Высокопрочный медный сплав

Изобретение относится к области металлургии, в частности к медным сплавам, используемым в качестве материала контактной сети высокоскоростного железнодорожного транспорта. Медный сплав содержит, мас.%: магний 0,15-0,35, мишметалл МЦ50Ж3 0,05-0,1, медь - остальное. Техническим результатом является повышение прочности с сохранением высокой электропроводности, термостойкости и технологичности. 1 пр., 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к медным сплавам, используемым в качестве материала 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 возрастающих прижимных нагрузок пантографа на контактную сеть во время движения. 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 сплав на основе меди, содержащий 0,1-0,3 мас.% фосфида никеля или фосфида кобальта стехиометрического состава, предназначенный для получения проводов контактной сети для высокоскоростного железнодорожного транспорта (Патент № 25409944 С1 от 26.09.2013). Данный сплав после обработки показывает высокие прочностные свойства: временное сопротивление разрыву более 500-540 МПа, электропроводность – 80-85% IACS и хорошую термостойкость вплоть до 400-500°С.

Недостатком данного сплава является недостаточная прочность предлагаемого материала для скоростного движения свыше 300 км/ч.

ГОСТ 2584-86 «Провода контактные из меди и ее сплавов» в качестве материала для контактной сети предлагает 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 получениях дефектной структуры отливок. Основным недостатком кадмиевых бронз является высокая токсичность кадмия и необходимость использовать в производстве дополнительных систем вентиляции и средств индивидуальной защиты персонала, а также особых условий утилизации отходов.

Известен «Способ получения контактных проводов из сплавов на основе меди» (RU 2162764 публ. 04.02.1999), который содержит магния 0,04 - 0,34% или олова вместе с одним или несколькими элементами, имеющими большее сродство к кислороду, чем у олова, в суммарном количестве не более 0,12%. После деформационно-термической обработки данный сплав имел электропроводность 96% IACS и прочность 380 МПа. Недостатком данного сплава является пониженная прочность. Кроме того, существенным минусом данного изобретения является неполная информация об элементах легирования, имеющих большее сродство к кислороду, чем олово. Известно, что введение циркония или хрома, которые обладают большим сродством к кислороду, приводит к получению некачественных отливок и ограничивает применение данных сплавов в качестве материалов для контактной сети.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является медный сплав, предложенный в патенте «Медный сплав» (US 6241831, публ.05.06.2001). Изобретение относится к сплавам системы Cu – Mg – P и может быть применено в качестве материала для производства контактного провода. В первом варианте осуществления настоящее изобретение представляет собой сплав системы Cu-Mg, содержащий 0,01 - 0,25 мас.% магния, 0,01 - 0,2 мас.% фосфора, 0,001 - 0,1 мас.% серебра, 0,01 - 0,25 мас.% железа, остальное - медь и неизбежные примеси, предпочтительно отношение Mg / P - более 1,0. Второй вариант осуществления настоящего изобретения представляет собой сплав системы Cu-Mg, содержащий 0,01 - 0,25 мас.% магний, 0,01 - 0,2 мас.% фосфор, 0,001 - 0,1 мас.% серебро, 0,05 - 0,2 мас.% никель, остальное - медь и неизбежные примеси, в том числе и кобальт. Сплав обладает повышенной прочностью (540-550 МПа), высокой электропроводностью (90 % IACS), термической стойкостью и технологичностью.

Существенным минусом данного сплава является сложное легирование и наличие в составе дорого легирующего элемента серебра, которое значительно удорожает технологический процесс и себестоимость контактного провода. Кроме того достигнутая прочность является недостаточной для надежного движения высокоскоростных поездов со скоростью более 300 км/ч.

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

Для решения поставленной задачи предлагается сплав на основе меди, содержащий медь,магний и мишметалл МЦ50Ж3, в состав которого входят Сe, La, Nd и Fe, со следующим соотношением компонентов, мас.%: 0,15-0,35 Мg, 0,05-0,1 мишметалл МЦ50Ж3, медь – остальное.

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

Магний 0,15-0,35

Мишметалл МЦ50Ж3 0,05-0,1

Медь остальное.

Техническим результатом изобретения является полученный химический состав, обеспечивающий оптимальное соотношение прочности, электропроводности, термостойкости и технологичности медного сплава, 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 магния в пределах 0,15-0,35% необходимо для твердорастворного легирования. Легирование магнием обеспечивает твердорастворное упрочнение, а также облегчает накопление дислокаций в материале, повышает эффективность деформационного упрочнения при большой пластической деформации. Легирование сплава магнием менее 0,15 % приводит к сильному снижению прочностных свойств, а его добавка свыше заявленных пределов влечет сильное падение электропроводности материала.

