RU2677902C1 - Highly strong copper alloy - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to the field of metallurgy, in particular to copper alloys used as a material for a contact network of high-speed rail transport. Copper alloy contains, wt%: magnesium 0.15–0.35, mischmetall MTs50Zh3 0.05–0.1, copper – the rest.EFFECT: increase in the strength while maintaining high electrical conductivity, heat resistance and processability.1 cl, 1 ex, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к медным сплавам, используемым в качестве материала контактной сети высокоскоростного железнодорожного транспорта.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to copper alloys used as the material of the contact network of high-speed rail transport.

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.Due to their high strength and outstanding electrical conductivity, low-alloyed copper alloys find their application as railway contact lines. Increasing the speed of movement of railway vehicles requires an increase in the strength of the contact wires, due to the increasing clamping loads of the pantograph on the contact network during movement. The material for the contact network also has requirements for the thermal stability of the structure due to frequent overheating of the wire during operation up to 300 ° C. In addition, an important parameter for the production of a contact wire is the high adaptability of the wire material and the possibility of producing inextricable products from it more than 1,500 m long. It is known that increasing the strength in almost all cases negatively affects the electrically conductive and plastic characteristics of the material. Optimization of the chemical composition and microstructural design of low-alloy alloys will increase the strength properties of materials for contact wires while maintaining electrical conductivity and thermal resistance at a high level and solve the problem of manufacturability of wire production for a contact network of high-speed rail transport.

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.Known copper-based alloy containing 0.1-0.3 wt.% Nickel phosphide or cobalt phosphide of stoichiometric composition, designed to receive wires of the contact network for high-speed rail (Patent No. 25409944 C1 from 09/26/2013). This alloy after processing shows high strength properties: temporary tensile strength of more than 500-540 MPa, electrical conductivity - 80-85% IACS and good heat resistance up to 400-500 ° C.

Недостатком данного сплава является недостаточная прочность предлагаемого материала для скоростного движения свыше 300 км/ч.The disadvantage of this alloy is the insufficient strength of the proposed material for high-speed movement over 300 km / h.

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.GOST 2584-86 "Contact wires from copper and its alloys" offers magnesium, zirconium and cadmium bronzes as a material for a contact network. However, these alloys have several disadvantages. Magnesium bronzes proposed in GOST 2584-86 are characterized by low electrical conductivity and insufficient strength. The production of zirconium bronze is not technologically advanced and faces the problem of slagging the molten mirror with zirconium oxides and producing defective castings. The main disadvantage of cadmium bronzes is the high toxicity of cadmium and the need to use additional ventilation systems and personal protective equipment in production, as well as special conditions for waste disposal.

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.The well-known "Method for producing contact wires from copper-based alloys" (RU 2162764 publ. 04.02.1999), which contains magnesium 0.04 - 0.34% or tin together with one or more elements having a greater affinity for oxygen than tin, in a total amount of not more than 0.12%. After deformation-heat treatment, this alloy had an electrical conductivity of 96% IACS and a strength of 380 MPa. The disadvantage of this alloy is reduced strength. In addition, a significant disadvantage of this invention is the incomplete information on alloying elements having a greater affinity for oxygen than tin. It is known that the introduction of zirconium or chromium, which have a high affinity for oxygen, leads to low-quality castings and limits the use of these alloys as materials for the contact network.

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.Closest to the proposed invention is a copper alloy, proposed in the patent "Copper alloy" (US 6241831, publ. 05.06.2001). The invention relates to alloys of the Cu - Mg - P system and can be used as a material for the production of a contact wire. In the first embodiment, the present invention is an alloy of the Cu-Mg system containing 0.01 - 0.25 wt.% Magnesium, 0.01 - 0.2 wt.% Phosphorus, 0.001 - 0.1 wt.% Silver, 0 , 01 - 0.25 wt.% Iron, the rest is copper and inevitable impurities, preferably the ratio Mg / P is more than 1.0. The second embodiment of the present invention is an alloy of the Cu-Mg system containing 0.01 - 0.25 wt.% Magnesium, 0.01 - 0.2 wt.% Phosphorus, 0.001 - 0.1 wt.% Silver, 0, 05 - 0.2 wt.% Nickel, the rest is copper and inevitable impurities, including cobalt. The alloy has increased strength (540-550 MPa), high electrical conductivity (90% IACS), thermal stability and processability.

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.A significant disadvantage of this alloy is the complex alloying and the presence in the composition of an expensive alloying element of silver, which significantly increases the cost of the process and the cost of the contact wire. In addition, the achieved strength is insufficient for the reliable movement of high-speed trains with a speed of more than 300 km / h.

Задачей предлагаемого изобретение является разработка сплава, обладающего повышенной прочностью, высокой электропроводностью, термической стойкостью и технологичностью.The objective of the invention is the development of an alloy having high strength, high electrical conductivity, thermal stability and manufacturability.

