МЕДНЫЙ СПЛАВ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДНОГО СПЛАВА
COPPER ALLOY AND METHOD OF ITS PRODUCTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к медному сплаву и, более конкретно, к углеродсодержащему медному сплаву, полученному введением углерода в медный материал.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Медные материалы представляют собой материалы, обладающие высокой электропроводностью и высокой обрабатываемостью среди обычных металлов. Медные материалы используют для изготовления электрических проводов и медных сплавов.
ССЫЛОЧНЫЙ ДОКУМЕНТ
Патентный документ
[0003] Патентный документ 1: JP 2007-92176 А
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРОБЛЕМА, РЕШАЕМАЯ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
[0004] К примеру, для передачи электрической энергии из одного района в отдаленный район используют линии электропередач. Поэтому даже небольшое снижение электрического сопротивления линий электропередач оказывает большой эффект по снижению джоулева тепла, и, следовательно, всегда существует большой спрос на разработку медных материалов, имеющих более низкое удельное электрическое сопротивление. Медные материалы для формирования электрических проводов должны иметь высокий предел прочности на растяжение и высокую обрабатываемость, а также низкое удельное электрическое сопротивление.
[0005] Однако современные медные материалы имеют высокое удельное электрическое сопротивление и низкий предел прочности на растяжение. Отсутствует четкие сведения о содержании углерода (% по весу), которое может присутствовать в углеродсодержащем медном материале, эффективном содержании углерода и способе введения углерода в медный материал.
СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ
[0006] Настоящее изобретение было создано на основании знания автором изобретения такого способа, которым можно ввести углерод, а именно, графит гексагональной системы, в медь так, чтобы углерод диспергировался в меди с практически приемлемой равномерностью.
[0007] Задачей настоящего изобретения является решение проблем уровня техники и предоставление медного сплава, имеющего более низкое удельное электрическое сопротивление, чем у современных медных сплавов, и более высокий предел прочности на растяжение, чем у современных медных сплавов, а также способа получения такого медного сплава.
[0008] Настоящее изобретение предусматривает медный сплав, полученный добавлением углерода к расплаву меди, расплавленному в высокотемпературной среде, так, что медный материал имеет заданное содержание углерода в диапазоне от 0,01% до 0,6% по весу.
[0009] Температура высокотемпературной среды может составлять в диапазоне от 1200°С до 1250°С.
[0010] Углерод может представлять собой графит гексагональной системы.
Вместе с углеродом к медному материалу может быть добавлен углеродный диспергатор.
Предпочтительно, заданное содержание углерода составляет в диапазоне от 0,03% до 0,3% по весу.
[0011] Настоящее изобретение предусматривает способ получения медного сплава, включающий: процесс плавления с расплавлением медного материала и удалением кислорода из медного материала при нагревании медного материала в высокотемпературной металлоплавильной печи при высокой температуре; процесс введения углерода с добавлением заданного количества углерода в расплав медного материала, расплавленного в результате процесса плавления; процесс перемешивания с перемешиванием смеси медного материала и углерода; и процесс разливки с заливкой перемешанной смеси медного материала и углерода в литейную форму и охлаждением смеси для затвердевания смеси в литейной форме.
[0012] Вместе с углеродом к нагретому при высокой температуре медному материалу может быть добавлен углеродный диспергатор для способствования смешиванию углерода с нагретым при высокой температуре медным материалом в процессе введения углерода.
[0013] Высокая температура может составлять в диапазоне от 1200°С до 1250°С.
[0014] Заданное количество углерода может быть определено таким, чтобы медный сплав имел содержание углерода в диапазоне от 0,01% до 0,6% по весу. Предпочтительно, заданное количество углерода может быть определено таким, чтобы медный сплав имел содержание углерода в диапазоне от 0,03% до 0,3% по весу.
