Способ изготовления электроконтактного провода из термоупрочняемого сплава на основе меди (варианты)
Владельцы патента RU 2741873:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)
Изобретение относится к способам получения провода контактного для электрифицированных железных дорог из термоупрочняемых медных сплавов. Способ изготовления провода контактного из термоупрочняемого сплава на основе меди включает подачу сплава в кристаллизатор, кристаллизацию сплава в виде непрерывнолитой заготовки, деформацию упомянутой заготовки на катанку, закалку, формирование провода контактного с фасонным профилем при последовательном комбинировании в одной операции равноканального углового прессования по схеме Конформ и прессования профиля провода при температуре не выше 500°С, старение при 400-500°С, при этом деформацию на катанку проводят в непрерывном цикле сначала прокаткой со снижением температуры до 300°С и последующим многостадийным знакопеременным изгибом в роликах при температуре 300-400°С с суммарной накопленной степенью деформации поверхностных слоев катанки е≥2. По второму варианту способ включает подачу сплава в кристаллизатор, кристаллизацию сплава в виде непрерывнолитой заготовки, деформацию заготовки на катанку, закалку, формирование провода контактного с фасонным профилем, старение при 400-500°С, при этом деформацию на катанку проводят в непрерывном цикле сначала прокаткой со снижением температуры до 300°С и последующим многостадийным знакопеременным изгибом в роликах при температуре 300-400°С с суммарной накопленной степенью деформации поверхностных слоев катанки е≥2, а формирование провода с фасонным профилем в условиях непрерывной обработки осуществляют профильными приводными валками. Изобретение обеспечивает достижение повышенных характеристик прочности и износостойкости контактного провода, что обеспечивает увеличение срока работы до замены на железнодорожных магистралях и, соответственно, снижение эксплуатационных расходов. 2 н.п. ф-лы., 2 пр., 1 табл., 3 ил.
Изобретение относится к способам получения провода контактного для электрифицированных железных дорог из термоупрочняемых медных сплавов.
Известно, что к проводу контактному для высокоскоростного железнодорожного транспорта в процессе эксплуатации предъявляется ряд основных требований к физико-механическим и эксплуатационным свойствам: высокая электропроводность - для уменьшения энергетических потерь; высокая прочность - для обеспечения повышенной силы натяжения провода и, соответственно, противодействия активному механическому волновому процессу при высокоскоростной эксплуатации; высокая термостабильность, обеспечивающая условия эксплуатации при кратковременном нагреве провода до 150°С, низкая скорость ползучести при температуре эксплуатации и повышенное сопротивление износу пары «провод-токосъемник», которые заметно влияют на эксплуатационную долговечность.
Известен способ производства контактных проводов (RU 2236918, МПК В21В 1/46, опубликовано 27.09.2004 г.), включающий 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%. Однако этот метод используют преимущественно для получения катанки и дальнейшего передела - контактного провода из технически чистой меди или деформационно-упрочняемых медных сплавов с малой степенью легирования, например, из сплава Cu-0.2%Sn.
Недостатком такой технологии изготовления контактного провода из меди и деформационно-упрочняемых низколегированных медных сплавов является ограничение по достижению необходимых механических свойств. Как правило, предел прочности таких проводов не превышает 500 МПа, при относительной пластичности 3-5% и термостабильности 180-370°С. Такие показатели механических свойств не позволяют обеспечить высокий уровень эксплуатационных свойств, особенно в условиях высокоскоростного железнодорожного движения.
Известен способ обработки медных сплавов (RU 2610998, МПК C22F 1/08, опубликовано 17.02.2017 г.), который включает отжиг при температуре 850-980°С и выдержку от 0,5 до 2 ч с последующей закалкой, старение в интервале температур 350-650°С в течение от 2 до 8 ч, интенсивную пластическую деформацию методом непрерывного равноканального углового прессования в интервале температур 350-450°С до истинной степени деформации не более 2 с последующей прокаткой при комнатной температуре со степенью обжатия не менее 20%.
Недостатком данного способа является низкий уровень получаемых свойств: недостаточно высокая прочность (предел прочности составляет 330-350 МПа) и электропроводность (57-62% от электропроводности чистой меди).
Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления электроконтактного провода для высокоскоростного железнодорожного транспорта (RU 2685842, МПК В21С 23/08, C22F 1/08, опубликовано 23.04.2019), включающий подачу сплава в кристаллизатор, кристаллизацию сплава в виде непрерывнолитой заготовки, деформацию упомянутой заготовки на катанку, закалку, старение при 400-500°С, формирование профиля контактного провода. Закалку проводят непосредственно после кристаллизации с температуры 900-1000°С, деформацию на катанку осуществляют радиальным обжатием с суммарной накопленной степенью деформации не менее е=1,5, а формирование электроконтактного провода с фасонным профилем проводят при последовательном комбинировании в одной операции равноканального углового прессования по схеме «Конформ» и прессования при температуре не выше 500°С, причем старение проводят в качестве финишной операции.
Недостатком данного способа является получение проводов, обладающих недостаточно высокой стойкостью к контактному износу из-за формирующегося зеренно-субзеренного структурного состояния в объеме заготовок, обладающего высокой анизотропией механических свойств по сравнению с зеренным типом структуры. Другим недостатком является ограниченная производительность способа, связанная с техническими возможностями серийных ковочных машин.
Задачей изобретения является повышение технологичности и производительности способа, снижение затрат на изготовление провода контактного для электрифицированных железных дорог.
Технический результат заключается в повышении комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств провода контактного для высокоскоростных железнодорожных магистралей.
Технический результат достигается способом изготовления провода контактного из термоупрочняемого сплава на основе меди по варианту 1, включающим подачу сплава в кристаллизатор, кристаллизацию сплава в виде непрерывнолитой заготовки, деформацию упомянутой заготовки на катанку, закалку, формирование провода контактного с фасонным профилем при последовательном комбинировании в одной операции равноканального углового прессования по схеме «Конформ» и прессования профиля провода при температуре не выше 500°С, старение при 400-500°С, в котором в отличие от прототипа деформацию на катанку проводят непрерывным циклом сначала прокаткой со снижением температуры до 300°С и последующим многостадийным знакопеременным изгибом в роликах при температуре 300-400°С с суммарной накопленной степенью деформации поверхностных слоев катанки не менее е=2.
Технический результат достигается также способом изготовления провода контактного из термоупрочняемого сплава на основе меди по варианту 2, включающим подачу сплава в кристаллизатор, кристаллизацию сплава в виде непрерывнолитой заготовки, деформацию упомянутой заготовки на катанку, закалку, формирование провода контактного с фасонным профилем, старение при 400-500°С, в котором в отличие от прототипа деформацию на катанку проводят непрерывным циклом сначала прокаткой со снижением температуры до 300°С и последующим многостадийным знакопеременным изгибом в роликах при температуре 300-400°С с суммарной накопленной степенью деформации поверхностных слоев катанки не менее е=2, а формирование провода с фасонным профилем в условиях непрерывной обработки осуществляют профильными приводными валками.
Решение поставленной задачи и достижение технического результата обусловлено следующим. За счет последовательного применения деформационных методов, таких как редукционная прокатка, многоцикловой знакопеременный изгиб и равноканальное угловое прессование (РКУП), комбинированное в одной операции с формообразованием фасонного профиля провода, обеспечивается повышение прочности и износостойкости контактного провода, что приводит к снижению эксплуатационных расходов.
Повышенные физико-механические свойства термоупрочняемых сплавов традиционно обеспечиваются за счет последовательного использования операций закалки на твердый раствор и последующей термической обработки (старения) при фиксированной температуре. Причем, в процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора с выделением частиц вторых фаз. Этот процесс приводит к упрочнению и повышению электропроводимости сплава за счет мелкодисперсных выделений и очищения матрицы, т.е. кристаллической решетки меди, от легирующих примесей. Дополнительное применение холодной деформации после закалки, как правило, приводит к интенсификации выделения вторых фаз и формированию более мелкозернистой структуры.
