Способ получения высокопрочного электропроводящего композиционного проводника

 

Использование: при изготовлении особопрочных обмоточных проводников для высокополевых магнитных систем. Сущность изобретения: способ предусматривает получение высокопрочного электропроводящего композиционного проводника на основе сплава медь-ниобий, при котором методом вакуумной дуговой плавки с расходным электродом получают слиток диаметром до 130 мм с массовым содержанием ниобия 5-25 который выдавливают в диаметр 30 мм, а затем деформируют до конечного размера по крайней мере с одной промежуточной термообработкой при 250 550°С продолжительностью 1 10 ч, что позволяет получить проводники с σ = 1200-1300 МПа с электропроводимостью 50 60% от электропроводности чистой меди. Для получения проводников с более высокими характеристиками на промежуточной стадии деформации пруток нарезают на мерные длины и собирают в оболочку из меди или медного сплава. При этом способе на проводниках была достигнута при электропроводности от электропроводности чистой меди. Достигнутый уровень свойств проводника позволяет изготавливать импульсные магнитные системы, рассчитанные на предельно высокие магнитные поля (70 Тл). 1 з. п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к процессам изготовления особопрочных обмоточных проводников для высокополевых магнитных систем.

Известно [1] что основным ограничением в достижении особо высоких магнитных полей (свыше 50 Тл) в импульсных магнитных системах является прочность проводников, из которых изготовлены их обмотки, в соответствии с соотношением В · (1-1/α), где В индукция магнитного поля, создаваемого в соленоиде; α отношение наружного и внутреннего диаметров обмотки; σ_max предел прочности материала проводника.

Таким образом, для достижения необходимого уровня магнитных полей требуется использовать в качестве обмоточного провода проводник с пределом прочности на уровне 1000 МПа.

Величина σ_max холоднотянутой электротехнической меди, обычно используемой для изготовления обмоток магнитных систем, составляет 250-350 МПа [2] Известны медно-серебряные сплавы с 0,1% Ag, имеющие σ_max 400 МПа при сохранении электропроводности на уровне 90% от электропроводности меди [3] Недостатком этих материалов является низкая механическая прочность, что не позволяет использовать их для изготовления высокопольных магнитов.

Известен способ получения высокопрочного проводникового материала сплава меди с 2% бериллия (сплав БрБ-2) различными методами плавки с последующими деформацией в закаленном состоянии и термообработкой старением. При этом величина предела прочности достигает значения 950 МПа [4] Однако, удельное электросопротивление сплава БрБ-2 составляет 0,1 Ом˙ мм²/м, что в 10 раз превышает электросопротивление электротехни- ческой меди, которое составляет при 20^оС величину 0,0172 Ом ˙мм²/м.

Известен способ получения упрочненных проводников с достаточно высокой электропроводностью, при которой методом направленной кристаллизации получают слиток из сплава эвтектического состава на основе меди, например из сплава медь железо. Указанный слиток с продольно ориентированными волокнами или пластинами из упрочняющей составляющей деформируют вхолодную до конечного размера [5] Недостаток данного метода практическая невозможность получения исходного слитка больших объемов с устойчивой регулярной структурой.

Известен способ получения композиционного высокопрочного высокоэлектропроводного провода, при котором в высокочастотной печи методом бестигельной плавки получают слиток сплава с 10-20 объемными долями ниобия и деформируют вхолодную полученный слиток до формирования провода диаметром 0,5 мм. Вследствие специфики строения фазовой диаграммы состояний системы медь-ниобий, которая заключается в отсутствии промежуточных интерметаллических соедине- ний и в низкой взаимной растворимости меди и ниобия в твердом состоянии, провод представляет собой медную матрицу с равномерно распределенными в ней дискретными ниобиевыми волокнами. При этом достигается значение σ_max 500-700 МПа (в зависимости от содержания Nb в сплаве), при сохранении 60% электропроводности чистой меди [6] Недостаток этого технического решения, принятого за прототип, в том, что методом высокочастотного удержания расплава, который обеспечивает хорошее перемешивание составляющих (меди и ниобия), принципиально невозможно получить слитки большего объема, а, следовательно, и проводник достаточной длины с приемлемым поперечным сечением, необходимый для изготовления обмотки высокопольного импульсного магнита. Кроме того, при использовании операций холодной деформации композита возрастает вероятность обрывности провода малого диаметра (<1 мм) на конечных стадиях длительного процесса холодной деформации.

Цель изобретения повышение прочностных свойств длинномерного проводника с сечением укрупненного размера.

Цель достигается тем, что в отличие от прототипа, в котором используют бестигельную плавку с высокочастотным удержанием расплава сплава меди с 5-25% и холодную деформацию до конечного размера, слиток сплава получают вакуумной дуговой плавкой с расходуемым электродом, а в процессе холодной деформации проводят по крайней мере одну термообработку при 250-550^оС в течение 1-10 ч.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ получения высокопрочного электропроводящего композиционного проводника на основе сплава медь-ниобий отличается тем, что в нем для плавки исходного слитка использован метод вакуумной дуговой плавки с расходуемым электродом, а в процессе холодной деформации проводят термообработку полуфабриката провода при 250-550^оС в течение 1-10 ч.

