МЕДНАЯ ШИНА ПОЛУТВЕРДОГО СОСТОЯНИЯ

Полезная модель относится к металлургии, а именно к полуфабрикатам электротехнического назначения из меди.
Известны полуфабрикаты электротехнического назначения, изготавливаемые из меди и медных сплавов [1]. Наиболее просты в производстве полуфабрикаты из меди [2-4], поставляемые потребителям в мягком (отожженном) или твердом (нагартованном) состояниях. Мягкое состояние поставки достигается введением в технологический цикл окончательного (отделочного) отжига холоднокатаных или холоднотянутых на готовый размер полуфабрикатов, причем стремятся предусматривать проведение отжига в безокислительной (защитной) атмосфере 'с целью исключения последующего травления, ухудшающего экологическую ситуацию и приводящего, вместе с сопутствующими ему операциями, к повышению трудоемкости и энергоемкости, а также потерям дорогостоящего цветного металла при производстве продукции.
Российским и зарубежными стандартами оговорены эксплуатационные характеристики мягких, т.е. поставляемых в отожженном состоянии полуфабрикатов - в частности, медных шин, представленные в табл.1 [4-7].
Твердое состояние поставки достигается тем, что полуфабрикат подвергают упрочнению посредством операций холодной прокатки или волочения с регламентированной степенью деформации в чистовом проходе и в результате получают соответствующий уровень механических характеристик, представленный в табл.2 [4-7].
Широко известно, что медные шины мягкого состояния поставки применяют, как правило, в электроустановках, предназначенных для работы в условиях высоких токовых нагрузок при весьма низких рабочих напряжениях электрического тока (например, электропитание ванн, предназначенных для электролиза; распределительные щиты; шкафы управления и др.). Однако в ряде случаев, когда в эксплуатационных условиях возможны кратковременные, но значительные механические нагрузки, альтернативным является использование медных шин полутвердого состояния, имеющих повышенный уровень прочности по сравнению с мягкими шинами при сохранении достаточной пластичности. В этом отношении британский стандарт BS 1432 [5] является единственным, в котором регламентированы механические характеристики полутвердых медных шин; эти шины приняты в качестве прототипа. Конкретно, стандартом BS 1432 нормированы следующие требования:
в
- предел прочности σ≥250 МПа;
01
- предел текучести σ=170-23 0 МПа;
- относительное удлинение σ=10-15%;
- отсутствие трещин при изгибе под углом 180° вокруг оправки с радиусом, равным толщине шины.
Недостатком объекта по прототипу являются трудности, связанные с необходимостью определения по стандартной методике таких механических характеристик как предел прочности (временное сопротивление) и относительное удлинение, т.к. испытанию на разрыв подвергают стандартные образцы, для изготовления которых требуется ряд дополнительных операций - отбор отрезков медных шин соответствующего состояния, их продольная резка на заготовки для механической обработки и последующее вытачивание образцов на токарном станке. Это порождает необходимость иметь на производственных площадях (например, в ЦЗЛ) парк станочного оборудования с соответствующим инструментальным хозяйством, штатами, дополнительным расходом электроэнергии и т.д.
Другим недостатком прототипа является сложность оценки состояния поверхности по наличию на ней трещин при изгибе шины под углом 90 или 180 градусов в связи со следующими обстоятельствами.
1. В стандартах не приведена информация о том, в каком именно месте изгиба (по внутренней или по наружной дуге) следует фиксировать трещины.
2. Отсутствие видимых невооруженным глазом трещин не гарантирует требуемого потребителем качества поверхности шин из-за присутствия на ней в некоторых случаях весьма грубой, бугристой фактуры, которая ухудшает товарный вид проводников электрического тока, изготовленных посредством операций гибки медных шин.
Указанный недостаток создает предпосылки для субъективной оценки при выполнении этого требования, что нередко имеет место на практике и порождает неопределенность при аттестации изделий. В связи с этим в последнее время складывается тенденция к поиску более простых способов оценки уровня характеристик качества готовых медных шин.