Предложенный способ изготовления проводов из термоупрочняемых сплавов на основе меди благодаря последовательному осуществлению операций закалки на твердый раствор, холодной пластической деформации прокаткой и знакопеременным изгибом, интенсивным пластическим прессованием провода фасонной формы и финишной термической обработки старением при накоплении высокой степени деформации, как правило е≥2, при температуре ниже температуры рекристаллизации способствует проявлению ряда важных физических эффектов, а именно:
- глубокому измельчению исходной структуры и повышению прочности и твердости за счет накопления высокого уровня деформации согласно закона Петча-Холла (Carlton С.Е., Ferreira P.J. «What is behind the inverse Hall-Petch effect in nanocrystalline materials?)) // Acta Materialia. 2007. V. 55. P. 3749-3756);
- формированию ультрамелкой структуры зеренного типа, термически более устойчивой за счет реализации немонотонного характера деформации в процессе ее накопления в объеме провода, и особенно в периферийных слоях провода, за счет использования знакопеременной немонотонной деформации изгибом (Деформационные методы получения и обработки ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов [Текст] / Ф.З, Утяшев, Г.И. Рааб; Акад. наук Республики Башкортостан, Отд-ние физ.-мат. и технических наук. - Уфа: Гилем, 2013. - 375 с.: ил., табл.; 21 см.; ISBN 978-5-88185-115-6);
- эффекта деформационного инициирования выделения вторых фаз (старения) при накоплении больших деформаций (Роль фазовых превращений в эволюцию дисперсных частиц в хромовых бронзах при равноканальном угловом прессовании/ И.А. Фаизов, Г.И. Рааб, С.Н. Фаизова, Н.Г. Зарипов, Д.А. Аксенов // Письма о материалах. -2016. - Т. 6, №2. -С. 132-137.);
- наноструктурные выделения вторых фаз (упрочняющих частиц), преимущественно на границах ультрамелких зерен, обеспечивая более частое их распределением в объеме и более высокий уровень упрочнения. (Валиев Р.З. Объемные наноструктурные материалы: фундаментальные основы и применения: пер. с англ. / Р.З. Валиев, А.П. Жиляев, Т.Дж. Лэнгдон. - СПб.: Эко-Вектор, 2017. - 479 с.).
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема технологического процесса получения провода контактного по варианту 1 изобретения, на фиг. 2 - по варианту 2 изобретения, на фиг. 3 - фрагмент провода контактного.
На чертежах обозначено: 1 - печь плавильная, 2 - кристаллизатор, 3 - прокатный блок для получения катанки, 4 - блок изгиба катанки, 5 - блок РКУП «Конформ», 6 - блок приводных профильных валков.
Способ осуществляют следующим образом.
По варианту 1.
Сплав на основе меди подают из плавильной печи 1 в кристаллизатор 2 (фиг. 1) для формирования исходной непрерывной заготовки, далее заготовка поступает в прокатный блок 3 с последовательным редукционным обжатием заготовки на катанку, в следующем блоке 4 изгиба катанка подвергается пластической деформации многостадийным знакопеременным изгибом в условиях непрерывной обработки и подается в блок РКУП «Конформ» 5 для формирования прессованием фасонного провода. Финишная операция термической обработки провода проводится в отдельной печи.
По варианту 2.
Сплав на основе меди подают из плавильной печи 1 в кристаллизатор 2 (фиг. 2) для формирования исходной непрерывной заготовки, далее заготовка поступает в прокатный блок 3 с последовательным редукционным обжатием заготовки на катанку, в следующем блоке 4 изгиба катанка подвергается пластической деформации многостадийным знакопеременным изгибом в условиях непрерывной обработки и подается в блок приводных профильных валков 6 для формирования фасонного профиля провода. Финишная операция термической обработки провода проводится в отдельной печи.
Примеры осуществления изобретения.