Добавка мишметалла не только не снижает электропроводность медных сплавов, но за счет связывания атомарного кислорода, находящегося в твердом растворе после отливки, в частицы дисперсные частицы, обеспечивает ее сохранение или незначительное улучшение. Дисперсные оксиды элементов мишметалла не растворимы в процессе деформации и способствуют стабилизации сформированной в процессе деформационного воздействия структуры, препятствуя росту зерна и способствуя повышению термостойкости сплава. Кроме того, микролегирование мишметаллом способствует дополнительному дисперсионному упрочнению. Добавка мишметалла свыше 0,1% приводит к формированию в структуре литого сплава грубых хрупких частиц, которые уменьшают технологическую пластичность материала и способствуют растрескиванию заготовки в процессе деформационной обработки.

Добавка магния и мишметалла в заявленных пределах позволяет повысить прочностные характеристики и термическую стойкость, сохранив технологичность и электропроводность медного сплава для контактной сети высокоскоростного железнодорожного транспорта на высоком уровне. Повышение прочности провода обеспечит возможность увеличения скорости движения железнодорожных транспортных средств более 350 км/ч.

Пример осуществления

Было отлито два сплава с химическим составом, представленным в таблице 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.

Таблица 1. Химический состав разработанных сплавов

№ сплава Mg, масс. % Мишметалл МЦ50Ж3, масс. % Cu, масс. %
1 0,17 0,07 остальное
2 0,34 0,09 остальное

В таблице 2 приведены эксплуатационные характеристики высокопрочного медно-магниевого сплава после термомеханической обработки. Испытания на одноосное растяжение были проведены при комнатной температуре согласно ГОСТ 1497-84 на испытательной машине «Instron 5882» с целью определения предела прочности (σВ) 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.

Как видно из таблицы 2, комплекс эксплуатационных свойств сплавов позволяют применять данные материалы для изготовления профилей контактного провода высокоскоростного железнодорожного транспорта. Легирование магнием в сочетание с мишметаллом позволяет получить сплавы с высокой прочностью, электропроводностью, хорошей термостойкостью и технологичностью.


Высокопрочный медный сплав, содержащий медь и магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит мишметалл МЦ50Ж3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Магний 0,15-0,35

Мишметалл МЦ50Ж3 0,05-0,1

Медь остальное.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к антиприсадным устройствам, предназначенным для защиты гирлянд изоляторов воздушных линий электропередачи напряжением 6-1150 кВ, а также для защиты птиц от негативного воздействия самих воздушных линий электропередачи.
Изобретение относится к составам покрытий полупроводниковых материалов и решает задачу усиления электролюминесценции полупроводников на длине волны 450 нм. Прозрачный проводящий оксид содержит слой оксида цинка с максимальной толщиной 200 нм, легированный ионами алюминия в концентрации от 1 до 3 молярных процентов и слои наночастиц серебра размерами 30-40 нм и максимальной концентрацией 1,25⋅1016 на см3.
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для производства чип-резисторов (SMD-резисторов), а также для производства толстоплёночных резисторов методом трафаретной печати.
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для производства чип резисторов (SMD-резисторов), а также для производства толстоплёночных резисторов методом трафаретной печати.
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для производства чип резисторов (SMD-резисторов), а также для производства толстоплёночных резисторов методом трафаретной печати.

Изобретение относится к области экспериментального исследования пожарной безопасности электроустановок, в частности к оценке воспламеняющей способности частиц металлов, образующихся при коротких замыканиях (КЗ) жил электрических проводов и кабелей в аварийных режимах работы электросетей.
Изобретение относится к окрашенным проводящим композиционным материалам и технологии их получения. Предложен окрашенный проводящий термопластичный материал, включающий, мас.%: 79,8-99,899 термопластичного полимера, 0,001-0,2 одностенных углеродных нанотрубок, 0,1-10,0 красителя и дополнительно - диоксид титана в количестве 1,0-10,0 мас.% к общей смеси указанных полимера, углеродных нанотрубок и красителя.
Изобретение относится к металлургии и электротехнике и может быть использовано при получении высокопрочных электрических проводов для применения в кабельных изделиях, работающих в условиях высоких механических и термических нагрузок.

Изобретение относится к области создания новых структурированных гибридных наноматериалов на основе электроактивных полимеров с системой сопряжения и одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) и может быть использовано в качестве носителей для катализаторов, в том числе в топливных элементах с полимерной мембраной, для создания микроэлектромеханических систем, тонкопленочных транзисторов, нанодиодов, наноэлектропроводов, модулей памяти, электрохимических источников тока, перезаряжаемых батарей, суперконденсаторов, сенсоров и биосенсоров, солнечных батарей, дисплеев.

