МЕДНЫЙ СПЛАВ ДЛЯ КОЛЛЕКТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
COPPER ALLOY FOR COLLECTORS OF ELECTRIC MACHINES

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на медной основе, предназначенным для изготовления холоднодеформированных профилей, служащих полуфабрикатами для изготовления коллекторных пластин электрических машин.
Коллекторный профиль представляет собой длинномерную полосу, имеющую в поперечном сечении трапецеидальную форму, причем трапеция является равнобедренной и вытянутой в направлении высоты. Сплавы для коллекторных профилей должны отвечать ряду требований, среди которых есть и противоречащие друг другу. Так, для обеспечения долговечности коллекторов они должны обладать высокой твердостью. Но, поскольку профили из них изготавливают методами холодной деформации, а коллекторные пластины - штамповкой, они одновременно должны обладать и хорошей обрабатываемостью. Обычно используемые легирующие добавки, повышающие твердость сплава, одновременно повышают и удельное сопротивление, что для коллекторных пластин крайне нежелательно. Кроме высокой электропроводности, сплав должен обладать стойкостью к искрению, устойчивостью к воздействию окислов азота и озона, хорошо свариваться и паяться мягкими и твердыми припоями.
Более того, сплав для коллекторных профилей должен иметь высокую повторяемость химического состава, электрических и механических свойств от слитка к слитку, от плавки к плавке и в долговременном аспекте. Основные технические и эксплуатационные свойства (прочностные свойства, износостойкость, удельное электрическое сопротивление и т.д.) изготавливаемых из него коллекторов электрических машин должны быть одинаковыми не только для каждой из пластин коллектора машины, но и для всей серии машин данного типа, которая может выпускаться на протяжении ряда лет. В высокой стабильности свойств сплава заинтересованы и производители коллекторных профилей, поскольку постоянство химического состава сплава, стабилизируя технологию, снижает брак при прессовании и волочении.
Известен холоднокатаный профиль для коллекторов электрических машин из сплава ЭК [патент РФ №2291910]. В состав сплава входят: олово - 0,1-0,24 масс. %, серебро - 0,02-0,08%, фосфор - до 0,015%, примеси - до 0,2% и медь.
Узкий диапазон содержания легирующих элементов в сплаве ЭК снижает стабильность технологического процесса получения литой заготовки (слитков). Для получения слитков из сплава ЭК преимущественно используются плавильные установки, оснащенные индукционной канальной печью типа ИЛК различной полезной емкости и индукционным канальным миксером ИЛКМ. Получение равномерного (однородного) химического состава расплава в двух плавильных емкостях крайне затруднительно. Это увеличивает процент брака по химсоставу, удорожая тем самым производство. Кроме того, относительно высокое содержание олова увеличивает его удельное электрическое сопротивление.
Известны стандартные профили для коллекторов электрических машин из медного сплава (безоловянной бронзы), легированного кадмием, марки БрКд1 [ГОСТ 4134-75 «Профили из медных сплавов для коллекторов электрических машин»]. В отношении химического состава сплава ГОСТ 4134-75 ссылается на ГОСТ 18175-78 «Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением», где отражено содержание основных компонентов и общей суммы примесей, без регламентирования отдельных примесей. А именно: кадмия 0,9-1,2%, примесей не более 0,30%, медь - остальное.
Недостатком известного сплава является дороговизна его изготовления, обусловленная токсичностью кадмия. По эффекту токсичности кадмий относится к 2-му классу и его использование требует применения дополнительных систем вентиляции и регенерации воздуха рабочей зоны, средств индивидуальной защиты обслуживающего персонала, дополнительных затрат, связанных с утилизацией неликвидных отходов производства и другими мероприятиями, направленными на обеспечение экологической безопасности производства.