[0015] Высокотемпературная плавильная печь может иметь плавильный блок, загружаемый медным материалом и углеродом, формирующий пространство нагрева блок, образующий закрытое пространство нагрева над плавильным блоком, нагревательный блок для подачи нагревающего топлива в закрытое пространство нагрева с целью нагревания плавильного блока, и выходное отверстие, выходящее в формирующий пространство нагрева блок.
[0016] Скорость подачи нагревающего топлива в закрытое пространство нагрева регулируют так, чтобы количество кислорода, выпускаемого через выходное отверстие, снижалось до нуля.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0017] Фиг.1 представляет собой вид сверху высокотемпературной металлоплавильной печи;
Фиг.2 представляет собой вид в разрезе высокотемпературной металлоплавильной печи;
Фиг.3 представляет собой график, показывающий измеренные удельные электрические сопротивления;
Фиг.4 представляет собой график, показывающий результаты испытаний на растяжение; и
Фиг.5 представляет собой таблицу, показывающую измеренные пределы текучести (МПа) и пределы прочности на растяжение (МПа), показанные на Фиг.4.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Далее будут описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения медный сплав получают добавлением заданного количества углерода к расплавленной меди в высокотемпературной среде так, что медный сплав имеет содержание углерода в диапазоне от 0,01% до 0,6% по весу.
[0019] Высокотемпературная среда позволяет добавлять углерод к расплавленной меди так, чтобы углерод диспергировался с практически приемлемой равномерностью. Температура высокотемпературной среды составляет в диапазоне от 1200°С до 1250°С и выше, чем точка плавления меди в 1083°С. В том случае, если температура высокотемпературной среды составляет менее 1200°С, медь не может быть удовлетворительно расплавлена и добавленному углероду тяжело равномерно диспергироваться в расплавленной меди. Температура высокотемпературной среды должна быть существенно выше точки плавления меди, а именно, 1083°С, для равномерного плавления медного материала в высокотемпературной металлоплавильной печи. В том случае, если температура высокотемпературной среды составляет более 1250°С, добавляемые к расплавленной меди частицы углерода отталкивают одна другую, проявляют тенденцию к локализации трудно диспергируются равномерно, а расплавленная медь проявляет тенденцию к кипению. Таким образом, температуры выше 1250°С не подходят для получения медного сплава. Практически необходимо избегать компонентов конструкционного материала, который включает углерод и образует высокотемпературную металлоплавильную печь, расплавляемых и выделяющихся из конструкционного материала. Поэтому предпочтительно, чтобы температура не превышала 1250°С. Несмотря на то, что углерод необходимо добавлять к расплавленной меди в высокотемпературной среде более высокой температуры, идеальное добавление углерода к расплавленной меди может быть осуществлено при температуре не выше 1250°С. Если углерод добавляют к расплавленной меди в высокотемпературной среде с температурой более 1250°С, работа высокотемпературной металлоплавильной печи с поддержанием высокотемпературной среды такой высокой температуры требует больших затрат топлива и является экономически невыгодной; управление работой для предотвращения примешивания загрязняющих примесей в расплавленную медь является технически затруднительным. Таким образом, высокотемпературная среда такой высокой температуры не оказывает значительного эффекта.
[0020] В том случае, если содержание углерода в медном сплаве составляет менее 0,01% по весу, удельное электрическое сопротивление медного сплава приблизительно такое же, как и у меди, и введение углерода не оказывает никакого эффекта. В том случае, если содержание углерода в медном сплаве составляет более 0,6% по весу, удельное электрическое сопротивление медного сплава ниже, чем естественное удельное электрическое сопротивление меди, а предел прочности на растяжение чрезмерно ниже, чем у меди. В том случае, если содержание углерода составляет более 0,6% по весу, равномерное диспергирование углерода становится весьма затруднительным, и трудно гарантировать практически приемлемое качество. В результате экспериментов было установлено, что предпочтительное содержание углерода составляет в диапазоне от 0,03% до 0,3% по весу. Поскольку атомный вес углерода меньше атомного веса меди, количество добавленных атомов углерода необязательно мало даже в том случае, если содержание углерода составляет в диапазоне от 0,01% до 0,6% по весу. Таким образом, верхний предел содержания углерода составляет 0,6% по весу. Предпочтительно, чтобы содержание углерода составляло в диапазоне от 0,03% до 0,3% по весу как гарантия того, что медный сплав имеет низкое удельное электрическое сопротивление и высокий предел прочности на растяжение.
