Результат интеллектуальной деятельности: Низколегированный медный сплав

Изобретение относится к области металлургии, в частности к медным сплавам, используемым в качестве материалов контактной сети высокоскоростного железнодорожного транспорта.

Низколегированные медные сплавы, благодаря высокой прочности и выдающейся электропроводности находят свое применение в качестве линий контактной сети железнодорожного транспорта. Повышение скорости перемещения железнодорожных транспортных средств требует увеличения прочности контактных проводов, из-за увеличения силы натяжения провода. К материалу для контактной сети также предъявляются требования по термической стойкости структуры в связи с частыми перегревами провода при эксплуатации до 300°С. Кроме того, важным параметром производства контактного провода является высокая технологичность материала провода и возможность производства из него неразрывных изделий длиной более 1500 м. Известно, что повышение прочности практически во всех случаях негативно сказывается на электропроводящих и пластических характеристиках материала. Оптимизация химического состава и микроструктурного дизайна низколегированных сплавов позволит повысить прочностные свойства материалов для контактных проводов при сохранении электропроводности и термической стойкости на высоком уровне и решить проблему технологичности производства проводов для контактной сети высокоскоростного железнодорожного транспорта.

Известен контактный провод из медно-хромо-титанового сплава и способ его получения (CN №103966475 А, публ. 06.08.2014), применяемый для контактных проводов. Контактный провод из медно-хромо-титанового сплава производят с помощью непрерывного литья, непрерывной экструзии, термообработки, прокатки и волочения медного сплава, содержащего 0,15-0,35% Cr, 0,10-0,23% Ti, 0-0,05% Mg и 0-0,02% Si, примеси не более 0,1%, медь - остальное. Контактный провод имеет относительно высокую прочность на разрыв 465-550 МПа, отличную электропроводность - 76-85% от электропроводности чистой меди (% IACS), хорошую термостойкость и износостойкость под напряжением.

Недостатком данного сплава является недостаточная технологичность из-за сложности введения в расплав элементов IV группы таблицы Менделеева, которые активно взаимодействуют с кислородом. Из-за сильного окисления Cr и Ti в расплаве в процессе горячей обработки давлением формируются некачественные отливки с развитыми горячими трещинами, что недопустимо при непрерывном производстве провода и ведет к браку готовых изделий (Гершман И.С., Миронос Н.В., Требования к контактным проводам для высокоскоростного железнодорожного транспорта // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. – 2011, - №3, - с. 13-17; Берент В.Я., Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта. Москва: Интекст, 2005, 408 с.).

Известен ГОСТ 2584-86 «Провода контактные из меди и ее сплавов», где в качестве материала для контактной сети предлагаются магниевые, циркониевые и кадмиевые бронзы. Однако эти сплавы обладают рядом недостатков. Предложенные в ГОСТе 2584-86 магниевые бронзы характеризуются низкой электропроводностью и недостаточной прочностью. Производство циркониевой бронзы нетехнологично и сталкивается с проблемой зашлаковывания зеркала расплава оксидами циркония и получения дефектной структуры отливок. Основным недостатком кадмиевых бронз является высокая токсичность кадмия и необходимость использования в производстве дополнительных систем вентиляции и средств индивидуальной защиты персонала, а также особых условий утилизации отходов.

Известен сплав, описанный в патенте на изобретение «Производство контактного провода из сплава системы Cu-Sn» CN 105127233 А (09.12.2015, Китай). Процесс производства контактного провода из оловянно-медного сплава включат непрерывное литье, непрерывную экструзию и процедуру холодной прокатки сплава, содержащего 0,2-0,23% олова, остальное - медь. Основной недостаток сплава - недостаточная прочность (420 МПа), которая не может гарантировать надежное использование контактного провода при движении поездов со скоростью свыше 150 км/ч.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является сплав системы Cu-Sn, описанный в патенте «Медный сплав для контактного провода и его применение» (CN 101684529 А, публ. 31.03.2010). В качестве материала для проводов контактной сети в патенте предложено использовать медный сплав, содержащий 0,01-0,4% (мас.%) олова или медные сплавы, легированных оловом, хромом и/или цирконием в количестве 0,01-0,5% (мас.%), остальное - медь. Медный сплав, легированный только оловом обладают недостаточно высокой прочностью (415 МПа) и низкой электрической проводимостью - 75% IACS, дополнительное легирование хромом и цирконием позволяет повысить предел прочности до 450-520 МПа при электропроводности 80-85% I.ACS. Однако, как отмечалось выше, легирование сплавов Cr и Zr ограничивает применение медных сплавов в качестве материалов для контактного провода из-за горячеломкости в процессе прокатки данных сплавов, таким образом, основной проблемой предложенных в патенте сплавов является их низкая технологичность.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава, обладающего высокой прочностью, высокой электропроводностью, термической стойкостью и технологичностью.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого низколегированного медного сплава, включающего олово, причем сплав содержит дополнительно цинк и ограниченно примеси свинца, железа и алюминия при следующем соотношении компонентов в мас.%:

