КОМПОЗИТНЫЙ ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ПРОВОД С ПОВЫШЕННОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ
COMPOSITE HIGH-STRENGTH WIRE WITH HIGHER ELECTROCONDUCTIVITY

Изобретение относится к металлургии и электротехнике и может быть использовано при получении высокопрочных проводов для тяжелонагруженных линий электропередач, например для токопередающих контактных проводов в системе железнодорожного высокоскоростного транспорта. Предлагаемый способ позволяет изготовить высокопрочный проводник, обладающий повышенной электропроводностью и одновременно высокой устойчивостью к истиранию и высокой коррозионной стойкостью.
Прецизионные методы деформационного упрочнения и упрочнения выделениями интерметаллических либо оксидных частиц не обеспечивают необходимого уровня сочетания прочностных и электропроводящих свойств получаемого таким образом проводникового материала: от уровня прочности 800-900 МПа при электропроводности на уровне 80-85% IACS (IACS - Международный Стандарт Отожженной Меди, где 100% IACS=1,7241 мкм Ом*см) до уровня прочности стали 1100-1500 МПа при электропроводности на уровне 55-75% IACS.
max
Величина σ холоднотянутой электротехнической меди, обычно используемой для изготовления электротехнических проводов различного назначения, в частности в виде контактных проводов для железнодорожного транспорта, составляет 250-350 МПа [Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные металлы и сплавы, М.: Металлургия, 1974 г.].
max
Известны медносеребряные сплавы с 0,1% Ag, имеющие σ = 400 МПа при сохранении электропроводности 90% IACS [Лайнер Д.И., Малышева Л.А., Лунева В.И. и др. Металловедение медных деформируемых сплавов, М.: Металлургия, 1973 г.].
Недостатком этих материалов является низкая механическая прочность, что не позволяет эффективно использовать их для изготовления высокопрочных проводов ответственного назначения.
Известен способ получения высокопрочного проводникового материала - сплава меди с 2% бериллия (сплав БрБ-2) различивши методами плавки с последующими деформацией в закаленном состоянии и термообработкой - старением. При этом величина предела прочности достигает значения 950 МПа [Берман С.И. Меднобериллиевые сплавы, их свойства. Применение и обработка, М.: Металлургия, 1966 г.].
2
2
Однако удельное электросопротивление сплава БрБ-2 составляет 0,1 Ом*мм/м, что в 10 раз превышает электросопротивление электротехнической меди, которое составляет при 20°С величину 0,0172 Ом*мм/м.
Известен способ получения упрочненных проводников с достаточно высокой электропроводностью, при котором методом направленной кристаллизации получают слиток из сплава эвтектического состава на основе меди, например из сплава медь-железо. Указанный слиток с продольно ориентированными волокнами или пластинами из упрочняющей составляющей деформируют вхолодную до конечного размера [H.P.Wahl and P.F.Wasserman, "Z. Metallkunde" 61/1970/, p.326].
Недостаток данного метода - практическая невозможность получения исходного слитка больших объемов с устойчивой регулярной структурой.
max
Известен способ получения композиционного высокопрочного высокоэлектропроводного провода, при котором в высокочастотной печи методом бестигельной плавки получают слиток сплава с 10-20 объемными долями ниобия и деформируют вхолодную полученный слиток до формирования провода диаметром 0,5 мм. Вследствие специфики строения фазовой диаграммы состояний системы медь - ниобий, которая заключается в отсутствии промежуточных интерметаллических соединений и в низкой взаимной растворимости меди и ниобия в твердом состоянии, провод представляет собой медную матрицу с равномерно распределенными в ней дискретными ниобиевыми волокнами. При этом достигается значение σ = 500-700 МПа (в зависимости от содержания Nb в сплаве) при сохранении 60% электропроводности чистой меди [J.Appl.Phys. v. 49/12/, 1979, р. 6031-6038].