Изобретение относится к чувствительным элементам на основе углеродных нанотрубок и может быть использовано в технологических операциях создания электрохимических сенсоров, устройств фотовольтаики на гибких подложках.

Изобретение относится к спеченным фрикционным материалам на основе меди. Материал содержит 5-8 мас.% олова, 7-9 мас.% кокса литейного и остальное - медь.
Изобретение относится к медным литейным сплавам и может быть использовано для изготовления методом литья токопроводящих конструкционных деталей, в частности короткозамкнутых роторов для асинхронных машин.

Группа изобретений относится к изготовлению токосъемных элементов. Спеченный материал содержит пропитанную маслом с ультрадисперсными алмазами спеченную смесь, состоящую из гранул, содержащих медь и графит, волокон и нитей углеродных, ультрадисперсных алмазов, порошков железа, графита, меди, упрочненной хромистым чугуном, шунгита, интеркаляционных соединений дисульфид молибдена и упрочняюще-легирующих компонентов.

Изобретение относится к получению электроконтактного композитного материала на основе меди, содержащего кластеры на основе частиц тугоплавкого металла. Способ включает механическую обработку смеси порошков меди и тугоплавного металла в атмосфере аргона при соотношении масс шаров и смеси порошков 20:1-40:1, скорости вращения планетарного диска планетарной мельницы 694-900 об/мин и продолжительности обработки 5-90 минут с получением нанокомпозиционных частиц с размером кристаллитов тугоплавкого металла от 5 нм до 100 мкм, и последующее искровое плазменнное спекание активированной смеси порошков в камере в вакууме или в атмосфере инертного газа с пропусканием через спекаемую смесь порошков импульсного электрического тока 500-5000 А под нагрузкой до 50 МПа, при температуре 700-1000°C и продолжительности спекания 5-15 минут.

Изобретение относится к получению композиционного металломатричного материала, армированного сверхупругими сверхтвердыми углеродными частицами. Способ включает приготовление смеси порошков металла и фуллеритов и ее прессование при давлении 5-8 ГПа и температурах 800-1000°С с обеспечением образования сверхтвердых углеродных частиц.

Изобретение относится к спеченным фрикционным материалам на основе меди, предназначенным для работы в узлах трения машин и механизмов в условиях жидкостного трения.

Изобретение относится к получению композитного материала на основе медной матрицы. На поверхность углеродных нанотрубок химически осаждают металл из ряда, включающего медь, свинец, олово, цинк, алюминий и серебро, с получением модифицированных углеродных нанотрубок, которые затем смешивают с порошком меди, имеющим размер фракции 3-10 мкм.

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к составам сплавов на основе меди, которые могут быть использованы для изготовления деталей различных машин и инструментов, предметов быта.

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к составам сплавов на основе меди, которые могут быть использованы для изготовления деталей различных машин и инструментов, предметов быта.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к медным сплавам для коллекторов электрических машин. Сплав содержит, мас.%: магний 0,1-0,6, серебро 0,02-0,1, примеси не более 0,2, медь остальное.

Группа изобретений относится к изделиям, содержащим субстрат и эластичную проводящую пленку. Эластичная проводящая пленка содержит множество отожженных наночастиц проводящего металла, в частности серебра, нанесенных на субстрат. Проводящая пленка получена диспергированием множества наночастиц проводящего металла, в частности серебра, с органоамином в смешанном органическом растворителе, содержащем гексадекан, с получением композиции чернил с наночастицами проводящего металла и нанесением слоя композиции чернил с наночастицами на поверхность эластичного субстрата, с растворением по меньшей мере части субстрата и отжигом указанного слоя. При этом эластичным субстратом является модифицированный сложным полиэфиром полиуретан. Технический результат – обеспечение эластичной проводящей пленки, обладающей первой проводимостью, связанной с формой проводящей пленки в отожженном состоянии, и второй проводимостью при растягивании пленки по меньшей мере в одном направлении относительно формы в отожженном состоянии, причем вторая проводимость больше, чем первая проводимость. Серебряная пленка обладает превосходной адгезией к субстрату – после испытания на истирание повреждений не было или они были небольшими. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 пр.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к медным сплавам, используемым в качестве материала контактной сети высокоскоростного железнодорожного транспорта. Медный сплав содержит, мас.: магний 0,15-0,35, мишметалл МЦ50Ж3 0,05-0,1, медь - остальное. Техническим результатом является повышение прочности с сохранением высокой электропроводности, термостойкости и технологичности. 1 пр., 2 табл.

Наверх