Предложенный сплав отличается от прототипа тем, что содержит следующие компоненты в мас.%:

Техническим результатом изобретения является полученный химический состав, обеспечивающий оптимальное соотношение прочности, электропроводности, термической стойкости и технологичности, и позволяющий применять его в качестве материала контактной сети высокоскоростного железнодорожного транспорта.

В составе сплава компоненты проявляют себя следующим образом.

Благодаря предложенному сочетанию легирующих элементов в медном сплаве удается получить уникальный микроструктурный дизайн. Оптимальное содержание олова 0,25-0,4% и цинка 0,5-1,0% необходимо для дисперсионного и твердорастворного упрочнения, соответственно. Легирование оловом способствует формированию мелкодисперсных интерметаллидов Cu₃Sn размером 5-10 нм, упрочняющих сплав. Данные частицы обеспечивают стабильность структуры при нагреве до высоких температур и хорошую термостойкость. Легирование цинком обеспечивает твердорастворное упрочнение, снижает энергию дефекта упаковки, что способствует развитию деформационного двойникования, а также облегчает накопление дислокаций в материале. Это приводит к повышению эффективности деформационного упрочнения при большой пластической деформации. Легирование сплава оловом и цинком ниже заявленных пределов приводит к сильному снижению прочностных свойств, а его добавка свыше заявленных пределов влечет сильное падение электропроводности материала (Фиг. 1).

Ограничение содержания примесей свинца, железа и алюминия, связано с тем, что даже микролегирование данными компонентами влечет ухудшение технологичности и сильное снижение электропроводности до 50-60% IACS.

Влияние легирующих элементов на электрическую проводимость бронз с учетом предельной растворимости элементов (Осинцев О.Е., Федоров В.Н., Медь и медные сплавы. - Машиностроение, 2004. - 336 с.) представлено на Фиг. 1.

Содержание легирующих элементов в заявленных пределах позволяет повысить прочностные характеристики и обеспечить термостабильность микроструктуры и свойств, сохранив технологичность и электропроводность медного сплава для контактной сети высокоскоростного железнодорожного транспорта на высоком уровне. Высокая прочность провода обеспечит возможность надежного осуществления движения поездов со скоростью более 250 км/ч.

Пример осуществления

Было отлито три сплава с химическим составом, представленным в таблице 1. В состав шихты для плавки входили отходы производства куксовые - 28-30%; переплав собственного производства - 13-15%, вторичная медь - 52-55%, лигатуры Cu-Zn (30% Zn) - 1,4-2,0%, Cu-Sn (20% Sn) - 0,6-1%. Сплавы подвергались гомогенизации при температуре 800°С в течение 1 ч с последующим охлаждением в воду. После данной термической обработки сплавы подвергались горячей ковке и деформационному воздействию при комнатной температуре с суммарной степенью деформации ε=4.

В таблице 2 приведены эксплуатационные характеристики сплава после деформационно-термической обработки. Испытания на одноосное растяжение были проведены при комнатной температуре согласно ГОСТ 1497-84 на испытательной машине «Instron 5882» с целью определения предела прочности (σ_в) и относительного удлинения (δ). Электропроводность была определена вихретоковым методом в соответствии с ГОСТ 27333-87. Термическая стойкость была оценена по размягчению после часового отжига при температуре 300°С. Технологичность была оценена по наличию трещин и литейных дефектов с помощью визуального наблюдения и дефектоскопии с использованием вихретокового дефектоскопа ВД-70 (НПК ЛУЧ), соответственно данные представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, комплекс эксплуатационных свойств сплавов позволяет применять данные материалы для изготовления контактного провода высокоскоростного железнодорожного транспорта. Легирование оловом и цинком при ограниченном содержании примесей свинца, железа и алюминия позволяет получить сплавы с высокой прочностью, электропроводностью, высокой термостойкостью и технологичностью.