Известны также конструкции композиционного высокопрочного высокоэлектропроводного провода, которые содержат сердечник из высокоэлектропроводной меди, размещенный в оболочке из высокопрочного сплава, например из стали [H.Jones and M. Van Cleemput "Copper stainless steel macrocomposite conductor" in "High Magnetic Fields: applications, heneration, materials" ed. by H.Schneider-Muntau, World Scientific Publishing Co, 1997, pp.499-510]. При этом прочностные свойства композиционного проводника рассчитываются по правилу смеси в соответствии с формулой
к
с
с
о
с
σ=σV+σ(1-V),
к
с
с
о
где σ - предел прочности композиционного провода, σ - предел прочности сердечника, V - объемная доля сердечника в проводнике, σ - предел прочности материала оболочки.
Экспериментальные значения прочности указанных композиционных проводников хорошо соответствуют рассчитанным по формуле значениям и составляют для провода сталь SS304-Cu величину 860 МПа при электропроводности 60% от электропроводности чистой меди [H.Jones and M. Van Cleemput "Copper stainless steel macrocomposite conductor" in "High Magnetic Fields: applications, heneration, materials" ed. by H.Schneider-Muntau, World Scientific Publishing Co, 1997, pp.499-510].
Известен высокопрочный проводник, содержащий продольно расположенный сердечник из высокочистой бескислородной меди, окруженный оболочкой из высокопрочного сплава Cu - 25-35 % Ni, причем для достижения достаточно высоких электропроводных свойств при обеспечении достаточно высокой технологичности площадь оболочки выбирается не более 14% от площади проводника [Патент Японии, JP 3141505, 1991].
Недостатком данного проводника является недостаточно высокое достигаемое значение механической прочности (менее 800 МПа) из-за малой доли высокопрочного компонента, а также его более низкой, чем для стали прочности.
Известны также высокопрочные провода с достаточно высокой электропроводностью, объем которых представляет собой матричный высокопроводящий материал, обычно - высокочистую медь, в которой равномерно распределены продольно ориентированные сверхмелкодисперсные дискретные волокна из хорошо деформируемого материала, не взаимодействующего с медью с образованием каких-либо интерметаллических соединений. В качестве материала волокон могут быть использованы Nb, Ag, Та, Cr, Fe, V. Экспериментально установлено, что для достижения высоких значений прочности, существенно превышающих значения прочности, рассчитанные по правилу смеси, необходимо, чтобы размер волокон составлял в поперечном сечении 50-20 нм. При выполнении данного условия предел прочности такого наноструктурного проводника достигает величин 800 МПа для системы Cu-Fe, 1400 МПа для системы Cu-Ag, 2200 МПа для системы Cu-Nb [J.Bevk, James P.Harbison, Joseph L. Bell "Anomalous increase in strength of in situ formed Cu-Nb multifilamentary composites" J.Appl.Phys. v.49(12), 1978, p.6031-6038; G. Frommeyer, G.Wasserman "Microstructure and anomalous mechanical properties of in situ produced Cu-Ag composite wires Acta Metallurgica, v.23(ll), 1975; W.Spitzig, P.Krotz."A comparison of the strength and microstructure of heavily cold worked Cu-20% Nb composites formed by different melting procedures" Scripta Metallurgica, v.21(8), 1987]. При этом электропроводность данного типа проводников имеет значения от 30 до 60% от электропроводности чистой меди. Указанный рекордно высокий уровень прочностных характеристик был достигнут только для малых диаметров проводника 0,05-0,2 мм, что сильно сужает сектор применения таких высокопрочных проводников. При этом электропроводность данного типа проводников малого диаметра имеет значения от 30 до 60% от электропроводности меди. Особо следует отметить, что такие проводники имеют низкую технологичность, так как отсутствие внешней оболочки приводит к тому, что волокна из упрочняющего материала выходят на поверхность проводника, что приводит к различной адгезии к смазочным материалам, используемым в процессе получения провода методом пластической деформации. Это, в свою очередь, приводит к обрывам провода в ходе его изготовления. Кроме того, отсутствие наружной оболочки из медного сплава не позволяет использовать такие проводники в условиях приложения внешних механических воздействий, например в качестве контактных проводников. Такие проводники также подвержены коррозии, что снижает надежность их использования в ответственных изделиях электротехники и электроники.