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.To solve this problem, an alloy based on copper is proposed, containing copper, magnesium and mischmetal МЦ50Ж3, which includes Ce, La, Nd and Fe, with the following ratio of components, wt.%: 0.15-0.35 Mg, 0, 05-0.1 mishmetal MTsZhZh3, copper - the rest.

Предложенный сплав отличается от прототипа тем, что содержит следующие компоненты в мас. %:The proposed alloy differs from the prototype in that it contains the following components in wt. %:

Магний 0,15-0,35Magnesium 0.15-0.35

Мишметалл МЦ50Ж3 0,05-0,1Mischmetal МЦ50Ж3 0.05-0.1

Медь остальное.Copper is the rest.

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.The technical result of the invention is the resulting chemical composition, providing the optimal ratio of strength, electrical conductivity, heat resistance and manufacturability of a copper alloy, and allowing its use as a contact material of a high-speed rail transport network.

В составе сплава компоненты проявляют себя следующим образом.In the composition of the alloy, the components manifest themselves as follows.

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.Thanks to the proposed combination of alloying elements in a copper alloy, it is possible to obtain a unique microstructural design. The optimum magnesium content in the range 0.15-0.35% is necessary for solid solution alloying. Alloying with magnesium provides solid solution hardening, and also facilitates the accumulation of dislocations in the material, increases the efficiency of strain hardening with large plastic deformation. Alloying an alloy with magnesium of less than 0.15% leads to a strong decrease in strength properties, and its addition above the stated limits entails a strong drop in the electrical conductivity of the material.

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. The addition of mischmetal not only does not reduce the electrical conductivity of copper alloys, but due to the binding of atomic oxygen, which is in the solid solution after casting, to the particles, the dispersed particles ensure its conservation or slight improvement. Dispersed oxides of mischmetal elements are insoluble in the process of deformation and contribute to the stabilization of the structure formed during the deformation action, inhibiting grain growth and contributing to an increase in the heat resistance of the alloy. In addition, microalloying with mischmetal contributes to additional dispersion hardening. The addition of mischmetal in excess of 0.1% leads to the formation of coarse brittle particles in the structure of the cast alloy, which reduce the technological plasticity of the material and contribute to cracking of the workpiece during deformation processing.

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.The addition of magnesium and mischmetal within the stated limits allows to increase the strength characteristics and thermal stability, while maintaining the manufacturability and electrical conductivity of the copper alloy for the high-speed rail transport contact network at a high level. Increasing the strength of the wire will provide an opportunity to increase the speed of rail vehicles more than 350 km / h.

Пример осуществленияImplementation example

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. Two alloys were cast with the chemical composition shown in Table 1. The alloys were homogenized at a temperature of 800 ° C for 1 h, followed by cooling into water. After this heat treatment, the alloys were subjected to hot forging and deformation at room temperature with a total degree of deformation ε = 4.

Таблица 1. Химический состав разработанных сплавовTable 1. The chemical composition of the developed alloys

№ сплаваAlloy number Mg, масс. %Mg, mass. % Мишметалл МЦ50Ж3, масс. % Mischmetal MTsZhZH3, mass. % Cu, масс. %Cu, mass. % 1one 0,170.17 0,070,07 остальноеrest 22 0,340.34 0,090.09 остальноеrest

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 (σ_В) 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.Table 2 shows the operational characteristics of high-strength copper-magnesium alloy after thermomechanical processing. Uniaxial tensile tests were carried out at room temperature according to GOST 1497-84 on an Instron 5882 test machine in order to determine the tensile strength (σ _B ) and elongation (δ). The electrical conductivity was determined by the eddy current method in accordance with GOST 27333-87. Thermal resistance was evaluated by softening after annealing for an hour at a temperature of 300 ° C. Manufacturability was assessed by the presence of cracks and casting defects using visual observation and flaw detection using an eddy current flaw detector VD-70 (NPK LUCH), respectively.

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.As can be seen from table 2, a set of operational properties of the alloys allows the use of these materials for the manufacture of contact wire profiles of high-speed railway transport. Alloying with magnesium in combination with mischmetal allows to obtain alloys with high strength, electrical conductivity, good heat resistance and processability.

Claims (5)

Высокопрочный медный сплав, содержащий медь и магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит мишметалл МЦ50Ж3 при следующем соотношении компонентов, мас.%: High-strength copper alloy containing copper and magnesium, characterized in that it additionally contains mischmetal МЦ50Ж3 in the following ratio of components, wt.%: Магний 0,15-0,35Magnesium 0.15-0.35 Мишметалл МЦ50Ж3 0,05-0,1Mischmetal МЦ50Ж3 0.05-0.1 Медь остальное. Copper is the rest.