Способ изготовления контактных проводов

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии совмещенных процессов непрерывного литья заготовок с их последующей обработкой давлением, и может быть использовано при получении длинномерных изделий из меди и ее сплавов. Задача изобретения – изготовление бесстыковых контактных проводов с необходимым комплексом свойств. Способ производства контактных проводов включает получение расплава в печи с инертной атмосферой, рабочее пространство которой состоит из трех зон - зоны плавления, зоны легирования и зоны выдачи готового металла, его легирование элементами, имеющими гексагональную или тетрагональную кристаллическую решетку, и вытяжку из расплава литой заготовки требуемого сечения. Последующее формирование из нее профиля провода осуществляют в два этапа - получение прутка волочением со степенью деформации 15-50% и последующей прокаткой прутка со степенью деформации 50-70%. Изобретение обеспечивает исключение попадания в готовый провод невидимых литейных дефектов при формировании литой заготовки, а также повышение механических свойств провода.

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

К изделиям указанного назначения предъявляются высокие требования как по электротехническим свойствам, так и по механическим, в связи с чем подобный комплекс свойств зависит от многих факторов, среди которых можно выделить качество металла, из которого изготавливаются провода (марочный состав, равномерность распределения элементов по объему, отсутствие примесей), условия формирования из него непрерывнолитой заготовки (структура металла, равномерность свойств по длине, отсутствие литейных дефектов), а также технологию пластической деформации непрерывнолитой заготовки.

Сущность существующих способов изготовления контактных проводов основана 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].

Однако из медной непрерывнолитой заготовки (НЛЗ), отливаемой по известному способу, не всегда получают изделия, удовлетворяющие требованиям стандартов по механическим свойствам. Данный недостаток в решающей степени порождается особенностями структуры НЛЗ, которая, как правило, столбчатая, в центральной части расположены вытянутые вдоль оси крупные зерна, а тонкий приповерхностный слой состоит из разориентированных мелких кристаллов. В литой заготовке имеются литейные дефекты в виде раковин и трещин. В процессе волочения крупное зерно дробится, но недостаточно, несплошности в литой заготовке увеличиваются при приложении растягивающих напряжений. В связи с этим контактный провод с требуемыми служебными характеристиками получить не удается.

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 [2].

Как известно, процесс волочения характеризуется неблагоприятной схемой напряженного состояния металла с преобладанием растягивающих напряжений, что усугубляется значительной неравномерностью деформации при волочении фасонных профилей из заготовки круглого сечения, что порождает высокий уровень остаточных напряжений в изделии, существенно снижающих предел прочности при растяжении.

В известном способе легирующие, вводимые в расплав меди, не оказывают влияния на структуру сплава, а следовательно, и на прочностные характеристики материала провода.

Пластическая деформация непрерывнолитой заготовки при волочении с умеренным и высоким суммарным обжатием приводит к образованию ярко выраженной текстурованной структуры. Однако даже в результате значительных обжатий в процессе волочения не все зерна измельчаются и оказываются развернутыми в направлении оси деформации.

В результате неравномерного распределения деформации по поперечному сечению в центральной части продольного сечения сохраняется зона крупных зерен, следствием чего является неполучение требуемых свойств конечной продукции.

Недостатками известного способа являются нестабильная и низкая прочность изделия, нестабильность технологического процесса волочения как операции формирования профиля провода, приводящая к обрывам, а также пониженный выход годного.

В свою очередь недостатки, проявляющиеся на стадии волочения, являются следствием имеющихся литейных дефектов (дефектов, образовавшихся при непрерывном литье), которые в процессе волочения вследствие наличия растягивающих напряжений приводят к увеличению размеров дефектов, т.е. к их укрупнению, что и приводит к нарушению сплошности заготовки - ее разрыву.

Если же на стадии волочения обрыва нет, то он может возникнуть в процессе эксплуатации, что является недопустимым, учитывая ответственные условия службы изделий.

В основу изобретения положена задача устранения указанных недостатков известного способа, а именно - обеспечить высокую прочность проводов, увеличенный выход годного при обработке литой заготовки давлением в процессе формирования профиля контактного провода, повышенную надежность работы контактного провода под натяжением в контактной сети.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном способе производства контактных проводов, включающем получение расплава и его легирование, вытяжку из него литой заготовки и формирование из нее методом пластической деформации требуемого профиля провода, 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, а формирование профиля провода осуществляют в два этапа - сначала методом волочения со степенью деформации 15-50% получают пруток, из которого затем прокаткой со степенью деформации 50-70% получают необходимый профиль провода.