Известны композитные высокопрочные проводники, в которых продольно расположенный сердечник из высокопрочного материала выполнен из наноструктурного волокнистого материала Cu-Nb, Cu-Ta, Cu-Fe, Cu-Ag, Cu-Cr или Cu-Nb-Cr, а наружная оболочка выполнена из чистой меди [Патент США № 4378330, C22F 1/08, 1983], или из корррозионностойкого материала в виде Аu, Ag, Sn, Ni, Zn, Pd или сплавов Ni-Co, Sn-Zn, Sn-Bi, Sn-Ag-Cu, Ni-Co-P [Патент США № 2003019661 (A1), H01B 5/02, от 30.01.2003 г.].
Выполнение наружной оболочки из чистой меди, вышеперечисленных коррозионностойких сплавов, не отличающихся высокой твердостью и механической прочностью, не обеспечивает возможности использования таких проводников в условиях приложения сильных внешних механических воздействий, например в качестве контактных проводников. Кроме того, высокая объемная доля наноструктурного высокопрочного сплава в сечении проводника не обеспечивает достаточной электропроводности проводника, превышающей 50% от электропроводности высокочистой меди.
Известна конструкция проводника, содержащая сердечник из наноструктурного высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из Nb, Ag, Cr, V, Та, Fe, объемная доля которых составляет 15-60%, продольно расположенную по всей длине провода вставку из электротехнической (высокочистой) меди и наружную оболочку из меди, сплава на основе меди или стали, а толщина наружной оболочки составляет 10-20 мкм [Патент РФ № 2074424 от 27.02.1997. Бюл. №6]. Данный проводник выбран в качестве прототипа.
Данный проводник характеризуется недостаточно высокой коррозионной стойкостью в случае применения в качестве наружной оболочки чистой меди. Кроме того, выполнение наружной оболочки из чистой меди или произвольно выбранных медных сплавов, не отличающихся высокой твердостью и механической прочностью, не обеспечивает возможности использования таких проводников в условиях приложения сильных внешних механических воздействий, например, в качестве контактных проводников. Использование стали в качестве оболочки проводника практически исключает возможность его применения в качестве контактного провода для железнодорожного транспорта ввиду высокой склонности к искрообразованию.
В случае эксплуатации провода в качестве контактного провода имеет место его износ, что вызывается механическими, химическими и электрическими явлениями. Механический износ провода происходит главным образом вследствие трения контактных поверхностей. Величина механического износа обычно невелика и зависит от твердости металла. Химический износ возникает в результате окисления контактной поверхности под воздействием атмосферы при наличии высокой влажности и температуры.
Наибольшее разрушение контактов происходит в результате электрической эрозии, которая возникает при разрыве цепи. Газовые разряды, в особенности дуговые, нагревают металл до высоких температур. При этом в контактных проводах, выполненных их меди, могут протекать процессы рекристаллизации, что приводит к уменьшению механической прочности. Для предотвращения данного эффекта необходимо использовать сплавы на основе меди, имеющие повышенную температуру рекристаллизации. При этом легирующие элементы не должны приводить к значительному снижению электропроводящих свойств. Для применения в контактных проводах медь можно легировать лишь элементами, которые значительно повышают прочность без существенного снижения электропроводности. Известны проводниковые сплавы легированные серебром, кадмием, хромом, цирконием и магнием. Так, при введении в медь 0,1-1% Zr или Сr твердость повышается в 2,5 раза, а электропроводность уменьшается всего на 20-30%. Наилучшее сочетание прочности и электропроводности достигается при легировании меди не одним, а двумя или тремя элементами, причем содержание этих элементов можно подобрать таким образом, что снижение электропроводности при совместном легировании будет меньше, чем при введении одного компонента в том же количестве, что и в многокомпонентном сплаве. Растворное упрочнение для рассматриваемых сплавов нежелательно, так как растворение большинства легирующих элементов в количествах, достаточных для эффективного упрочнения меди, приводит к существенному повышению ее электросопротивления.
Технической задачей предлагаемого изобретения является достижение высокой прочности провода, его высокой электропроводности и одновременно высокой коррозионной стойкости и низкой склонности к искрообразованию в случае применения провода в качестве токопроводящего элемента контактной сети.
