Способ термомеханической обработки перспективных медных сплавов

Изобретение относится к термомеханической обработке медных сплавов, предназначенных для электротехнических изделий, в частности для контактных проводов сети высокоскоростного железнодорожного транспорта, высокопрочных медных проводов и кабелей для нужд автомобильной и авиапромышленности. Способ термомеханической обработки низколегированных медных сплавов включает прокатку, равноканальное угловое прессование и волочение, при этом горячую прокатку проводят при температуре 700°С до степени деформации 0,5-2, непрерывное равноканальное угловое прессование осуществляют до истинной степени деформации 1-2 при температуре, соответствующей развитию непрерывной динамической рекристаллизации с деформационным старением, операцию волочения осуществляют до истинной степени деформации 1-2 при температуре, соответствующей развитию непрерывной динамической рекристаллизации с деформационным старением. Использование предложенной обработки в производственном цикле провода позволит получить изделие с комплексом высоких характеристик, а именно: прочности, электропроводности, термостойкости и технологичности. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к термомеханической обработке медных сплавов, предназначенных для электротехнических изделий, в частности для контактных проводов сети высокоскоростного железнодорожного транспорта, высокопрочных медных проводов и кабелей для нужд автомобильной и авиапромышленности.

К материалам для контактной сети высокоскоростного железнодорожного транспорта, автомобильной и авиапромышленности предъявляют следующие требования: а) прочность не менее 600 МПа, б) электрическая проводимость не менее 80 % от электрической проводимости чистой меди (% IACS), в) устойчивость микроструктуры и свойств к нагревам до 300°С (тремостойкость), г) технологичность. Требование к высокой прочности проводов связано с необходимостью надежной работы провода при растягивающих напряжениях до 200 МПа в случае контактного провода или сокращением массы (сечения) проводов для нужд авто- и авиатранспорта. Высокая электрическая проводимость необходима для снижения энергетических потерь. Требование к термостойкости обусловлено перегревом контактной сети в случаях перегрузок. Под технологичностью понимается способность к производству проводов длиной более 1 км. (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.).

Наилучшим подходом, который на сегодняшний день способен решить все производственные и эксплуатационные проблемы, представляется перспективный метод обработки равноканальное угловое прессование по схеме «Конформ» (РКУП-Конформ) (Рааб Г.И., Валиев Р.З. Равноканальное угловое прессование по схеме «Конформ» длинномерных наноструктурных полуфабрикатов из титана // Кузнечно-штамповое производство. Обработка металлов давлением. – 2008. – Т. 1. – с. 21–27; Нестеров К.М., Исламгалиев Р.К., Валиев Р.З. Прочность и электропроводность ультрамелкозернистого медного сплава системы Cu–Cr // Вестник УГАТУ Машиностроение. – 2012. – Т. 16, № 8 (53). – с. 110–117). РКУП-Конформ обеспечивает формирование в сплаве ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры и высокую плотность дислокаций, обеспечивающих высокую прочность. Кроме того данный метод позволяет осуществлять непрерывный цикл прессования и производить длинномерные заготовки. Термостойкость и высокая электрическая проводимость такой структуры может быть получена за счет легирования меди элементами, которые имеют низкий предел растворимости в твердом растворе и при термообработке выделяются в виде дисперсных частицы (Murashkin M.Y. et al. Nanostructured Al and Cu alloys with superior strength and electrical conductivity // J. Mater. Sci. – 2016. – Vol. 51, № 1. – P. 33–49; Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура, свойства. Москва: ИКЦ «Академкнига», 2007. 398 с.).