Задачей предлагаемого технического решения является существенное упрощение определения эксплуатационных характеристик полутвердых медных шин, а также удовлетворение повышенных требований потребителей к качеству их поверхности.
Поставленная задача решается тем, что у известной медной шины из электротехнической меди полутвердого состояния, имеющей прямоугольную форму в сечении, перпендикулярной длине шины, и выполненной с изгибом по упомянутому сечению, поверхность шины по наружной дуге места изгиба имеет параметр шероховатости Ra не более 2,5 мкм. Кроме того, поверхности шины, параллельные длине, имеют параметр твердости по Бринеллю ИВ от 640 до 770 МПа.
Известно, что пластические свойства металлопродукции тесно связаны с размером зерен структуры металла: чем мельче зерно, тем выше пластичность - см., например, [10, с.147, рис.75]. Одним из видов качественной оценки уровня пластических свойств, в частности медных шин, является испытание на изгиб, проводимое, как правило, в двух вариантах - при изгибе на угол 90 или 180 градусов (вокруг оправки или без нее). Отрицательным результатом испытания считается наличие растрескивания в месте изгиба, положительным - отсутствие трещин. Вместе с тем, сохранить при этом испытании исходный (т.е. первоначальный до испытания) уровень состояния поверхности шин, особенно
если они находятся в нагартованном или полунагартованном состоянии, весьма затруднительно; и вследствие холодной пластической деформации место изгиба приобретает характерный вид неровной, бугристой поверхности, получившей название "апельсиновой корки" [11]. В [11] указано, что "этот эффект состоит в образовании на поверхности проката или проволоки волнистости, видимой невооруженным взглядом и вызванной возникновением крупной зернистости металла. Эффект апельсиновом корки может появиться на поверхности звеньев цепи или на штампованных деталях". Таким образом, в [11] подчеркнуто, что появлению этого эффекта способствует операция гибки при формовке изделия.
Это состояние поверхности легко идентифицировать визуально, без каких-либо увеличивающих оптических приборов (фигура), причем у некоторых видов медных фасонных электротехнических профилей подобное состояние называют "рожистой" поверхностью [12].
Наличие фактуры поверхности в виде грубой апельсиновой корки ухудшает товарный вид изделий при проведении гибочных операций с шинами в процессе их формовки и монтажа, в связи с чем в заявляемой полезной модели предлагается ввести ограничение верхнего значения шероховатости поверхности по наружной дуге места изгиба образца шины, при испытании его на изгиб на угол 90 или 180 градусов, не более Ra=2,5 мкм. Ниже приведено обоснование этого верхнего значения Ra=2,5 мкм.
Уровень шероховатости шины нормативным документом (ГОСТ 434-78 [4]) не регламентируется и должен укладываться в рамки двойного предельного отклонения размеров сечения. Так, при изготовлении медной шины 5х50 мм эта величина на размере 5 мм, т.е. по большой стороне сечения шины, составляет 0,05 мм (50 мкм). Отсюда следует вывод, что ограничение верхнего предела значения шероховатости, равного (согласно градации ГОСТ 2789-88) Ra=2,5 мкм, является вполне обоснованным и в должной мере удовлетворяющим требования потребителей продукции. Количественная оценка шероховатости по ГОСТ 2789-88 при необходимости проводится с помощью прибора измерения шероховатости, простого в эксплуатации и не требующего существенных затрат времени и труда при испытании; качественная оценка, как указано выше, - невооруженным глазом по наличию апельсиновой корки (фигура). Следует также отметить, что факт появления апельсиновой корки характеризует предельное, но удовлетворительное состояние еще вполне годного металла, так как следующая за этим состоянием стадия - появление трещин - свидетельство потери пластичности ниже нормативного уровня.
Обоснование ликвидации в предлагаемой полезной модели недостатка, порожденного трудностями определения предела прочности и относительного удлинения, изложено ниже.