Сплавом, наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату, является медный сплав, легированный магнием (безоловянная бронза) марки БрМг0,3 [ГОСТ 4134-75]. В отношении химического состава сплава ГОСТ 4134-75 ссылается на ГОСТ 18175-78, где отражено содержание основных компонентов и общей суммы примесей, без регламентирования отдельных примесей. А именно: магния 0,2-0,5%, примесей не более 0,2%, медь - остальное.
Недостатком известного сплава является непостоянство его свойств от партии к партии. Эта нестабильность обусловлена узостью диапазона содержания магния. Магний активно взаимодействует с кислородом и имеет высокое давление пара при температуре плавления. Из-за этого его содержание выходит за установленные пределы при малейших флуктуациях технологического процесса, что приводит к браку. Кроме того, нестабильность свойств сплава обусловлена еще и ненормированностью содержания в примесях конкретных химических элементов. Исследованиями последних лет установлено, что ряд химических элементов, содержание которых в известном сплаве не превышает допустимого уровня примесей, тем не менее оказывают заметное влияние на технологические и эксплуатационные свойства сплавов.
Даже в пределах допускаемых ГОСТом 0,2% примесей, многие химические элементы, например свинец, могут заметным образом влиять на свойства сплава и профиля, изготовляемого из него. Вполне возможно допустить, что в сплаве БрМг0,3 содержание, например, свинца составляет 0,16%, а сумма остальных определяемых примесей - 0,03%. Такой сплав будет соответствовать ГОСТ 18175-78. Но при таком содержании свинца обрабатываемость сплава значительно ухудшается, технология производства становится нестабильной, повышается удельное электрическое сопротивление. Вследствие этого достижение требуемых механических и электрических свойств становится проблематичным, а процент брака при изготовлении профилей и штамповке коллекторных пластин растет.
Разброс свойств по обрабатываемости вынуждает перенастраивать оборудование при получении новой партии материала, разброс электрических свойств и износостойкости не позволяют уверенно гарантировать высокий ресурс электрических машин.
Технические результаты настоящего изобретения состоят в создании низколегированного сплава, имеющего высокую повторяемость (долговременную стабильность) свойств от партии к партии, удешевлении холоднодеформируемого профиля из предложенного сплава за счет снижения потерь от брака, а также повышении долговечности коллекторов электрических машин, изготовленных из этого профиля.
Эти результаты достигаются тем, что предложенный медный сплав, легированный магнием, для коллекторов электрических машин, имеет химический состав, представленный в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав предлагаемого сплава MaC (Cu-Mg-Ag)
Химический состав, масс. %
Основные компоненты
Примеси, не более
Всего примесей, не более
Магний
Серебро
Медь
Pb
Fe
Zn
Sn
P
Si
0,1-0,6
0,02-0,1
остальное
0,01
0,02
0,01
0,01
0,01
0,02
0,2
Вариации содержания магния в заявленном диапазоне, как было установлено в ходе практического приготовления сплава, профилей из него и опытом практической эксплуатации электрических машин с коллекторами из предложенного сплава, не оказывают значимого влияния на его механические и электрические свойства. В то же время расширение пределов допустимого содержания магния по сравнению с прототипом повышает производительность процесса приготовления сплава, поскольку отпадает необходимость в скрупулезном отслеживании химсостава по магнию, тем более трудоемком, что магний легко окисляется и испаряется. Также опытным путем установлено, что свойства предложенного сплава от партии к партии более стабильны по сравнению с прототипом.
Экспериментальные и исследовательские работы показали, что при содержании магния в сплаве менее 0,1% возможно неполное раскисление меди и, кроме того, твердость и прочность сплава оказываются недостаточными.
2
6
С увеличением концентрации магния свыше 0,6% начинается быстрый рост удельного электрического сопротивления сплава (см. Фиг. 1). Небольшое повышение удельного сопротивления при возрастании содержания магния от 0,1 до 0,6% компенсируется включением в состав сплава серебра в количестве 0,02-0,1%). Это позволяет иметь на изделиях гарантированную электропроводность не менее 53 м/Ом·мм (ρ≈0,0189·10 Ом·м). Расходы на использование драгоценного металла многократно компенсируются снижением потерь от брака по химсоставу, электрическим свойствам и механическим характеристикам.
