в промышленности для сварки сплава АМгб. Коэффициент трещинообразования при сварке сплава 1915 не превышает 10%, т. е. находится на уровне, свойственном лучшим свариваемым сплавам. Главное преимущество сплавов системы Al—Zn—Mg (в том числе сплава 1915) по сравнению с другими термически упрочняемыми сплавами — это высокая прочность сварных соединений.
При повышении температуры прочность сплавов 1911, 1915, 1925 снижается, а при температуре около 200° С они разупрочняются.
Сравнительные характеристики указанных свойств в баллах приведены в [21].
Сварка изделий из термически упрочняемых сплавов приводит к отжигу материала. В результате отжига в области сварных швов наблюдается снижение прочности изделий. Примерные значения временных сопротивлений разрыву с учетом снижения прочности после сварки ов св, а также отношения ов св/ав для некоторых сплавов указаны в табл. 1.7. Следует отметить, что авсв может изменяться в зависимости от способа и условий сварки. Например, при сварке изделий из сплавов АД31Т1 временное сопротивление снижается со 196 до 120 МПа при полуавтоматической аргонно-дуговой сварке и до 100—110 МПа при ручной сварке с неплавящимся электродом.
Таблица 1.7. Временные сопротивления разрыву алюминиевых сплавов с учетом снижения прочности после сварки

* При ручной сварке с неплавящимся электродом ав св = 100-=- 110 МПа
Сплавы систем Al—Zn—Mg обладают высокой прочностью сварных соединений, обусловленной частично самозакаливаемостью швов и околошовных зон и последующим их упрочнением при естественном и искусственном старении. Однако сварные соединения более чувствительны ко всякого рода дефектам. Это имеет большое значение для конструкций, работающих в условиях сложного напряженного состояния.
Узлы и детали шинных конструкций могут изготавливаться из различных деформируемых алюминиевых сплавов. В настоящее время для этих целей в основном используются сплавы двух систем: Al— Mg—Si и Al—Zn—Mg.

Сплавы системы Al—Mg—Si (АВ, АД31, АДЗЗ, АД35) являются термически упрочняемыми. Наибольшим эффектом закалки обладают сплавы АВ. После искусственного старения предел прочности АВТ1 достигает 350 МПа. По прочностным характеристикам АВТ1 превосходит другие сплавы этой группы. Отожженный сплав можно подвергать холодной гибке, штамповке. Он весьма стоек к общей коррозии и коррозии под напряжением. Сварка (пайка) может осуществляться с использованием промышленных приемов и методов. Основным недостатком сплава АВТ1 является разупрочнение его в зоне сварного шва (до 50%).
сплав применяется в конструкциях с жесткой ошиновкой, работающих в режиме умеренных нагрузок.
Электротехнический сплав АД31, а также конструкционные сплавы общего назначения АДЗЗ и АД35 обладают хорошей пластичностью, высокой коррозионной стойкостью, но средней прочностью, поэтому в ОРУ напряжением 110 кВ и выше находят ограниченное применение. Все сплавы системы Al—Mg—Si могут работать в обычных атмосферных условиях без специальной защиты от коррозии, а также в условиях низких температур.

Сплавы системы Ai — Zn—Mg (1911, 1915, 1925 и др.) имеют высокую прочность. Сплав 1911 применяется для ответственных изделий, но выпускается пока в малом количестве. Широкое применение в промышленности нашел сплав 1915. Этот сплав наиболее часто используется для изготовления жесткой ошиновки ОРУ. Он обладает высокой технологичностью при производстве прессованных полуфабрикатов, самозакаливаемостью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Однако уступает по электрической проводимости сплавам группы Al—Mg—Si, а также сплаву 1911.
Сплав 1925 близок к сплаву 1915 по механическим, технологическим и коррозионным свойствам, однако имеет более высокое содержание примесей (главным образом меди), что ухудшает свариваемость изделий. Этот сплав рекомендуется для несварных конструкций [23].
Сплавы 1915 и 1925 обладают высокой устойчивостью против коррозии в атмосферных условиях при любом состоянии поставки, а сплав 1911 —после искусственного старения. Сплавы 1915 Н 1925 после искусственного старения становятся стойкими к расслаивающей коррозии, характерной для приморской атмосферы при высокой концентрации ионов хлора. Тем не менее для сварных швов конструкций из сплава 1915 более предпочтительно естественное старение, так как швы приобретают большую Частичность и вязкость разрушения, а следовательно, более высокое сопротивление замедленному разрушению. Длительное естественное старение до 10 лет практически не влияет на уровень Пластичности и работоспособность сварных соединений. I Сплав 1915 хорошо сваривается аргонно-дуговой сваркой по технологии, широко применяемой в промышленности для сварки сплава АМгб. Коэффициент трещинообразования при сварке сплава 1915 не превышает 10%, т. е. находится на уровне, свойственном лучшим свариваемым сплавам. Главное преимущество сплавов системы Al—Zn—Mg (в том числе сплава 1915) по равнению с другими термически упрочняемыми сплавами — это высокая прочность сварных соединений.
При повышении температуры прочность сплавов 1911, 1915, 925 снижается, а при температуре около 200° С они разупрочняется, поэтому для работы при повышенной температуре эти сплавы не рекомендуются. С понижением температуры временное сопротивление их, наоборот, повышается. При этом материал не становится хрупким. Поэтому сплавы Al—Zn—Mg группы можно рекомендовать для изготовления ошиновки в районах с холодным климатом.

Сортамент профилей.

В конструкциях с жесткой ошиновкой применяют узлы и детали из алюминия и его сплавов различных профилей, серийно выпускаемых промышленностью. Например, шины выполняют из круглых труб, которые изготавливают прессованными (по ГОСТ 18482—79), а также катанными и тянутыми (ГОСТ 18475—82). В настоящее время трубы выпускают длиной 1—6 м из сплавов, указанных в табл. 1.8. Размеры, теоретическая масса и другие параметры труб приведены в ГОСТ 18482—79 * и 18475—82, а также в [20].
Кроме труб из алюминия и его сплавов выпускаются листы (ГОСТ 21631—76), уголки (ГОСТ 13737—80 и 13738—80), полосы (ГОСТ 13616—78) и другие профили.
Таблица 1.8. Марки алюминиевых сплавов, применяемых для изготовления круглых труб