Из уровня техники известен способ обработки сплавов, включающий РКУП-Конформ (патент РФ 2484175 С1, от 24.10.2011). Изобретение относится к области получения УМЗ материалов с высокой прочностью и электропроводностью, предназначенных для изделий, работающих при воздействии высоких температур и значительных нагрузок. Способ обработки заключается в закалке, деформации и старении. Для закалки материал нагревают до температуры 1020-1050°С, выдерживают 0,5-1 ч и затем охлаждают в воде. Далее проводят пластическую деформацию при температуре 200-300°С до истиной степени не менее 3 и последующее старение при температуре 400-500°С. Изобретение позволяет изготовить медный сплав с пределом прочности более 550 МПа, электропроводностью не менее 85% от электропроводности чистой меди и термической стабильностью до температуры 500°С. Недостатком данной обработки является чрезмерно высокая температура закалки 1020-1050 °С, которая приводит к ускорению укрупнения зерен. Исходно крупное зерно замедляет процесс формирования УМЗ структуры при РКУП-Конформ и требует большего числа проходов, что увеличивает стоимость изделия, снижает технологичность обработки и способствует износу оборудования.

Способ деформационно-термической обработки медных материалов, который описан в патенте РФ 2610998 от 20.10.2015, заключается в нагреве медного сплава в интервале температур 850-980°С и выдержке от 0,5 до 2 ч с последующей закалкой, старении в интервале температур 350–650°С в течение от 2 до 8 ч, интенсивной пластической деформации 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%. Способ позволяет получить полуфабрикат из медных сплавов с улучшенным комплексом физико-механических свойств, т.е. с высокой прочностью и высокой электропроводностью. Основной недостаток данной обработки – низкая прочность (330-350 МПа) и электрическая проводимость (57-62% от электропроводности чистой меди), недостаточные для того, чтобы надежно работать при высоких механических нагрузках.

Наиболее близким к предлагаемой технологии является способ деформационно-термической обработки низколегированных медных сплавов, описанный в патенте RU № 2688005 от 17.12.2018, включающий гомогенизационный отжиг, прокатку и непрерывное равноканальное угловое прессование, отжиг и волочение. Существенным недостатком данного способа является большое количество дорогостоящих технологических операций, которые удорожают процесс и увеличивают себестоимость провода.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка термомеханической обработки низколегированных медных сплавов, которая обеспечит производство провода, который будет обладать высокой электропроводностью, прочностью и термостойкостью.

Для решения поставленной задачи предлагается способ комплексной обработки низколегированных медных сплавов, включающий прокатку, равноканальное угловое прессование и волочение. Для получения достаточной технологической пластичности, необходимой для проведения волочения, РКУП-Конформ и волочение предложено проводить при повышенной температуре.

Предложенная обработка включает прокатку, равноканальное угловое прессование, волочение и отличается от прототипа тем, что операция горячей прокатки происходит при температуре 700°С до истинной степени деформации 0,5-2, далее заготовка подвергается непрерывному равноканальному угловому прессованию при повышенной температуре, соответствующей развитию непрерывной динамической рекристаллизации с деформационным старением до степени деформации 1-2, окончательной операцией деформационно-термической обработки является волочение, которое осуществляется при повышенной температуре, соответствующей развитию непрерывной динамической рекристаллизации с деформационным старением до истинной степени деформации 1-2.

Техническим результатом изобретения является полученный способ деформационно-термической обработки медных сплавов, позволяющий производить провода с высокой электропроводностью, прочностью и термической стабильностью.

Технический результат заключается в:

- получение длинномерного провода,

- сохранении электропроводности на уровне более 80 % от электрической проводимости чистой меди,

- достижении высокой прочности более 600 МПа,

- достаточной термостойкости при температуре 300°С.

Задача изобретения решается за счет применения комбинированной термомеханической обработки, включающей горячую прокатку, РКУП-Конформ и волочение при повышенной температуре. Высокая технологичность обработки обеспечивается операциями, которые могут быть включены в непрерывный цикл производства.

Сущность изобретения раскрывает таблица 1. Прокатка в калибрах при температуре 700°С сопровождается развитием динамической рекристаллизации и формированием структуры с размером зерен менее 10 мкм. Повышение температуры прокатки приведет к формированию более крупных зерен, что нежелательно с точки зрения дальнейшего измельчения зеренной структуры. Понижение температуры будет способствовать наклепу медных сплавов и снижению их технологической пластичности. Деформация методом РКУП-Конформ при повышенной температуре обеспечит формирование структуры с высокой плотностью большеуговых границ (≈50%) и дисперсными частицами. Размер структурных элементов составляет 0,5-5 мкм, плотность дислокаций 1014 м-2.

