СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ И ИЗНОСОСТОЙКИХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ХРОМОВЫХ ИЛИ ХРОМЦИРКОНИЕВЫХ БРОНЗ С НАНО- И МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ
PROCEDURE FOR FABRICATION OF HIGH STRENGTH AND WEAR RESISTANT ELECTRO-TECHNICAL ITEMS OF CHROMIUM OR CHROMIUM-ZINC BRONZE WITH NANO AND MICRO-CRYSTAL STRUCTURE

Изобретение относится к области производства контактных электротехнических изделий из хромовых или хромциркониевых бронз и может быть использовано, в частности, при изготовлении высокопрочных и износостойких электродов контактной сварки и электроконтактных проводов для электротранспорта.
Хромовые и хромциркониевые бронзы, обладая удачным сочетанием механических и электрофизических характеристик, востребованных в электротехнике, представляют наиболее распространенный материал в контактных сварочных машинах и системе подачи электроэнергии электротранспорта, в связи с чем актуально и перспективно выявление технологических резервов повышения основных механических и эксплуатационных свойств этих материалов.
Е
Однако известные в уровне техники пути обеспечения оптимального сочетания механических свойств (твердости для электродов и предела текучести для проводов при заданном значении удельного электросопротивления - не менее 80% от величины удельного электросопротивления чистой меди) и такого общего для рассматриваемых электроконтактных изделий из хромовых и хромциркониевых бронз эксплуатационного свойства, как износостойкость, технологически усложнены и ограничены по достигаемым величинам твердости и прочности, а также показателям микроструктуры хромовых бронз, значительно влияющим на ресурс указанных изделий (см., например, механические характеристики: твердость электродного прутка из меднохромового сплава CW105C - 140-185HV и из бронзы БрХ0,9 - 78-83HRB в патенте РФ на изобретение «Способ термодеформационной обработки прутков из хромовой бронзы» №2327807, C22F 1/08, 2008, а также предел прочности σ проволоки из бронзы БрХЦрК - ~560 МПа в патенте РФ на изобретение «Способ термодеформационной обработки проволоки из бронзы БрХЦрК» №2347007, C22F 1/08, В21С 1/00, 2009).
Вместе с тем механизм формирования оптимальной микроструктуры хромовых и хромциркониевых бронз в способах по приведенным патентам РФ представляет собой реализацию процесса горячего прессования через матрицу с каналом нарезанных заготовок для подготовки структуры указанных бронз к формообразованию методом волочения с предварительной закалкой в воде полученных прутковых заготовок после горячего прессования и последующим старением готовых прутков (патент РФ №2327807) или эффекта термической обработки заготовок из таких же бронз с добавкой кальция для подготовки их структуры к такому же формообразованию волочением с низкотемпературным отпуском промежуточных заготовок и окончательным отпуском при более высокой температуре готовой проволоки (патент РФ №2347007), в связи с чем эти способы-аналоги основаны на иной в сравнении с заявляемым способом технологии изготовления электротехнических изделий (электродов контактной сварки и электроконтактных проводов для электротранспорта).
Поэтому заявитель выбрал вариант оформления формулы и описания заявляемого изобретения без прототипа.
Технический результат предлагаемого способа изготовления высокопрочных и износостойких электротехнических изделий из хромовых и хромциркониевых бронз с нано- и субмикрокристаллической структурой - повышение технологичности изготовления при значительном повышении таких эксплуатационных характеристик изделий, как износостойкость в результате обеспечения сочетания прочности и электропроводности заготовок при изготовлении за счет улучшения структуры материала изделий и увеличения в итоге на уровне скачка механических свойств материала - хромциркониевой бронзы (твердости и прочности) готовых изделий, а также создание общей технологической основы для формирования нано- и микрокристаллической структуры бронз при изготовлении из них широкого ассортимента электроконтактных изделий (от электродов контактной сварки до электроконтактных проводов для электротранспорта и других подобных изделий).
opt
Для достижения указанного технического результата предлагается способ изготовления высокопрочных и износостойких электротехнических изделий из хромовых или хромциркониевых бронз с нано- и субмикрокристаллической структурой, характеризующийся тем, что исходные заготовки из бронз подвергают многоцикловому равноканальному угловому прессованию со скоростью 0,4 мм/сек при комнатной температуре при общем числе циклов, обеспечивающих уменьшение среднего размера зерна бронзы до размера зерна d, величину которого предварительно определяют в зависимости от состава бронзы с помощью выражения:
где b - вектор Бюргерса (м);
G - модуль сдвига сплава (МПа);
ν - коэффициент Пуассона (безразмерная величина);
σ - внешнее приложенное напряжение (МПа);
i
(b)
σ  - внутренние напряжения от неравновесных границ зерен (МПа);
далее заготовки отжигают на воздухе в одну или две стадии при температуре 75-450°С в течение времени от 5 мин до 200 ч с последующим формообразованием из них электротехнических изделий.
