Высокопрочный медный сплав
HIGHLY STRONG COPPER ALLOY

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
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) 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.