Для решения поставленной технической задачи композитный высокопрочный провод с повышенной электропроводностью содержит концентрично размещенные сердечник из электротехнической меди, наружную оболочку из сплава на основе меди и кольцевой слой между сердечником и наружной оболочкой, выполненный из высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами, не образующими с медью интерметаллических соединений, в виде волокон из Nb или Ag, или Сr, или V, или Та, или Fe, содержание которых составляет 15-30 об.%, причем наружная оболочка выполнена из коррозионностойкого материала, содержащего элементы, подавляющие искрообразование, площадь поперечного сечения наружной оболочки составляет 15-20% от площади сечения провода, а площадь поперечного сечения сердечника составляет 30 - 40% от площади сечения провода.
В частном варианте наружная оболочка из коррозионностойкого материала содержит элементы, выбранные из ряда: Hf и/или Zr, и/или Y при их суммарном содержании 0,1-0,3 мас.%.
В другом частном варианте наружная оболочка из коррозионностойкого материала содержит Hf, Zr и Y при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Hf
0,033-0,1
Zr
0,033-0,1
Y
0,033-0,1
При площади поперечного сечения наружной оболочки менее 15% от площади поперечного сечения провода не достигается необходимая долговечность провода вследствие механического износа.
При площади поперечного сечения наружной оболочки более 20% не достигается необходимая прочность контактного провода (>900 МПа).
При площади поперечного сечения сердечника, занимающего в проводе менее 30%, не достигается достаточный уровень электропроводности (>55% IACS).
При площади поперечного сечения сердечника, занимающего в проводе более 40%, не достигается достаточный уровень прочности (>900 МПа).
Экспериментально было установлено, что наилучшее сочетание электропроводности, прочности и повышения температуры рекристаллизации достигается при совместном легировании материала наружной оболочки элементами, выбранные из ряда: Hf и/или Zr, и/или Y при их суммарном содержании 0,1-0,3 мас.%. При этом цирконий, находясь при данной концентрации в твердом растворе, значительно снижает коэффициент объемной диффузии других легирующих компонентов, что приводит к повышению прочности и температуры рекристаллизации сложно легированного сплава. Увеличение концентрации легирующих компонентов свыше 0,3 мас.% приводит к уменьшению электропроводности композиционного провода. Уменьшение концентрации легирующих компонентов до менее 0,1 мас.% не обеспечивает достаточного повышения температуры рекристаллизации (>300°С) и достаточной твердости, и, следовательно, долговечности работы композиционного провода.
Экспериментально установлено, что максимальное сочетание эксплуатационных свойств композитного высокопрочного провода достигается при введении в состав материала наружной оболочки Hf в количестве 0,033-0,1 мас.%, Zr в количестве 0,033-0,1 мас.%, Y в количестве 0,033-0,1 мас.%.
На чертеже представлена принципиальная схема поперечного сечения высокопрочных проводов с повышенной электропроводностью, где
1
1 - расположенный вдоль продольной оси провода сердечник из электротехнической меди, площадь поперечного сечения которого (S) составляет 30-40% от площади поперечного сечения провода;
2
2 - кольцевой слой между сердечником и наружной оболочкой, площадь поперечного сечения которого (S) составляет 55-40% от площади поперечного сечения провода; кольцевой слой состоит из высокопрочного двухфазного сплава на основе меди, содержащего волокна из металла, не образующего с медью интерметаллических соединений, например из Nb или Ag, или Сr, или V, или Та, или Fe, объемная доля которых в медном двухфазном сплаве составляет 15-30%;
3
3 - наружная оболочка, выполненная из коррозионностойкого материала, содержащего элементы, подавляющие искрообразование, площадь поперечного сечения которой (S) составляет 15-20% от площади поперечного сечения провода.
В качестве основных исходных материалов использовали медь марки MOB ГОСТ 859-75 и ниобий марки НБ-1 ГОСТ 16099-80. В качестве легирующих добавок использовали высокочистые металлы (99,9 мас.%).