[0021] Содержание углерода в медном сплаве надлежащим образом определяют согласно прочности на растяжение и твердости, а также удельному электрическому сопротивлению, необходимым при применении медного сплава.
[0022] Предпочтительно, добавляемый к меди углерод представляет собой графит гексагональной системы. Поскольку графит является мягким, он может быть диспергирован с практически приемлемой равномерностью в высокотемпературной среде с температурой в диапазоне от 1200°С до 1250°С. Углерод кубической системы алмаза является очень твердым. При использовании углерода кубической системы алмаза углерод не может быть диспергирован с практически приемлемой равномерностью даже в высокотемпературной среде с температурой в диапазоне от 1200°С до 1250°С.
[0023] Вместе с углеродом к меди добавляют углеродный диспергатор с тем, чтобы избежать локализованного распределения углерода и способствовать равномерному диспергированию углерода в меди в высокотемпературной среде.
[0024] Далее будет описан способ получения медного сплава согласно настоящему изобретению. Фиг.1 и 2 представляют собой соответственно вид сверху и вид в разрезе высокотемпературной металлоплавильной печи 1. Высокотемпературная металлоплавильная печь 1 представляет собой отражательную печь, имеющую стенку 2 печи, покрытую теплоизоляционной футеровкой и определяющую границы загрузочного контейнера 3, т.е. изложницы. Над загрузочным контейнером 3 находится закрытое пространство 4 нагрева. Верхняя часть стенки 2 печи, ограничивающая верхнюю часть закрытого пространства 4 нагрева, имеет форму купола. Лучистая теплота, вырабатываемая в верхней части закрытого пространства 4 нагрева, отражается таким образом, чтобы сконцентрироваться на медном материале или т.п., загруженном в загрузочный контейнер 3. В передней части стенки 2 высокотемпературной металлоплавильной печи 1 выполнено топочное отверстие 5. Горелка 7 вдувает смесь 9 высокотемпературного газа и воздуха через топочное отверстие 5 в закрытое пространство 4 нагрева, образуя пламя, проходящее по ходу 9а пламени для равномерного нагрева медного материала, содержащегося в загрузочном контейнере 3. Медный материал нагревают при температурах, составляющих в диапазоне от 1200°С до 1250°С.
[0025] Стенка 2 печи снабжена выходным отверстием 11 в месте поблизости от топочного отверстия 5. Через выходное отверстие 11 можно наблюдать за состоянием пламени в загрузочном контейнере 3. Например, по существу полное удаление кислорода из медного материала, загруженного в загрузочный контейнер 3, может быть эмпирически установлено по появлению голубого пламени в загрузочном контейнере 3 через выходное отверстие 11. К верхней части высокотемпературной металлоплавильной печи 1 прикреплена дымовая труба 13. По существу полное удаление кислорода из медного материала, содержащегося в загрузочном контейнере 3, можно также установить в результате наблюдения за состоянием, например, цветом, дыма или пламени, выходящих из дымовой трубы 13.
[0026] Способ получения медного сплава по настоящему изобретению включает: процесс плавления с расплавлением медного материала при нагревании высокотемпературной металлоплавильной печи 1, загруженной медным материалом, при высокой температуре в диапазоне от 1200°С до 1250°С; процесс введения углерода с добавлением заданного количества гранулированного или порошкового углерода вместе с углеродным диспергатором к расплаву медного материала, расплавленного в результате процесса плавления и выдерживаемого в высокотемпературной среде; процесс перемешивания с перемешиванием смеси медного материала, углерода и углеродного диспергатора; и процесс охлаждения с заливкой перемешанной смеси медного материала и углерода в литейную форму и охлаждением смеси для затвердевания смеси в литейной форме. В процессе охлаждения смесь медного материала и углерода, перемешанную в процессе перемешивания, выливают через выпускное отверстие, выполненное в нижней части (дне) высокотемпературной металлоплавильной печи 1, в литейную форму, расположенную вне высокотемпературной металлоплавильной печи 1, и охлаждают в литейной форме.
