СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНТАКТНЫХ ПРОВОДОВ ДЛЯ СКОРОСТНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии совмещенных процессов непрерывного литья заготовок с их последующей обработкой давлением, и может быть использовано при получении бесстыковых контактных проводов из меди и ее сплавов, которые используются преимущественно для скоростных железных дорог с необходимым комплексом свойств.

Такие провода должны сочетать в себе и низкое удельное сопротивление и повышенную прочность при относительном удлинении не менее 3%.

Известны способы изготовления контактных проводов, основанные на технологии, заключающейся в получении из расплавленной меди и ее сплавов непрерывнолитой заготовки и последующем формировании провода необходимого сечения посредством пластической деформации.

Известен способ производства фасонных профилей, в т.ч. и контактных проводов, согласно которому осуществляют получение на установках непрерывного литья, вытяжку из расплава литой заготовки и последующее формирование из нее требуемого профиля методом волочения [1].

Известен способ производства контактных проводов, согласно которому проводят плавление меди, ее легирование, последующую вытяжку из расплава литой заготовки с формированием из нее деформационной обработкой методом волочения требуемого профиля провода [См. (19) RU (11) 2492010 (13) C1, (51) МПК B21C 1/00 (2006.01), (54) СПОСОБ ВОЛОЧЕНИЯ ПРОВОДА КОНТАКТНОГО ИЗ МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ], где способ волочения контактного провода из меди и ее сплавов из круглой заготовки включает формирование заготовки предчистовых размеров и готового профиля чистовых размеров. При этом формирование профиля осуществляют двухступенчатой деформацией в сдвоенном комплекте роликовых волок за один проход с суммарным относительным обжатием д_У=21…37%, при этом первую ступень деформации осуществляют в волоке с трехроликовым калибром путем формирования на круглой заготовке двух вогнутых и одной выпуклой поверхностей предчистовых размеров, а вторую ступень деформации осуществляют с противонатяжением в волоке с четырехроликовым калибром путем формирования готового профиля чистовых размеров при соотношении относительных деформаций на первой и второй ступени д₁/д₂=0,8…1,1.

Недостатком изделий, получаемых данными способами является низкая пластичность и нестабильная и низкая прочность изделия вследствие нестабильности технологического процесса волочения роликовыми калибрами как операции формирования профиля провода, приводящая к обрывам, а также пониженный выход годного провода в связи с волнообразной кривизной контактного провода, что приводит к невозможности его эксплуатации, особенно на скоростных линиях.

Известен способ изготовления электроконтактного провода из термоупрочняемого сплава на основе меди, в котором авторами используется конформ – метод прессования заготовки (см. патент РФ № 2 685 842 B21C 23/08 (2019.02) · C22F 1/08 (2019.02) (54) «Способ изготовления электроконтактного провода для высокоскоростного железнодорожного транспорта»). Недостатком данного способа является его сложность. Т.к. сплав плавят и кристаллизуют в вакууме, литая заготовка выходит из кристаллизатора при температуре ниже 900 °С, поэтому она полностью не закаливается предложенным способом (для закалки катанку этого сплава нужно нагревать до 950 °С в защитной атмосфере). Предложенный способ очень дорог, т. к. предложенные способы обработки давлением (равноканальное прессование) должны быть многократным (8 – 10 повторов), следовательно, этот провод получается очень дорогим. Также данный способ включает операции, при которых может происходить разупрочнение металла (прессования по схеме «Конформ» и выдавливание при температуре не выше 500°С со старением в качестве финишной операции).

Наиболее близким к заявляемому является способ производства контактных проводов (см. (19) RU (11) 2236918 (13) C2 (51) МПК B21B 1/46 (2000.01)), включающий получение расплава, его легирование, вытяжку литой заготовки и формирование из нее методом пластической деформации требуемого профиля провода. При этом получение расплава осуществляют в печи с инертной атмосферой, рабочее пространство которой состоит из трех зон - зоны плавления, зоны легирования и зоны выдачи полученного расплава в кристаллизаторы для вытяжки из них литой заготовки. В качестве легирующих используют элементы, имеющие гексагональную или тетрагональную кристаллические решетки. Формирование профиля провода осуществляют в два этапа - сначала получают пруток методом волочения со степенью деформации 15-50%, из которого затем прокаткой со степенью деформации 50-70% получают необходимый профиль провода.

Недостатком данного провода является его недостаточно высокая для использования на железных дорогах прочность - контактный провод, полученный по приведенной технологии, имеет временное сопротивление при растяжении 39,2 кгс/мм²(384 МПа), относительное удлинение 3,5%.

Такой прочности провода недостаточно для его эксплуатации на скоростных и высокоскоростных линиях. К тому же, контактный провод, получаемый прокаткой (последняя технологическая операция), в большинстве случаев обладает волнообразной кривизной, не позволяющей использовать его в контактной сети железных дорог.

Достижение в проводе заявленного в техническом результате удельного сопротивления (не более 0.0179 мкОм⋅м) обеспечивается за счет свойств используемых легирующих материалов – магния и олова. Известно влияние магния и олова, введенных в расплав меди (см. Штремель «Прочность сплавов. 1 дефекты решетки» М.: МИСИС. 1999.)

Вследствие того, что медь имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решетку и обладает низкой энергией образования дефектов упаковки, они в ней легко образуются и оказывают значительное влияние на термомеханические свойства меди, повышая их. (Дефекты упаковки – это плоские дефекты кристаллической решетки, имеющей гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую решетку). Следовательно, чем ниже энергия дефектов упаковки, тем, при прочих равных условиях, лучше термомеханические свойства меди. При этом растворимость легирующих элементов в дефектах упаковки отличается от их растворимости в остальной меди. Все легирующие элементы снижают энергию дефектов упаковки, образуя в них «облака» Сузуки. В большей степени энергию дефектов упаковки в меди снижают элементы с ГПУ решеткой, например - магний и олово, которые можно вводить в расплав меди не в вакуумной печи.