Увеличение числа проходов РКУП свыше 2 нецелесообразно в связи со слабым влиянием на прочностные свойства и резким ухудшением технологической пластичности. Температура деформации соответствует развитию непрерывной динамической рекристаллизации с деформационным старением и определяется по резкому увеличению электрической проводимости в процессе деформации. Волочение при повышенной температуре до истинной степени деформации 1-2 приводит к дополнительному повышению плотности дислокаций до 1015 м-2 , обеспечению повышенной прочности и позволяет сформировать изделие с высоким качеством поверхности и стабильности геометрических параметров поперечного сечения.

Пример осуществления

Сплав химического состава Cu-0,3%Cr-0,5%Zr был подвержен горячей прокатки при температуре 700°С до степени деформации 1,95, а также 2 проходам равноканального углового прессования по схеме РКУП-Конформ при температуре 400°С с последующим волочением при температуре 400°С до степени деформации 1,7. Температура волочения 400°С была выбрана в связи с тем, что в процессе деформации при данной температуре развивается непрерывная динамическая рекристаллизация, сопровождающаяся выделением дисперсных частиц. В результате, происходит рост проводящих характеристик за счет распада пересыщенного твердого раствора и рост прочностных свойств за счет измельчения зерен и повышения плотности дислокаций.

В таблице 1 приведены свойства сплава после обработки. Испытания на одноосное растяжение были проведены при комнатной температуре в соответствии с ГОСТ 1497-84 на испытательной машине «Instron 5882» с целью определения предела прочности (σВ). Электропроводность была рассчитана вихретоковым методом в соответствии с ГОСТ 27333-87. Электропроводность определялась в % от электропроводности чистой меди (% IACS). 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.

Таблица 1

Медный сплав после деформационно-термической обработки имеет высокую прочность и электропроводность, которые в несколько раз выше свойств в исходном состоянии. Термомеханическая обработка обеспечивает достаточную стабильность механических свойств после отжига и технологичность. Предложенная термомеханическая обработка может быть применена для изготовления контактного провода для высокоскоростного железнодорожного транспорта, который может развивать скорость движения до 300 км/ч, а также для кабелей авто- и авиатранспорта.

Способ термомеханической обработки низколегированных медных сплавов, включающий прокатку, равноканальное угловое прессование и волочение, отличающийся тем, что горячую прокатку проводят при температуре 700°С до степени деформации 0,5-2, непрерывное равноканальное угловое прессование осуществляют до истинной степени деформации 1-2 при температуре, соответствующей развитию непрерывной динамической рекристаллизации с деформационным старением, операцию волочения осуществляют до истинной степени деформации 1-2 при температуре, соответствующей развитию непрерывной динамической рекристаллизации с деформационным старением.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к деформируемым спинодальным сплавам медь-никель-олово. Деформируемый спинодальный сплав медь-никель-олово содержит 9,0-15,5 мас.% никеля и 6,0-9,0 мас.% олова и после холодной обработки давлением со степенью холодной деформации от 50% до 75% и термической обработки при температуре от 740°F до 850°F в течение периода от 3 минут до 14 минут, имеет условный предел текучести по меньшей мере 175 тысяч фунтов на кв.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления и термической обработки преимущественно мелкоразмерных деталей типа цанг, различных контактов и разъёмов из бериллиевой бронзы БрБ2, входящих в состав коаксиально-волноводного перехода преимущественно в космической отрасли, также может найти применение в электротехнике и приборостроении.