Из практики металловедения известно, что разные легирующие элементы оказывают различное влияние на тонкую структуру меди и ее сплавов, в различной степени изменяя энергию дефектов упаковки, вследствие чего в разной степени влияют на деформационное упрочнение медного сплава [3].

Такие металлы как, например, серебро, золото, никель, свинец, платина, имеющие с медью однородную структуру кристаллической решетки (гранецентрированную кубическую), слабо изменяют энергию дефектов упаковки, а следовательно, и не оказывают существенного влияния на деформационное упрочнение меди, тогда как металлы, имеющие гексагональную кристаллическую решетку (кадмий, магний, цинк, титан, цирконий) или тетрагональную, например олово, способны в наибольшей степени снижать энергию дефектов упаковки, а следовательно, и повышать деформационное упрочнение меди [4].

Операция волочения со степенью 15-50% вызывает в прутке высокие напряжения растяжения, кроме того, пруток, наматываясь на тянущие барабаны волочильного стана, подвергается изгибу, который позволяет провести контроль качества литья по всей длине заготовки, полученной вытяжкой из расплава и убедиться в надежности изготовленного провода.

Формирование профиля контактного провода прокаткой полученного волочением прутка со степенью деформации 50-70% позволяет устранить микродефекты, появившиеся в металле в процессе волочения, поскольку операция прокатки вследствие обеспечения в очаге деформации напряженного состояния всестороннего сжатия уменьшает размеры микродефектов и устраняет их. Прочность контактного провода повышается при сохранении достаточно высокого уровня пластичности.

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

Медь загружается в первую ванну плавильной печи, где подвергается плавлению. В процессе плавления расплав заполняет все зоны печи, начиная от зоны загрузки и плавления и до зоны выдачи готового расплава. В пространстве над расплавом меди создается избыточное давление инертного для меди газа, например азота, а зеркало расплава в зонах плавления и легирования покрывается защитным слоем древесного угля 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 меди марки М1к. 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 по 100 г магния из расчета содержания в литой заготовке (с учетом угара) 0,08% магния.

После намотки бухты литой заготовки диаметром 22 мм с весом 2,5 тонны она снимается с корзины приемного устройства и транспортируется к волочильному стану, где за два прохода получают круглую заготовку со степенью деформации 33%, которую транспортируют к прокатному стану.

Проволоченная заготовка прокатывается за шесть проходов со степенью деформации 60% на контактный провод сечением 100 мм² согласно требованиям на размеры поперечного сечения провода по ГОСТ 2584-86 "Провода контактные из меди и ее сплавов".

Контактный провод, полученный по приведенной технологии, имеет временное сопротивление при растяжении 39,2 кгс/мм², относительное удлинение 3,5%. Благодаря уменьшению энергии дефектов упаковки при легировании с 30 эрг/см² (у чистой меди) до 23 эрг/см² деформационное упрочнение легированного провода проходит белее интенсивно, чем провода из чистой меди, у которого временное сопротивление при растяжении составляет 37,5 кгс/мм².

Заявленный способ позволяет исключить попадание в готовый провод невидимых литейных дефектов при формировании литой заготовки, а также повысить механические свойства провода.

Источники информации

1. Шатагин О.А., Сладкоштеев В.Т. и др. Горизонтальное непрерывное литье цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1974.

2. Василевский П.А., Климов B.C., Котельников В.П., Брусницын С.В., Вайс И.А. Исследование и разработка технологии производства медного контактного провода из непрерывнолитой заготовки. Цветные металлы, 1977, № 7, с. 64-67.

3. Новиков И.И. Дефекты кристаллической решетки металлов. М.: Металлургия, 1968, с. 76-79.

4. Вишняков Я.Д. Современные способы исследования структуры деформированных кристаллов. М.: Металлургия, 1975, с. 389-399.

Формула изобретения

Способ производства контактных проводов, включающий получение расплава, его легирование, вытяжку литой заготовки и формирование из нее методом пластической деформации требуемого профиля провода, отличающийся тем, что 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, а формирование профиля провода осуществляют в два этапа - сначала получают методом волочения со степенью деформации 15-50% пруток, из которого затем прокаткой со степенью деформации 50-70% получают необходимый профиль провода.