П р и м е р. В качестве исходных шихтовых материалов используют прутки из меди марки МОБ ГОСТ 859-78 и ниобий марки НБ-1 ГОСТ 16099-80. Выплавку слитков сплава медь 20% ниобия проводят в вакуумной дуговой печи марки "ВДП-300" с расходуемым электродом в глухой кристаллизатор. Слиток диаметром 130 мм выдавливают на гидравлическом прессе усилием 1600 т.с. сначала в матрицу диаметром 93,5 мм, а затем в матрицу диаметром 30 мм. Полученные прутки диаметром 30 мм деформируют вхолодную до конечного диаметра 2 мм с отбором проб для измерения механических характеристик как без промежуточных термообработок в соответствии со способом-прототипом (маршрут 1 в табл. 1), а также по предлагаемому способу с проведением одной или двух промежуточных термообработок при 250-550^оС и времени выдержки 1-12 ч. Результаты измерений механических свойств проводов приведены в табл.2.

Таким образом, как видно из табл. 1 и 2 проводники, полученные по предлагаемому способу с использованием двух промежуточных термообработок, имеют значения σ_max на 200-500 МПа выше, чем для проводников, получаемых по способу-прототипу. Электропроводность полученных проводников диаметром 2 мм с σ_max 1200-1300 МПа составила 50-60% от электропроводности чистой меди.

Использование предлагаемого способа позволяет получать обмоточные проводники больших длин (более 100 м) и крупного поперечного сечения с σ_max до 1300 МПа с электропроводностью не менее 50% электропроводности чистой меди, что обеспечивает возможность создания высокопольных импульсных систем с магнитным полем более 50 Тл.

Дальнейшее повышение прочности проводов возможно лишь при увеличении величины вытяжки, однако имеющееся оборудование не позволяет получать провода диаметром 2,0 мм с величиной деформации ln μ10. Поэтому была предложена технология "сборных проводов", при которой собирают составную многожильную заготовку из прутков сплава медь-ниобий в оболочке из чистой меди или из сплава на основе меди, в частности из сплава меди с ниобием. С этой целью слиток сплава медь 20% ниобия диаметром 130 мм выдавливали в матрицу диаметром 93,5 мм, а затем в матрицу диаметром 30 мм. Полученный пруток спрофилировали в шестигранник с размером "под ключ" S 10,8 мм. Шестигранный пруток разрезали и собрали составную заготовку из 37 стренгов в медном чехле диаметром 96 мм. Составную заготовку выдавили в матрицу диаметром 30 мм, а затем волочили до диаметра 2,0 мм по режиму, указанному в предыдущем примере (табл.2, режим 4).

Использование такой технологии позволило увеличить общую вытяжку от слитка до провода диаметром 2,0 мм с 4024 (lnμ=8,3) до 245242 (lnμ12,4), т.е. в 60 раз. Диаметр стренгов при этом составил 0,3 мм. Предел прочности прутков "псевдосплава", рассчитанный на сечение без меди составил 1700 МПа, что соответствует прочности псевдоодножильного провода диаметром 0,3 мм с величиной холодной деформации ln μ= 12,0. Таким образом, на массивном проводе достигнут предел прочности, характерный для тонких проводов.

Электропроводность полученных проводников составила 70% от электропроводности чистой меди. Достигнутый уровень свойств провода позволяет изготавливать импульсные магнитные системы, рассчитанные на предельно высокие магнитные поля (70 Тл).

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО КОМПОЗИЦИОННОГО ПРОВОДНИКА на основе сплава медь ниобий, при котором получают слиток сплава меди с массовым содержанием ниобия 5 25% формируют из него заготовку в виде прутка и деформируют пруток вхолодную до конечного размера, отличающийся тем, что слиток сплава получают вакуумной дуговой плавкой с расходуемым электродом, полученный слиток прессуют, а в процессе холодной деформации прутка проводят по крайней мере одну термообработку при 250 550^oС в течение 1 10 ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на промежуточной стадии деформации пруток нарезают на мерные длины и собирают в оболочку из меди или медного сплава.

PC4A Государственная регистрация договора об отчуждении исключительного права

Дата и номер государственной регистрации договора: 13.10.2011 № РД0088568

Лицо(а), передающее(ие) исключительное право:Открытое акционерное общество «Высокотехнологический научно–исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара» (RU)

Приобретатель исключительного права: Общество с ограниченной ответственностью «Научно–производственное предприятие «НАНОЭЛЕКТРО» (RU)

(73) Патентообладатель(и):
Общество с ограниченной ответственностью «Научно–производственное предприятие «НАНОЭЛЕКТРО» (RU)

Адрес для переписки:
ОАО «ВНИИНМ», Ю.В. Тузову, ул. Рогова, 5А, Москва, 123098

Дата публикации: 20.11.2011

---