[0027] Углеродный диспергатор представляет собой порошковую или гранулированную добавку. Углеродный диспергатор предотвращает агрегацию углеродных частиц или зерен и способствует диспергированию углеродных частиц или зерен в медном материале в высокотемпературной среде. Углеродный диспергатор добавляют к углероду. Весовое отношение углеродного диспергатора к углероду составляет в диапазоне от 1 до 2. При добавлении смеси углеродного диспергатора и порошкового или гранулированного углерода к медному материалу, расплавленному в процессе плавления и выдерживаемому в высокотемпературной среде, углеродные частицы прилипают к небольшим частицам углеродного диспергатора и удерживаются на небольших частицах углеродного диспергатора. В то время как небольшие частицы углеродного диспергатора, удерживающие частицы углерода, циркулируют вертикально за счет конвекции в расплавленном медном материале, углеродные частицы могут быть диспергированы в расплавленном медном материале. Таким образом, углеродные частицы отделяются от углеродного диспергатора и только углеродные частицы равномерно примешиваются в медный материал. После того как углеродные частицы, удерживающиеся на частицах углеродного диспергатора, отделились от частиц углеродного диспергатора и равномерно смешались с расплавленным медным материалом, углеродный диспергатор всплывает на поверхность расплавленного медного материала. Углеродный диспергатор, добавленный вместе с углеродом к расплавленному медному материалу, всплывает на поверхность расплавленного медного материала за короткий период времени в несколько минут, например, 2 мин, после его добавления к расплавленному медному материалу.
[0028] Углеродный диспергатор, обеспечивший равномерное диспергирование углерода в расплавленном медном материале и всплывший на поверхность расплавленного медного материала, извлекают термостойким ковшом. Вместо способа с использованием ковша углеродный диспергатор может быть извлечен следующим способом. Углеродный диспергатор, всплывающий на поверхность расплавленного медного материала, выливают вместе с расплавленным медным материалом через выпускное отверстие, выполненное в нижней части высокотемпературной металлоплавильной печи, в литейную форму, и углеродный диспергатор и расплавленный медный материал охлаждают в литейной форме. Затем охлажденный углеродный диспергатор и смесь медного материала и углерода разбивают молотом с целью отделения затвердевшего углеродного диспергатора от отвердевшей смеси медного материала и углерода.
[0029] В том случае, если углеродный диспергатор не используют и смешивание расплавленного медного материала и углерода зависит только от перемешивания, частицы углерода агрегируются и не диспергируются равномерно в медном материале. Поэтому предпочтительным является использование углеродного диспергатора.
[0030] В процессе плавления за закрытым пространством 4 нагрева наблюдают через выходное отверстие 11, отмечая, появилось ли или нет беловато-голубое пламя в загрузочном контейнере 3 или закрытом пространстве 4 нагрева, и регулируют скорость подачи топлива в газовую горелку 7 так, чтобы кислород, выпускаемый через выходное отверстие 11, снизился до нуля. Таким образом может быть предотвращено окисление углерода, добавляемого к медному материалу, содержащемуся в загрузочном контейнере 3, и возникающее в результате этого загрязнение медного материала оксидом углерода.
[0031] Далее будут описаны результаты измерений удельного электрического сопротивления и прочности на растяжение воплощающего настоящее изобретение медного сплава, изготовленного этим способом получения медного сплава.