opt
Работоспособность выражения (1) для хромовых и хромциркониевых бронз подтверждена экспериментально с уменьшением максимальных механических характеристик (твердости и прочности) на 10-15% при отклонении среднего размера зерна на ~15% от оцененного с помощью выражения (1) размера зерна d.
opt
При изготовлении электродов для контактной сварки заготовки из бронзы БрХ1Цр подвергают равноканальному угловому прессованию со скоростью 0,4 мм/сек при комнатной температуре при общем числе циклов прессования, равном 8, обеспечивающих уменьшение предварительно определенного среднего размера зерна бронзы d до 0,3 мкм, отжигу в две стадии на воздухе при 100°С в течение 10 мин и при 400°С в течение 10 ч с получением заготовок электродов для контактной сварки с твердостью 220 HV, пределом прочности 800 МПа при величине электропроводности бронзы, равной 80% от величины электропроводности чистой меди, с последующей токарной обработкой.
opt
При изготовлении электроконтактных проводов исходные заготовки из бронзы БрХ1Цр подвергают равноканальному угловому прессованию со скоростью 0,4 мм/сек при комнатной температуре при общем числе циклов прессования, равном 12, обеспечивающих уменьшение предварительно определенного среднего размера зерна бронзы d до 0,5 мкм, отжигу в две стадии на воздухе при 440°С в течение 1 ч с получением заготовок электроконтактного провода с твердостью 200 HV, пределом текучести 650 МПа при величине электропроводности бронзы, равной 80% от величины электропроводности чистой меди, с последующим холодным волочением.
opt
opt
На фиг.1 показана микроструктура с размером зерна d≈0,3 мкм хромциркониевой бронзы БрХ1Цр после равноканального углового прессования со скоростью 0,4 мм/сек при комнатной температуре при общем числе циклов прессования, равном 8, в примере изготовления электродов контактной сварки; на фиг.2 - расчетная и экспериментальная зависимости предела текучести от размера зерна на примере структуры на основе меди в состоянии после равноканального углового прессования, послужившие обоснованием выведения экспериментально подтвержденного и предлагаемого в заявляемом способе выражения (1) для определения размера зерна d хромовых и хромциркониевых бронз.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. При изготовлении электродов контактной сварки исходные закаленные крупнокристаллические слитки хромциркониевой бронзы марки БрХ1Цр состава Cu - 0,8 вес.% Cr - 0,05 вес.% Zr (с начальным размером зерна ~100 мкм) размером 20×20×200 мм подвергают 8-ми циклам прессования в инструменте с углом пересечения рабочего и выходного каналов 90° на установке для равноканального углового прессования по маршруту 8 с (заготовку перед каждым повторным циклом поворачивают на угол 90° вокруг своей продольной оси) со скоростью деформации 0,4 мм/сек при комнатной температуре деформации.
opt
Затем полученные заготовки (с предварительно оцененным с помощью выражения (1) размером зерна d=0,3 мкм и достигнутым после 8-ми циклов прессования, - см. фиг.1) с промежуточной твердостью - 130HV последовательно отжигают на воздухе при 100°С в течение 10 мин и при 400°С в течение 10 ч для осуществления операции дисперсного упрочнения (выделения и роста нанодисперсных частиц хрома и циркония из медной структурной матрицы) с повышением твердости заготовок электродов до 220HV и обеспечением предела прочности - 800МПа и электропроводности бронзы - 80% от величины электропроводности чистой меди.
После чего производят токарную обработку отожженных заготовок под электроды контактной сварки.
opt
Аналогично изготовление электроконтактных проводов для электротранспорта с выполнением 12-ти циклов равноканального углового прессования закаленной крупнозернистой хромциркониевой бронзы БрХ1Цр состава Cu - 0,6 вес.% Cr - 0,1 вес.% Zr (с начальным размером зерна ~100 мкм) до измельчения структуры бронзы с достижением предварительно оцененного с помощью выражения (1) оптимального размера зерна d≈0,5 мкм и отжигом на воздухе подвергнутых прессованию заготовок при 440°С в течение 1 ч с обеспечением твердости заготовки электроконтактного провода - 200 HV, предела текучести - 650 МПа и электропроводности бронзы - 80% от величины электропроводности чистой меди с последующим холодным волочением заготовок.
