ПРОВОЛОКА ИЗ НИКЕЛЕХРОМОВОКРЕМНИЕВОЙ БРОНЗЫ

Полезная модель относится к области цветной металлургии, а именно - к проволоке из сплава БрНХК, предназначенной для изготовления ответственных электрических контактов.
Известны изделия, в частности проволока, выполненная из низколегированных медных сплавов [1]. Важнейшими свойствами низколегированных медных сплавов являются их высокие тепло- и электропроводность, соизмеримые с одноименными характеристиками меди, что во многих случаях использования позволяет квалифицировать их как единственные материалы, обеспечивающие необходимую работоспособность изделий, в том числе проволоки, предназначенной для изготовления электрических контактов ответственного назначения. Наиболее широко применяемыми сплавами этого типа считаются хромовые бронзы, а также более сложные хромсодержащие медные низколегированные сплавы, которые упрочняют закалкой и старением, в результате которого происходит выделение из твердого раствора как самого хрома, так и хромсодержащих химических соединений. Значительный ряд сложнолегированных хромсодержащих сплавов обладает уникальным сочетанием свойств, что позволяет использовать их в электротехнике, электронике, приборостроении и других наукоемких отраслях промышленности [1, 4].
К числу весьма распространенных низколегированных медных сплавов относят бронзу марки БрНХК 2,5-0,7-0,6 следующего химического состава: 2,2-2,8% Ni; 0,5-1,0% Cr; 0,5-0,9% Si; медь - остальное [1, табл.16]. В [1, с.169] приведены также режимы ее термообработки, обеспечивающие достижение оптимального сочетания прочностных и пластических свойств, жаропрочности, тепло- и электропроводности, что позволяет считать сплав БрНХК одним из самых перспективных материалов широкого назначения. Далее в [1] отмечено, что сплав БрНХК вполне может заменить кобальт - и никелебериллиевые бронзы, гораздо более дорогостоящие и дефицитные.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является проволока из сплава БрНХК2,5-0,7-0,6 [2] с химическим составом, соответствующим следующим требованиям: 2,2-2,8% Ni; 0,5-1,0% Cr; 0,4-0,8% Si; остальное - медь. Проволока должна поставляться в холоднодеформированном после закалки состоянии; ее механические свойства в состоянии поставки должны
в
10
в
2
быть следующими: временное сопротивление разрыву σ=490,5-736 МПа; относительное удлинение δ=1-8%; удельное электросопротивление ρ в состоянии поставки не регламентировано. Свойства, проверенные на образцах после старения, должны составлять: σ≥736 МПа; δ не регламентировано; ρ≤0,05 Ом·мм/м [2].
При использовании в качестве материала проволоки сплава по прототипу выявляются следующие недостатки. Временное сопротивление разрыву (предел прочности) значительного количества проволоки диам. 1,8-3,5 мм не достигает требуемых по ТУ [2] значений предела прочности на образцах после старения, что резко снижает выход годного - до 47-51% (от прессованной заготовки) при плановом 72,5% - в частности на производстве заявителя и приводит к серьезным материальным потерям - особенно с учетом того, что наиболее часто заказываемые промышленные партии проволоки относятся к указанному диапазону диаметров.
3
2
Согласно [3] упрочнение рассматриваемого сплава происходит при наличии двух интерметаллических соединений - силицида хрома СrSi и силицида никеля NiSi. Известно [1], что при кристаллизации сплава в процессе затвердевания слитка хром выделяется в свободном виде в форме мелкодисперсных частиц. С высокой долей вероятности можно предположить, что выделившиеся в процессе затвердевания частицы свободного хрома вступают во взаимодействие с находящимся в сплаве кремнием, и в результате образуется силицид хрома. При дальнейшей термической и пластической обработке это количество частиц силицида хрома остается неизменным, может лишь изменяться их форма. Последнее установлено заявителем в процессе исследования микрошлифов сплава даже при относительно небольшом увеличении (×200). В отличие от силицида хрома силицид никеля образуется, как правило, при старении [1].
Химический анализ отобранных от промышленных партий образцов, проведенный заявителем, показал, что в сплаве, имеющем надлежащий предел прочности в результате дисперсионного твердения, (то есть после старения), содержание кремния составляет не ниже 0,6%, а в сплаве с недостаточным пределом прочности содержание кремния находится в интервале 0,3-0,4%, то есть либо ниже нижнего предела, установленного в ТУ [2] и равного 0,4%, либо едва достигает его. Таким образом, наиболее вероятной причиной снижения предела прочности проволоки из сплава БрНХК по сравнению с нормативным следует признать недостаточное содержание кремния, необходимого для образования силицида никеля при старении [4].
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение потребительских качеств продукции, конкретно - достижение высоких и стабильных значений временного сопротивления разрыву в интервале 785-844 МПа проволоки из бронзы БрНХК2,5-0,7-0,6 после закалки, волочения и старения.
Поставленная задача решается тем, что бронза, из которой выполнена проволока, содержит 0,60-0,80 масс.% кремния.