-8
-8
-8
[0032] На Фиг.3 показаны величины удельного электрического сопротивления образцов (а), (b) и (с), измеренные четырехзондовым методом. Образец (а) был чистой медью, образец (b) был медным сплавом с содержанием углерода 0,03% по весу, а образец (с) был медным сплавом с содержанием углерода 0,3% по весу. Удельное электрическое сопротивление образцов (а), (b) и (с) соответственно составляет 1,97×10 Ом·м, 1,89×10 Ом·м и 1,71×10 Ом·м. Величины удельного электрического сопротивления образцов (b) и (с), а именно, содержащих углерод медных сплавов, ниже, чем у образца (а), а именно, чистой меди. Таким образом, было доказано, что образцы (b) и (с) имеют удовлетворительное удельное электрическое сопротивление.
[0033] Было подтверждено, что удельное электрическое сопротивление медного сплава является низким, углерод распределен в медном сплаве равномерно, и медный сплав имел практически приемлемое качество в том случае, когда содержание углерода в медном сплаве составляло более 0,3% по весу и не более 0,6% по весу. Таким образом, в результате экспериментов было доказано, что медный сплав имеет низкое удельное электрическое сопротивление в том случае, когда содержание углерода в нем составляло в диапазоне от 0,01% до 0,6% по весу.
[0034] На Фиг.4 показаны результаты испытаний на растяжение. Образец (а) был чистой медью, образец (b) был медным сплавом с содержанием углерода 0,03% по весу, а образец (с) был медным сплавом с содержанием углерода 0,3% по весу. В испытаниях на растяжение для измерения использовали прибор для испытаний на растяжение (AGS-500, Shimazu Seisaku-sho). Образцы (а), (b) и (с) представляли собой плоские пластины длиной 26 мм, шириной 3,0 мм и толщиной 0,23 мм. Продольно к образцам прикладывали напряжение (МПа) и измеряли деформацию (%).
[0035] Соотношение между деформацией (%), возникшей в каждом из образцов (а), (b) и (с), и напряжением (МПа) в образце было линейным на начальной стадии прикладывания нагрузки, а именно, на стадии упругой деформации, на которой нагрузка повышается с нуля. На стадии пластической деформации, следующей за стадией упругой деформации, скорость повышения деформации (%) относительно напряжения (МПа) снижалась. Напряжение (МПа) при переходе со стадии упругой деформации к стадии пластической деформации представляет собой предел текучести (МПа). Максимальное напряжение (МПа), с которого напряжение резко падает, представляет собой предел прочности на растяжение (МПа).
[0036] Соответствующие пределы текучести (МПа) и пределы прочности на растяжение (МПа) образца (а), а именно, чистой меди, образца (b), а именно, медного сплава с содержанием углерода 0,03% по весу, и образца (с), а именно, медного сплава с содержанием углерода 0,3% по весу, указанные на Фиг.4, представлены в виде таблицы на Фиг.5.
[0037] Как показано на Фиг.5, соответствующие пределы текучести (МПа) и пределы прочности на растяжение (МПа) образца (b), а именно, медного сплава с содержанием углерода 0,03% по весу, и образца (с), а именно, медного сплава с содержанием углерода 0,3% по весу, выше, чем у образца (а), а именно, чистой меди. Полученные величины показали, что могут быть получены медные материалы со свойствами, превосходящими свойства чистой меди.
[0038] Было доказано, что медный сплав с содержанием углерода 0,03% по весу (образец (b)) и медный сплав с содержанием углерода 0,3% по весу (образец (с)) прочнее чистой меди и имели удовлетворительную обрабатываемость. Эксперименты показали, что медные сплавы с содержанием углерода в диапазоне от 0,01% до 0,6% по весу были прочными и обладали вышеупомянутыми удовлетворительными свойствами.
[0039] В том случае, когда содержание углерода составляло более 0,6% по весу, не могут устойчиво и стабильно изготавливаться медные сплавы с более низким удельным электрическим сопротивлением, чем у чистой меди (образец (а)), что считается обусловленным трудностью равномерного диспергирования углерода в медном материале. Существенное различие в свойствах на растяжение между медными сплавами с содержанием углерода менее 0,01% по весу и чистой медью отсутствовало.