Далее приведены дополнительные примеры получения свойств бронз при изготовлении электродов контактной сварки:
opt
а) Хромовая бронза БрХ0,5 (Cu - 0,5 вес.% Cr) после выполнения 10-ти циклов равноканального углового прессования до уменьшения среднего размера зерна бронзы до предварительно оцененного с помощью выражения (1) размера зерна d≈0,5 мкм и отжига на воздухе подвергнутых прессованию заготовок при 250°С в течение 6 ч с обеспечением твердости заготовки электрода - 155HV.
opt
б) Хромциркониевая бронза БрХ1Цр (Cu - 0,8 вес.% Cr - 0,05 вес.% Zr) после выполнения 8-ми циклов равноканального углового прессования до уменьшения среднего размера зерна бронзы до предварительно оцененного с помощью выражения (1) размера зерна d≈0,3 мкм и отжига на воздухе подвергнутых прессованию заготовок при 400°С в течение 6 ч с обеспечением твердости заготовки электрода - 200HV.
opt
Выражение (1) для среднего размера зерна d структуры, соответствующего максимальному увеличению механических свойств - пределу текучести (как показано на подобной кривой для НМК меди М1 на фиг.2) и соответственно твердости, величина которой пропорциональна пределу текучести, выведено в результате расчетной оценки размера зерна нано- и микрокристаллической меди, полученной методом интенсивного пластического деформирования, при котором обеспечивается ее максимальная прочность, и соответствующей структурному состоянию ее низколегированному сплаву - бронзе (см. статью Чувильдеева В.Н. и др. Условия применимости соотношения Холла-Петча для нано- и микрокристаллических металлов, полученных методами интенсивного пластического деформирования - Деформация и разрушение материалов. 2009, №12, с.27).
opt
opt
Причиной уменьшения прочности при отклонении от среднего размера зерна d на фиг.2 в меньшую сторону является затрудненность процесса формирования дислокационных скоплений у неравновесных границ зерен нано- и микрокристаллической структуры (уровень внутренних напряжений от неравновесных границ зерен становится столь велик, что дислокационные скопления больше уже не могут образовываться). Причиной уменьшения прочности при отклонении от среднего размера зерна d в большую сторону является недостаточно малый размер зерна (чем меньше размер зерна, тем прочнее низколегированный сплав на основе меди при условии, что образуются дислокационные скопления).
opt
Пример расчета среднего размера зерна d с помощью выражения (1) для бронзы БрХ1Цр:
-6
(b)
i
opt
При исходных векторе Бюргерса b=2,56·10м [1], модуле сдвига G=42100 МПа [1], коэффициенте Пуассона v=0,38 [2], внешнем приложенном напряжении σ=800 МПа, соответствующем экспериментальным данным по пределу прочности, и внутренних напряжениях от неравновесных границ зерен σ =200 МПа [3] с помощью расчетного выражения (1) получаем расчетную d=0,37 мкм, согласующуюся с экспериментально получаемой (при скорости многоциклового равноканального углового прессования 0,4 мм/сек при комнатной температуре) величиной искомого среднего размера зерна.
Данные для расчета взяты из источников:
[1] Фрост Г.Дж., Эшби М.Ф. Карты механизмов деформации. Челябинск, «Металлургия», 1989, с.328.
[2] Физические величины. Справочник. Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М., Энергоатом издат, 1991, с.1232.
[3] Segal V.M., Beyerlein I.J, Tome C.N., ChuviI'deev V.N., Kopylov V.I. Fundamentals and Engineering of Severe Plastic Deformation - New York, Nova Science Publishers, 2010, p.549.
Контактные электротехнические изделия, изготовленные предлагаемым способом, обладают повышенными механическими (прочностными) и эксплуатационными (износостойкостью) свойствами материала (хромциркониевых бронз) по сравнению с известными аналогами, а также характеризуются более высокой технологичностью достижения при изготовлении требуемых свойств хромовых и хромциркониевых бронз.
Кроме того, заявляемый способ создает общую технологическую основу для формирования нано- и микрокристаллической структуры бронз при изготовлении из них широкого ассортимента электроконтактных изделий (от электродов контактной сварки, электроконтактных проводов для электротранспорта до других электротехнических изделий специального назначения, элементов СВЧ-техники и метаматериалов подобных изделий).