Технический результат заявляемого технического решения – получение контактного провода, сочетающего в себе следующие характеристики: низкое удельное сопротивление (не более 0.0179 мкОм⋅м) и повышенную прочность (временное сопротивление при растяжении не менее 432 МПа для провода номинальным сечением 85 мм², не менее 411 МПа – номинальным сечением 150 мм² при относительном удлинении не менее 3%) за счет изменения способа изготовления провода в части формирования профиля заготовки, который осуществляют в два этапа.

На первом – методом конформ-процесса (экструзии) получают прессованную бесконечную заготовку круглого сечения, площадь которой больше площади литой заготовки. При включении в способ указанного конформ-процесса структура изделия становится более однородной и мелкодисперсной. В результате равномерного распределения деформации по поперечному сечению распределение энергии деформации по зернам и субзернам становится более равномерным, а уровень средней энергии зерен и субзерен повышается. Это приводит к повышению прочности материала, замедлению зарождения рекристаллизованного зерна и к ускорению роста рекристаллизованного зерна.

На втором - из этой заготовки холодным волочением получают провод необходимого профиля.

На этапе пластической деформации прессованной с помощью конформа заготовки волочением с умеренным и высоким суммарным обжатием оно приводит к образованию ярко выраженной текстуры. В результате значительных обжатий в процессе волочения все зерна измельчаются и оказываются развернутыми в направлении оси деформации (волочения).

В данном способе легирующие, вводимые в расплав меди, не оказывают влияния на структуру сплава, но незначительно оказывают влияние на электрические свойства, повышая удельное электрическое сопротивление и вместе с тем, легирующие снижают скорость роста рекристаллизованного зерна, заметно повышая жаропрочность материала, снижая его низкотемпературную ползучесть. Поэтому в материал может вводиться до 0,06 % олова или до 0,1 % магния или других элементов, которые повышают удельное электрическое сопротивление не более чем до 0,0179 мкОм/м.

Описание заявляемого способа

Способ производства контактных проводов для скоростных ж/д, включающий:

- получение расплава в печи с защитой поверхности расплава углеродными материалами, где зеркало расплава в зонах плавления и легирования покрывается защитным слоем древесного угля или графита толщиной 100-150 мм, а зеркало расплава зоны выдачи расплава - защитным слоем чешуйчатого графита той же толщины;

- легирование расплава либо оловом, либо магнием, вводя в расплав либо до 0,06 % олова, либо - до 0,1 % магния, либо других элементов, которые повышают удельное электрическое сопротивление не более чем до 0,0179 мкОм/м;

- вытяжку литой заготовки;

- формирование профиля заготовки, которое осуществляют в два этапа:

сначала методом конформ-процесса (непрерывное прессование или иначе -экструзия) получают прессованную бесконечную заготовку круглого сечения, площадь которой больше площади сечения литой заготовки,

затем холодным волочением из этой заготовки получают необходимый профиль провода.

Пример выполнения способа

Печь плавления выполнена с тремя зонами-ваннами, что позволяет обеспечить требуемую атмосферу при плавлении и равномерное распределение легирующих элементов по объему расплава (а следовательно, и по длине провода).

Медные катоды загружают в первую ванну плавильной печи, где подвергаются плавлению. В процессе плавления расплав заполняет все зоны печи, начиная от зоны загрузки и плавления и до зоны выдачи готового расплава.

Зеркало расплава в зонах плавления и легирования покрывается защитным слоем древесного угля или графита толщиной 100-150 мм, а зеркало расплава зоны выдачи расплава - защитным слоем чешуйчатого графита той же толщины.

При достижении расплавом температуры 1150°С и с началом вытяжки медной литой заготовки из расплава через графитовые мундштуки кристаллизаторов в зону легирования периодически вводят легирующие элементы.

Дальнейший процесс ведется по следующему алгоритму.

Периодически через каждые 30 минут в плавильную зону печи вводится 100 кг медных катодов марки не хуже М1к (ГОСТ 546). По истечении последующих 30 минут в зону легирования вводится 300 г лигатуры Сu - 8,5% Р. Указанный порядок следования операции загрузки и введения легирующих сохраняется в дальнейшем. Дополнительно в зону легирования через каждые 5 минут на протяжении всей плавки вводится до 120 г магния из расчета содержания в литой заготовке (с учетом угара) до 0,1% магния или 100 г олова из расчета содержания в литой заготовке до 0.06 % олова.

После намотки бухты литой заготовки диаметром 20 или 16 мм с весом 2,5 тонны она снимается с корзины приемного устройства и транспортируется к установке конформ-процесса, где за один проход получают прессованную заготовку диаметром 28 - 30 мм.

Затем прессованную заготовку волочат на контактный провод номинальной площадью сечения 85, 100, 120 или 150 мм². Степень обжатия должна достигать 77 -90 %.

Контактный провод, полученный по приведенной технологии, имеет временное сопротивление при растяжении 412 МПа, относительное удлинение не менее 3,5%, удельное электрическое сопротивление не более 0,179 мкОм⋅м.

В заявленном способе, благодаря облегчению образования дефектов упаковки, при легировании и большой степени обжатия при холодной деформации, удается получить контактный провод сечением 120 мм², обладающий низким удельным сопротивлением, как у низколегированной меди (не более 0,0179 мкОм⋅м) и временным сопротивлением при растяжении, как у бронзы Бр1 (не менее 412 МПа), при этом низкотемпературная ползучесть при условиях испытаний, характерной для контактных проводов марки Бр1Ф не превышает 0,32 %.