в
Существует исключительно простое в использовании, но весьма точное соотношение между числом твердости по Бринеллю и пределом прочности испытываемого образца, которое для меди записывается в виде σ=0,48 НВ [8, с.101]. Вполне достоверная информация, полученная на основе статистического анализа результатов многочисленных заводских исследований, касающихся соотношения о-в и НВ для меди, свидетельствует: отклонение от указанного в [8] переводного коэффициента, равного 0,48, составляет
в
±0,4...0,5%. Это обстоятельство позволяет избавиться от известного недостатка объекта по прототипу - необходимости определения σ и δ, а вместо них определять НВ, что значительно проще. Действительно, при определении НВ нет необходимости специально изготавливать стандартные разрывные образцы; для этой цели вполне подходят необработанные образцы медных шин, отрезанные от готового полуфабриката механическими ножницами или дисковой пилой непосредственно в производственных условиях.
в
в
в
в
в
Таким образом, для шин полутвердого состояния поставки при переходе к оценке их прочностного уровня от σ к НВ с использованием соотношения σ=0,48 НВ получается значение нижнего предела твердости по Бринеллю, равное 250/0,48=521 МПа. Для гарантии стабильного уровня прочностных и пластических характеристик (σ, НВ и 8), соответствующего требованиям стандартов, они должны находиться в следующих пределах: σ=300-370 МПа, НВ=640-770 МПа, δ=10-15%; этот регламент соответствует значительному объему статистических производственных данных и в полной мере отвечает требованиям стандартов для полутвердых шин. Приведенная выше корреляция между σ, НВ и δ подтверждается их графическими зависимостями от степени холодной деформации ε, представленными, в частности, в [9, с.36, рис.24 и 26]. На практике, согласно рекомендации [8], значение предела прочности, вычисленное по твердости, следует округлять до целого числа.
0
1
0
0
1
в
Предлагаемый уровень твердости (640-770 МПа) и отсутствие грубой апельсиновой корки на поверхности шины по наружной дуге места ее изгиба при испытаниях достигаются следующими приемами обработки. Шины изготавливают из горячепрессованных заготовок за два прохода волочения с промежуточным отжигом между ними; чистовое волочение проводят с пониженной степенью деформации ε=7-10% по сравнению с традиционной схемой изготовления твердых шин. При этом степень деформации рассчитывают по равенству ε=[(h-h)/h]×100%, где h и h - соответственно. толщина полосы до и после прохода волочения. Применение верхнего предела степени деформации ε, равного 10%, обусловлено требованием сохранения надлежащего уровня пластических свойств, конкретно - относительного удлинения 5 не менее 10%. Применение нижнего предела ε=7% порождено необходимостью достижения требуемого по стандарту значения σ, или, что практически то же самое (как показано в материалах описания), определенного числа НВ.
Для компенсации негативного влияния "заплывания" канала прессовых матриц - явления, обычно имеющего место на производстве, поперечному сечению канала придали форму двояковыпуклого по большим сторонам четырехугольника, тем самым одновременно увеличив сечение исходных заготовок с таким расчетом, чтобы первый проход волочения проводить со степенью деформации не менее 20%.
Выбор пределов ε=20-28% в первом проходе волочения связан с необходимостью, во-первых, достаточно полной проработки структуры металла горячепрессованной заготовки, и, во-вторых, с весьма широким полем допуска на ее толщину равным, согласно заводской нормали, ±0,5 мм.
После поиска оптимального варианта промежуточного отжига подтяжки, протянутой на предчистовые размеры из прессованной заготовки, и опробования температурно-временных режимов рекристаллизационного отжига в различных агрегатах (лабораторных печах, камерной электропечи, проходной роликовой печи и конвейерной печи с водяными затворами) стабильные результаты по соответствию качества шин требованиям стандарта BS1432 были получены при отжиге заготовок в виде бунтов в конвейерной печи при температуре на металле, равной (650±30)°С. Полноту прохождения процесса рекристаллизации проверяли приборами для измерения электропроводности меди непосредственно на шинах в цеховых условиях. Оговоренный температурный интервал (650±30)°С обусловлен, с одной стороны, необходимостью полного протекания процесса рекристаллизации металла, деформированного в первом проходе волочения, а с другой стороны - ограничением роста размеров зерен, интенсифицирующегося с повышением температуры в рабочем пространстве печи.