За счет значительного (1,5-кратного) повышения нижнего предела содержания кремния в сплаве по сравнению с прототипом достигнуты стабильные и повышенные значения предела прочности проволоки из никелехромокремниевой бронзы, то есть решена задача полезной модели. Следует подчеркнуть, что нижний предел концентрации кремния в заявленной полезной модели не случайно зафиксирован в виде 0,60%, а не 0,6%, то есть это означает, что недопустимо округление значения концентрации до 0,6% при ее фактической величине, не достигающей 0,6%, например, 0,59%.
С целью изучения влияния содержания кремния в сплаве на уровень предела прочности готовой проволоки после осуществления полного цикла операций ее термодеформационной обработки заявителем проведена соответствующая НИР, результаты которой в кратком изложении приведены ниже.
Были проведены контрольные плавки, предусматривающие повышенное содержание в шихте кремния с таким расчетом, чтобы получить концентрацию кремния в готовом сплаве в интервале 0,60-0,80%. С целью достижения гарантированного содержания легирующих химический состав сплава контролировали как с помощью спектрального анализа, так и химическим методом. Расхождение результатов обеих методик по содержанию кремния на промышленных партиях готовой проволоки составило не более 0,02%, что следует считать вполне удовлетворительным результатом. Получены следующие данные по распределению значений предела прочности образцов готовой проволоки после закалки, волочения и старения:
σ<sub>в</sub>, МПа
доля в процентах
<736
3,4
736-746
1,1
747-785
16,5
>785
79.
в
Таким образом, при заявленной в полезной модели концентрации кремния в диапазоне 0,60-0,80% практически все партии готовой проволоки отвечают требованию нормативного документа по σ. На основании результатов проведенных контрольных партий соответствующим документом было введено внутризаводское ограничение по содержанию кремния в интервале 0,60-0,80%. Образцы, отобранные от выпущенных в последующем времени партий проволоки из бронзы марки БрНХК2,5-0,7-0,6 с регламентированным содержанием кремния в интервале 0,60-0,80%, имели после закалки, волочения и старения значения предела прочности, равные 785-844 МПа, то есть находились в полном соответствии с формулой заявленной полезной модели.
Далее приведен пример конкретного осуществления в производственных условиях предлагаемого технического решения для проволоки диам. 3,0 мм.
В состав шихтовых материалов входят: медь катодная марки M1к, никель марок НО или H1, лигатура медь-хром, кремний марки Кр2, причем шихтовку сплава по кремнию проводят не ниже уровня 0,75%. Литье ведут полунепрерывным методом в кристаллизатор диаметром 190 мм и высотой 272 или 410 мм через графитовую втулку с диаметром отверстия 10-13 мм, скорость литья 2,5-3,5 м/ч; перед началом литья вводят раскислитель - фосфористую медь. После резки слитков дисковой пилой на заготовки диаметром 190 и длиной 290 мм и их нагрева проводят прессование на ГГП усилием 35 МН с отделением рубашки толщиной до 3 мм и получением бунтовой заготовки диам. 16 мм через одноканальную матрицу из твердого сплава марки ВК8. Далее прессованную заготовку подвергают слабому травлению в 5-15%-ном растворе серной кислоты, после чего передают на волочильный передел. Волочением на однократных машинах ВСГ 1/720 или ВСГ 1/650 со смазкой, состоящей на 90% из минерального и на 10% из растительного масел, по маршруту, мм: 16-14-12-10-9-8 получают промежуточную заготовку диам. 8 мм, которую подвергают закалке после нагрева в печи ЦЭП-289 до температуры 930°С с охлаждением в воде, после чего проводят щелочно-кислотное травление промежуточной заготовки. Далее осуществляют волочение на однократной волочильной машине ВМ 1/550 по маршруту, мм: 8-7-6-5-4-3,5. Отделочное волочение с диам. 3,5 мм на диам. 3,0 мм проводят на тихоходной машине ВМ 1/550 2Б со скоростью волочения 85 м/мин и смазкой в виде растительного масла (100%) или мыльной стружки. Бунты готовой проволоки связывают и упаковывают согласно ТУ [2].
в
в
в
Механические свойства проволоки в состоянии поставки: σ=570-715 МПа, δ=4-6%, то есть соответствуют требованиям ТУ. Временное сопротивление разрыву и удельное электросопротивление, определенные на образцах после старения, составляют: σ=785-824 МПа, ρ=0,042-0,046, то есть σ находится в интервале, указанном в формуле заявленной полезной модели; значения ρ также соответствуют ТУ. Содержание кремния в сплаве, определенное спектральным и химическим методами анализа, составляет 0,62-0,64%, то есть полностью соответствует диапазону концентрации кремния, заявленному в полезной модели. Выход годного на промышленных партиях проволоки диам. 1,8-3,5 мм составил от 91 до 93% (от прессованной заготовки).
Технический результат от использования заявляемой полезной модели заключается в повышении потребительских качеств продукции путем получения стабильных и повышенных значений предела прочности проволоки, прошедшей закалку, волочение и старение.