Вариант 1. В качестве исходного материала была взята термоупрочняемая бронза, легированная хромом, Cu-0,5%Cr. В расплав меди при температуре не ниже 1250°С вводили лигатуру медь-хром, далее расплав подавали в кристаллизатор для формирования исходной заготовки и прокатывали с интенсивным охлаждением катанки до температуры 300°С и накопления деформации е=2-2,2. Затем многоцикловым знакопеременным изгибом проводили деформацию, преимущественно периферийных областей с уровнем накопленной деформации е=2. После знакопеременного изгиба заготовку при температуре 350°С помещали в экструдер для равноканального углового прессования по схеме «Конформ» и деформировали до получения конечного провода с фасонным профилем площадью 100 мм. Температура провода на выходе составляла 450-480°С. Затем в течение одного часа при температуре 450°С проводили старение провода с фасонным профилем в электропечи. В результате обработки получали контактный провод с фасонным профилем (фиг. 3).
Вариант 2. В качестве исходного материала была взята термоупрочняемая бронза, легированная хромом, Cu-0,5%Cr. В расплав меди при температуре не ниже 1250°С вводили лигатуру медь-хром, далее расплав подавали в кристаллизатор для формирования исходной заготовки (фиг. 2) и прокатывали с интенсивным охлаждением катанки до температуры 300°С и накопления деформации е=2-2,2. Затем многоцикловым знакопеременным изгибом проводили деформацию, преимущественно периферийных областей с уровнем накопленной деформации е=2. После знакопеременного изгиба заготовку при температуре 350°С прокатывали в блоке с приводными профильными валками для формирования фасонного профиля провода площадью 120 мм. Температура провода на выходе составляла не более 400°С. Затем в течение одного часа при температуре 450°С проводили старение провода с фасонным профилем в электропечи. Образец провода - на фиг. 3.
Металлографическими исследованиями установлено, что при использовании обоих вариантов обработки тип структуры центральной и периферийной областей поперечного сечения провода отличается. Центральная область провода имеет зеренно-субзеренный тип структуры со средним размером фрагментов ~1 мкм, при этом средний размер фрагментов в периферийной области составляет 200-300 нм, а размер выпавших частиц (вторых фаз), расположенных преимущественно по границам фрагментов, составляет 10-100 нм.
Также были проведены сравнительные исследования физико-механических свойств и износостойкости полученных по обоим вариантам изобретения образцов контактного провода, которые представлены в таблице.
Из таблицы видно, что в результате изготовления провода по обоим вариантам предложенного способа получены высокие физико-механические свойства, такие как предел прочности - σв, относительная пластичность - δ%, удельная электропроводность - % IACS, причем износостойкость повышается, что обеспечивает и более высокий комплекс физико-механических и эксплуатационных свойств.
Таким образом, достигаются повышенные характеристики прочности и износостойкости провода контактного, что обеспечивает увеличение срока работы до замены на электрифицированных железнодорожных магистралях и, соответственно, снижение эксплуатационных расходов.
1. Способ изготовления провода контактного из термоупрочняемого сплава на основе меди, включающий подачу сплава в кристаллизатор, кристаллизацию сплава в виде непрерывнолитой заготовки, деформацию упомянутой заготовки на катанку, закалку, формирование провода контактного с фасонным профилем при последовательном комбинировании в одной операции равноканального углового прессования по схеме Конформ и прессования профиля провода при температуре не выше 500°С, старение при 400-500°С, отличающийся тем, что деформацию на катанку проводят в непрерывном цикле сначала прокаткой со снижением температуры до 300°С и последующим многостадийным знакопеременным изгибом в роликах при температуре 300-400°С с суммарной накопленной степенью деформации поверхностных слоев катанки е≥2.
2. Способ изготовления провода контактного из термоупрочняемого сплава на основе меди, включающий подачу сплава в кристаллизатор, кристаллизацию сплава в виде непрерывнолитой заготовки, деформацию упомянутой заготовки на катанку, закалку, формирование провода контактного с фасонным профилем, старение при 400-500°С, отличающийся тем, что деформацию на катанку проводят в непрерывном цикле сначала прокаткой со снижением температуры до 300°С и последующим многостадийным знакопеременным изгибом в роликах при температуре 300-400°С с суммарной накопленной степенью деформации поверхностных слоев катанки е≥2, а формирование провода с фасонным профилем в условиях непрерывной обработки осуществляют профильными приводными валками.