При изготовлении провода была использована технология «сборных проводов», при которой собирают составную многожильную заготовку из прутков сплава медь - ниобий (железо, серебро, тантал, ванадий). Прутки получали пластической деформацией исходных слитков сплава (например, сплава медь-18% ниобия) диаметром 130 мм, которые получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом. Деформацию слитка проводили методом выдавливания до получения прутка диаметром 30 мм, с последующей пластической деформацией волочением до получения прутка нужного сечения (например, в виде шестигранного прутка с размером поперечного сечения «под ключ» d=10,8 мм). Шестигранный пруток разрезали на мерные длины, равные длине составной многожильной заготовки. Корпус для получения составной заготовки представлял собой отрезок цилиндрической трубы, изготовленной из сплава, содержащего Hf, и/или Zr, и/или Y с суммарным содержанием 0,1-0,3 мас.%.
Для формирования расположенного вдоль продольной оси сердечника из электротехнической меди в центральной части составной заготовки размещали один сплошной элемент или составной из шестигранных прутков элемент из электротехнической (чистой) меди. Размеры шестигранных прутков, их количество, толщину корпуса для формирования составной заготовки, а также размеры сплошного элемента или составного из шестигранных прутков элемента из электротехнической (чистой) меди выбирали таким образом, чтобы соотношение площадей составляло: 1 - расположенный вдоль продольной оси провода сердечник из электротехнической меди - 30%÷40%; 2 - высокопрочный наноструктурный элемент (сердечник), содержащий в матрице на основе меди волокна из металла, не образующего с медью интерметаллических соединений, например из Nb, Ag, Cr, V, Та, Fe, объемная доля которых в медном сплаве составляет 15÷30% - 55%÷40%; 3 - наружная оболочка из коррозионностойкого материала, содержащего элементы, подавляющие искрообразование, 15% - 20% от площади поперечного сечения провода.
В примерах 1 и 2 отражены крайние значения предлагаемых конструкций композитного высокопрочного провода с повышенной электропроводностью.
Пример 1.
Для создания провода, в котором площадь наружной оболочки из коррозионностойкого материала составляет 15% от площади сечения провода, сердечник из электротехнической меди, площадь которого составляет 30% от площади сечения провода и кольцевой слой между сердечником и наружной оболочкой, состоящий из высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами, площадь которого составляет 55% от площади сечения проводника, шестигранные прутки из меди электротехнической размером под «ключ» 5,4 мм, в количестве 157 штук и шестигранные прутки из сплава Сu-18%Nb, полученные горячей и холодной деформацией под «ключ» 5,4 мм в количестве 289 штук помещали в трубную заготовку из легированного медного сплава (Сu-0,2% Zr) с внешним диаметром 130 мм и толщиной стенки 5 мм. Композиционную заготовку вакуумировали, заваривали и подвергали горячей и холодной деформации до ⌀10 мм.
Пример 2.
Для создания провода, в котором наружная оболочка из коррозионностойкого материала составляет 20% от площади сечения провода, сердечник из электротехнической меди, площадь которого составляет 40% от площади сечения провода и кольцевой слой между сердечником и наружным слоем, состоящий из высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами, площадь которого составляет 40% от площади сечения провода, шестигранные прутки из меди электротехнической размером под «ключ» 5,4 мм в количестве 210 штук и шестигранные прутки из сплава Cu-18%Nb, полученные горячей и холодной деформацией под «ключ» 5,4 мм, в количестве 210 штук помещали в трубную заготовку из легированного медного сплава (Cu-0,2% Zr) с внешним диаметром 130 мм и толщиной стенки 6,5 мм. Композиционную заготовку вакуумировали, заваривали и подвергали горячей и холодной деформации до ⌀10 мм.
Электропроводность и прочность полученных проводов составила
для проводника из примера 1 - предел прочности 1200 МПа, электропроводность 57% IACS;
для проводника из примера 2 - предел прочности 950 МПа, электропроводность 66% IACS;
Использование предложенного технического решения позволяет получать композитные высокопрочные провода с повышенной электропроводностью и высокой коррозионной стойкостью, а также способные работать в условиях скользящего контакта с пониженной склонностью к искрообразованию для контактных сетей скоростного железнодорожного транспорта, а также для тяжело нагруженных линий электропередач.