Изобретение относится к изделиям из латунных сплавов, работающим во фрикционных условиях в среде смазочного материала. Кованое фрикционное изделие для работы в среде смазочного материала выполнено из латунного сплава, содержащего, мас.%: от 62,5 до 65 Cu, от 2,0 до 2,4 Mn, от 0,7 до 0,9 Ni, от 1,9 до 2,3 Al, от 0,35 до 0,65 Si, от 0,3 до 0,6 Fe, от 0,18 до 0,4 Sn и Cr, либо отдельно, либо в совокупности, ≤ 0,1 Pb, остальное - Zn и неизбежные примеси, при этом сплав имеет структуру, содержащую α-β смешанную кристаллическую матрицу с долей α-фазы от 35 до 55% и с долей интерметаллических фаз от 2 до 5%.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству латунной ленты из сплава Л68, предназначенной для высокочастотной продольной трубосварки. Выплавляют и отливают слиток с содержанием кремния от 0,05 мас.% включительно до менее 0,1 мас.% и с содержанием свинца не более 0,018 мас.%.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам получения биаксиально текстурированных подложек для эпитаксиального нанесения на нее буферных и высокотемпературного сверхпроводящего слоев для ленточных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) второго поколения. Способ изготовления биаксиально текстурированной подложки в виде ленты из тройного сплава на медно-никелевой основе для эпитаксиального нанесения на нее буферных и высокотемпературного сверхпроводящего слоев включает выплавку с введением в медно-никелевый сплав легирующего элемента ниобия, или молибдена, или вольфрама с получением слитка тройного сплава на медно-никелевой основе, ковку слитка в заготовку в виде прутка, холодную реверсивную прокатку заготовки до степени деформации ≥97% с получением ленты и рекристаллизационный отжиг полученной ленты при температуре ≥1000°С.

Изобретение относится к способу термодеформационной обработки заготовки из бронзы БрНХК 2,5-0,7-0,6. Способ включает нагрев до температуры 150-170οС, выдержку в течение 10 мин и аэротермоакустическую обработку путем охлаждения заготовки в резонаторе газоструйного генератора звука при одновременном воздействии потока газа и акустического поля звукового диапазона частот с уровнем звукового давления в пределах 140-160 дБ в течение 10-12 мин с последующим старением при температуре 440οС, с выдержкой 2,5 часа, с охлаждением на воздухе.

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.

Изобретение относится к получению проволоки из цветных металлов и может быть использовано, в частности, для изготовления изделий электротехнического назначения. Способ преобразования катанки из цветных металлов и их сплавов, таких как алюминий, медь и их сплавы, в проволоку с высоким удлинением и в отожженном состоянии без использования устройства для отжига включает уменьшение диаметра для перехода от катанки к проволоке посредством процесса пластической деформации, при этом по меньшей мере часть механической энергии, подводимой к обрабатываемому металлу для осуществления уменьшения его диаметра, преобразуют в тепловую энергию для отжига металла, а температурой подвергаемого пластической деформации металла управляют таким образом, чтобы иметь в конце процесса пластической деформации проволоку при температуре, большей или равной температуре рекристаллизации.

Группа изобретений относится к цветной металлургии и включает варианты магнитного медного сплава, способ его получения, а также изделие из магнитного медного сплава. Магнитный медный сплав содержит, мас.%: 8-16 никеля, 5-9 олова, 5-21 марганца, медь – остальное.
Изобретение относится к способу получения бесстыковых контактных проводов преимущественно для скоростных железных дорог из сплавов меди. Способ включает формирование провода в два этапа: на первом методом конформ-процесса (экструзии) получают прессованную бесконечную заготовку круглого сечения, площадь которой больше площади литой заготовки, на втором - из этой заготовки холодным волочением получают провод необходимого профиля.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к способам получения литых заготовок из антифрикционных оловянно-свинцовых бронз типа БрО10С2Н3, предназначенных для диффузионной сварки со сталью для создания узлов трения средней нагрузки и скоростей скольжения. Способ изготовления литых заготовок из антифрикционной бронзы для диффузионной сварки со сталью включает расплавление шихтовых материалов с получением расплава бронзы и непрерывное литье, при этом в приготовленный расплав вводят либо цирконий в количестве 0,03-0,08 мас.% в виде лигатуры Cu-50±5 мас.% Zr, либо бор в количестве 0,02-0,1 мас.% в виде лигатуры Ni-15±5 мас.% В при температуре 1100-1150°С и выдерживают модифицированный расплав до полного растворения лигатуры и усвоения циркония или бора, после чего с поверхности расплава удаляют шлак и вытягивают расплав вверх в виде прутка через водоохлаждаемый кристаллизатор.
Наверх