СПОСОБ ОБРАБОТКИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ МЕДНЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF PROCESSING LOW-ALLOYED COPPER ALLOYS

Изобретение относится к области обработки специальных проводниковых сплавов, в частности к получению низколегированных медных сплавов, и может быть использовано в электротехнике, в частности для изготовления электродов сварочных машин, контактных проводов для электрофицированного транспорта, коллекторных шин и полос для электромашин и в других изделиях, в которых требуется высокая электропроводность материала.
В низколегированных проводниковых сплавах на основе меди, обладающих всеми ее положительными качествами: высокой электро- и теплопроводностью, основным недостатком является относительно малая прочность. Известны различные методы повышения прочностных характеристик медных сплавов: наклеп, легирование, термическая и термомеханическая обработка.
В последнее время для повышения механических свойств и их термической стабильности применяется метод равноканального углового прессования (РКУП). Увеличение прочности в процессе такой обработки происходит за счет формирования ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры, включающей субмикрокристаллическую (100-1000 нм) и наноразмерную (до 100 нм) структуру. Так, известен способ обработки проводниковых низколегированных медных сплавов с использованием метода равноканального углового прессования для повышения их механических свойств (CN 102888525 А, опубликован 23.01.2013). Сплав, полученный по известной технологии, обладает хорошим сочетанием пластичности, прочности и проводимости, но недостаточным уровнем жаропрочности. Среди известных низколегированных медных сплавов хорошей жаропрочностью обладают сплавы системы Cu-Cr.
Известен способ получения ультрамелкодисперсного медного сплава системы Cu-Cr, включающий закалку, равноканальное угловое прессование при температуре 20-300°С на оснастке с углом пересечения каналов 120°c накопленной деформацией порядка 5 и последующее старение при температуре 400-500°С (RU 2484175, опубл. 10.06.2013). Указанный способ является наиболее близким к предложенному способу. Способ позволяет получить сплав с высоким уровнем механических свойств: микротвердость - порядка 2000 МПа и предел прочности - порядка 600 МПа. Однако для ряда применений, в частности для электродов контактной сварки, наряду с высокой электропроводностью сплав должен обладать высокой прочностью и достаточной жаропрочностью.
Задачей изобретения является разработка способа обработки низколегированных медных сплавов системы Cu-Cr, позволяющего получить изделия из этих сплавов с наилучшим сочетанием механических и электрических свойств, работающего в условиях высоких температур и механических нагрузок и позволяющего использовать его в качестве проводникового материала в различных областях электротехники.
Техническим результатом изобретения является повышение уровня механических свойств низколегированных медных сплавов системы Cu-Cr в сочетании с повышением их электропроводности.
с
Технический результат достигается тем, что в способе обработки низколегированного медного сплава системы Cu-Cr, включающем закалку сплава, равноканальное угловое прессование при комнатной температуре и последующее старение, закалке подвергают сплав системы Cu-Cr, содержащий Hf, равноканальное угловое прессование осуществляют при пересечении каналов под углом 90 градусов по маршруту В до достижения истинной степени деформации 7-11, а старение проводят при температуре 450-550°С до получения в сплаве структуры, состоящей из матрицы, представляющей собой по существу ультрамелкозернистую чистую медь, и наноразмерных выделений упрочняющей фазы.
Сущность изобретения заключается в следующем.
с
Введение в хромовую бронзу до 1 мас. % Hf приводит к существенному повышению температуры рекристаллизации, что в свою очередь приводит к повышению прочности и жаропрочности сплава. Проведение после закалки деформации сплава методом равноканального углового прессования позволяет создать УМЗ структуру с большой долей высокоугловых границ. При этом экспериментально было установлено, что режимы проведения РКУП при пересечении каналов под углом 90 градусов по маршруту В до достижения истинной степени деформации 7-11 для хромовых бронз с содержанием Hf до 1% позволяют измельчить зеренную структуру до оптимального размера, позволяющего при последующем старении сплава получить сочетание высоких свойств электропроводности, прочности и жаропрочности. Температуру старения определяли экспериментально по кривым температурной зависимости твердости и электропроводности сплава. При температуре ниже 450°С процессы старения осуществляются не в полной мере и сплав обладает при достаточном уровне твердости низкой электропроводностью. При температуре выше 550°С при высоких значениях электропроводности происходит разупрочнение сплава и, соответственно, снижение его прочностных характеристик.
5
5
Структура сплавов в состаренном состоянии, после проведения РКУП по оптимальным режимам, состоит из матрицы, представляющей собой практически ультрамелкозернистую чистую медь, и наноразмерных выделений частиц хрома и CuHf. Сохраняющийся при этом частично в твердом растворе гафний уменьшает диффузионную подвижность хрома, что приводит в совокупности с выделением наноразмерных частиц хрома и CuHf к повышению твердости сплавов при комнатной температуре и их жаропрочности при повышенных температурах.
Пример реализации способа.
Закалку на твердый раствор образцов сплава Cu - 0,7% Cr - 0,9% Hf диаметром 10 мм и длиной 70 мм осуществляли с температуры 1000±10°С в воду. Сплав в закаленном состоянии имел микротвердость 1380±65 МПа и электропроводность 26,5% (IACS).
с
Равноканальное угловое прессование закаленных образцов осуществляли в оснастке с углом пересечения каналов 90° по маршруту В.
После 8 проходов РКУП, что соответствует истинной степени деформации ε=9 и последующего старения при температуре 500°С в течение 1 часа, сплав имел предел прочности 654 МПа, микротвердость - 2310±35 МПа, относительное удлинение - 14%, электропроводность - 56% (IACS).
После 10 проходов РКУП, что соответствует истинной степени деформации ε=11,3 и последующего старения при температуре 450°С в течение 1 часа, сплав имел микротвердость - 2320±47 МПа и электропроводность - 53% (IACS).
После 6 проходов РКУП, что соответствует истинной степени деформации ε=6,8 и последующего старения при температуре 550°С в течение 1 часа, сплав имел микротвердость - 1915±62 МПа и электропроводность - 78% (IACS).
Таким образом, видно, что равноканальное угловое прессование с истинной степенью деформации 7-11 и последующим старением при температурах 450-550°С приводит к одновременному и существенному повышению прочности и электропроводности по сравнению с недеформированным закаленным состоянием.
Из образцов сплава Cu-0,7% Cr-0,9%Hf, полученных по предложенной технологии, были изготовлены вставки к составному водоохлаждаемому электроду для контактной сварки и проведены испытания в течение 2000 циклов сварки. Для сравнения, подобный эксперимент был проведен с промышленным крупнозернистым Cu-Cr сплавом. Было показано, что износ электрода (оцененный по относительному уширению рабочей поверхности), изготовленного из УМЗ сплава Cu-0,7% Cr-0,9%Hf после 2000 циклов сварки в ~5 раз меньше по сравнению с промышленным сплавом.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет получить низколегированный проводниковый сплав на основе меди, обладающий сочетанием высоких механических и электрических свойств, необходимых для изделий, используемых при работе в условиях повышенных температур и механических нагрузок.