2
Кроме того, верхний предел содержания магния обусловлен и тем, что при его превышении становится значимым эффект дисперсионного твердения за счет выделения интерметаллида CuMg, что сильно ухудшает деформируемость (Фиг. 1).
Заявленные технические результаты достигаются при выполнении вышеуказанных условий по максимальному содержанию нормируемых примесей, суммарное содержание которых не должно превышать 0,08%. Примеси других элементов не оказывают заметного влияния на свойства сплава и потому их содержание поэлементно не нормируется. Превышение заявленного содержания по каждой из нормируемых примесей снижает механические и электрические характеристики сплава и профиля. Выполнение заявленных ограничений на содержание примесей не удорожает продукта, поскольку исходные материалы обычно обладают необходимой чистотой. Просто при входном контроле исходных материалов требуется обращать внимание на то, чтобы суммарное содержание каждой из примесей по всем материалам не превышало заявленного.
В результате проведенных исследовательских работ были определены и другие свойства предлагаемого к применению сплава, представленные в таблице 2.
Таблица 2
Механические свойства сплава MaC (Cu-Mg-Ag)
Температура литья, °C
1170-1200
Температура горячей обработки давлением, °C
830-870
Предел прочности при растяжении (временное сопротивление), σ<sub>В</sub> МПа
480
Относительное удлинение, δ%
10
Твердость, НВ
105
Гарантией получения указанных технических характеристик и свойств изделий из предлагаемого сплава являются следующие факторы:
- относительно широкий диапазон содержания основных элементов;
- жесткое регламентирование примесей;
- рациональная технология производства профилей из предлагаемого сплава.
Технологическая схема производства предлагаемого сплава и холоднодеформируемых профилей из него, обеспечивающая достижение заявленного технического результата, такова (размеры слитков и профиля показаны в качестве примера):
1. Получение литой заготовки (слитков) ⌀ 175 мм.
1.1 Получение расплава в печах типа ИЛК или ИЛТ.
При использовании чистого магния с целью исключения его взаимодействия с кислородом, плавка ведется в атмосфере генераторного газа.
1.2 Литье слитков ⌀ 175 мм полунепрерывным методом (температура литья 1170-1200°C).
1.3 Резка слитков на мерные заготовки размером 175×350 мм с использованием ленточнопильных или дисковых станков и с отбором темплетов для определения макроплотности (контроль качества плотности слитков).
2. Производство коллекторных профилей 3,17×6,09×100 мм.
2.1 Нагрев литой заготовки размером 175×350 мм в газовой нагревательной печи до температуры 830-870°C.
2.2 Прессование заготовки с использованием горизонтального гидравлического пресса усилием 15 МН. Размер получаемой прессованной заготовки 5×9,6×101,5 мм.
2.3 1-е волочение прессованной заготовки до размера 4,30×8,25×100,5 мм на цепном волочильном стане усилием 200 кН.
2.4 Отжиг заготовки при температуре 680°C в течение 90 мин в печи светлого отжига (атмосфера в печи - экзогаз).
2.5 2-е волочение до размера готовой продукции 3,17×6,09×100 мм на цепном волочильном стане усилием 200 кН.
2.6 Испытание механических свойств и проверка качественных показателей.
Предложенный сплав является экологически чистым, безопасным в производстве, высоко технологичным при обработке давлением, сварке и пайке. Характеристики профилей: прочностные свойства, жаропрочность, отсутствие водородной болезни, тепло- и электропроводность полностью обеспечивают выполнение требований к коллекторам электрических машин.
Использование предложенного сплава и вышеописанной технологии изготовления холоднодеформированного профиля из него практически сводит к нулю процент брака, как по свойствам слитков, так и по дефектам готового профиля. Стабильность технических и эксплуатационных свойств сплава подтверждается результатами испытаний.