При соблюдении вышеприведенных параметров технологического регламента фактические значения шероховатости, измеренные посредством профилографа - профилометра модели П-14 по наружной дуге места изгиба образцов шин как на угол 90, так и на угол 180 градусов, составили Ra=1,8-2,1 мкм, т.е. они гарантированно не превышают надлежащего уровня шероховатости Ra=2,5 мкм, указанного в заявляемой полезной модели.
Технический результат от применения заявляемой полезной модели заключается в снижении трудоемкости и упрощении определения уровня качественных и количественных характеристик продукции как у производителя, так и у потребителей медных шин полутвердого состояния поставки.
Таблица 1
Требования стандартов к механическим свойствам мягких (отожженных) шин
Характеристики
Номер стандарта, страна
ГОСТ 434-78, Россия
BS 1432, Великобритания
DIN 40500.3, Германия
В187М, США
Предел прочности G<sub>в</sub>, МПа
270-310
210-250
200-250
193-255
Предел текучести G<sub>01</sub>, МПа
-
140-200
≤120 (02)
-
Твердость по Бринеллю НВ,МПа
450-600
≤50 по Роквеллу, шкала F
Относительное удлинение S,%
35-40
≥35
≥32(А<sub>10</sub>) ≥38(А<sub>5</sub>)
≥25
Испытание на изгиб
Изгиб на угол 90° только для шин из бескислородной меди
Изгиб на угол 180°
Таблица 2
Требования стандартов к механическим свойствам твердых (холоднодеформированных) шин
Характеристики
Номер стандарта, страна
РОСТ 434-78, Россия
BS 1432, Великобритания
DIN 40500.3. Германия
В187М, США
Предел прочности G<sub>в</sub>, МПа
270-310
300-360
260-345 или 230-310 в зависимости от размеров
Предел текучести G<sub>01</sub>, МПа
-
220-260
≥250 (02)
-
Твердость по Бринеллю НВ, МПа
≥637
800-1050
≥80 или ≥60 по Роквеллу (F) в зависимости от размеров
Относительное удлинение δ,%
4-8
≥10(А<sub>10</sub>) ≥14(A<sub>5</sub>)
≥10 или ≥15 в зависимости от размеров
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Электротехнические материалы. Справочник /В.В.Березин, Н.С.Прохоров, Г.А.Рыков и др. М.: Энергоатом издат, 1983. 504 с.
2. ТУ 16.К71-003-87. Катанка медная. 1987. ОКП 184490. УДК 621.778-426:669.3:006.354. Группа В74.
3. ГОСТ 1535-91. Прутки медные. М.: Издательство стандартов. 13 с. УДК669.3-422:006.354. Группа В55.
4. ГОСТ 434-78. Проволока прямоугольного сечения, ленты и шины медные для электротехнических целей. М.: Издательство стандартов. 1989.с. 19. УДК669.3-426:006.354+669.3-418.2:006.354. Группа Е41.
5. Specification for Copper for Electrical Perposes, Rod and Bar. BS 1432:1977. Britigh Standard Institution, London, 20 p.
6. KupferfwEiektrotechnik. DIN 40500. Teil 3. DK 669.3-42:621.315.5:620.1. April, 1980. Nichteisen-metalle 1. DIN Taschenbuch 26. DIN Deutsches Institut fur Normunge.V.1984.S.353-356. DEUTSCH VERLAG GMBM. BERLIN. KOLN.
7. Standard Specification for Copper Bar, Bus Bar, Rod and Shepes [Metric]. Designation: B187M-97 METRIC. Annual Book ofASTM Standart, Vol 02.5.311-322.
8. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. М.: Машиностроение, 1990. 256 с.
9. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова В.А. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Металлургия, 1974. 488 с..
10. Золотаревский B.C. Механические свойства металлов. М: МИСИС, 1998. 400 с.
11. Эффект "апельсиновой корки"/ http://www.juvelinetec/process/process. htm?id=mec obr 2.
12. ТУ 16-501.011-73. Профиль фасонный электротехнический. УДК 669.21.8-42. Группа В55. ОКП 184480.