Способ получения высокооловянистой бронзы

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения высокооловянистой бронзы. Может использоваться для получения сверхпроводящих материалов. Способ получения высокооловянистой бронзы, преимущественно для сверхпроводниковых материалов, включает плавку компонентов в инертной атмосфере с электромагнитным перемешиванием расплава полем соленоида. Расплав подвергают грануляции в инертной атмосфере. Гранулы соединяют диффузионной сваркой в вакууме при температуре 0,6-0,8 от температуры плавления бронзы и давлении сжатия 0,5-21 МПа с изотермической и изобарной выдержкой в течение 10-20 минут. Техническим результатом является повышение содержания олова в бронзе и гомогенности по олову без снижения технологических характеристик сплава. 1 ил.

 

-Изобретение относится к цветной металлургии, конкретно к способам получения высокооловянистой бронзы, используемой преимущественно для получения сверхпроводящих материалов.

Олово является одним из важнейших компонентов сверхпроводника на основе ниобата олова. Оно вводится в исходную сборку в составе высокооловянистой бронзы при содержании олова (13-14,5)%. Для достижения требуемых механических свойств заготовок, а также электрофизических характеристик сверхпроводника важно, чтобы олово было равномерно распределено по объему бронзы. При этом не допускается наличие пористости и несплошностей в сплаве.

Известен способ получения слитков из сплавов на основе меди, содержащих олово, включающий вакуумную индукционную плавку, при которой медь загружают в графитовый тигель вакуумной индукционной печи, вакуумируют печь, расплавляют и перегревают расплав до температуры Т=1250...1400°С, рафинируют расплав за счет выдержки при этих температурах, вводят олово, охлаждают расплав до температуры литья, превышающей температуру плавления на 100-200°С, и разливают в изложницу. (Фридлярский Р.М., Стрельцов Ф.М., Молдавский О.П. Вакуумная плавка медных сплавов. М., 1974 г. Цветметинформация, с.68-69).

Недостатком данного способа является наличие в теле слитка газовой пористости и грубых, неравномерно распределенных по объему слитка хрупких выделений интерметаллической фазы Cu₃₁Sn₈, обогащенных оловом, что снижает выход годного при последующей обработке давлением таких слитков, особенно при содержании олова более 13% (по массе).

Известен также способ получения слитков на основе меди с оловом, при котором медь загружают в графитовый тигель вакуумной индукционной печи, производят ее расплавление на воздухе, вводят олово в окисленный расплав при Т=1100...1200°С, вакуумируют печь, перегревают расплав до температуры литья и разливают в водоохлаждаемую изложницу, в результате чего получают слиток из сплава меди с оловом без газовой пористости. (А.с. №1144396 кл. С22В 9/04). Недостатком данного способа является наличие в теле слитка крупных, неравномерно распределенных хрупких выделений интерметаллической фазы Cu₃₁Sn₈, обогащенных оловом, что снижает выход в годное при обработке слитков давлением, особенно при содержании олова более 13% (по массе).

Известен способ получения слитков из сплавов на основе меди, содержащих олово, при котором проводят индукционную плавку в графитовом тигле в инертной атмосфере с разливкой в изложницу. Полученный слиток переплавляют в дуговой печи в инертной атмосфере в медный водоохлаждаемый кристаллизатор. (Ю.Ф.Ефимов и др. Распределение олова в больших слитках бронзы БрО14. Известия ВУЗов. Цветная металлургия, 1990 г., с.105-110). Недостатком этого способа является неудовлетворительное формирование поверхности, а также неудовлетворительное распределение олова, обусловленное ликвационными процессами.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения бронзы (RU 2180359 10.03.2002), включающий плавку компонентов в инертной атмосфере с электромагнитным перемешиванием расплава полем соленоида.

Преимуществом данного способа является возможность получения слитков диаметром до 190 мм с удовлетворительным распределением олова по длине слитка. Недостатком известного способа является принципиальная невозможность подавления междендридной и осевой ликвации олова в поперечных сечениях слитка при кристаллизации, особенно на стадии завершения процесса дуговой плавки, когда глубина жидкой ванны еще значительна, а токовая нагрузка плавно снижается до минимума и электромагнитное перемешивание полем соленоида выключается для уменьшения глубины жидкой ванны с целью вывода усадочной раковины к поверхности кристаллизующегося слитка. Ликвационное обогащение оловом осевой части слитка и междендридного пространства, в свою очередь, приводит к образованию хрупкой интерметаллидной фазы и крупных эвтектоидных включений, присутствие которых резко снижают деформируемость высокооловянистой бронзы при обработке давлением и является основным препятствием повышения электрофизических характеристик сверхпроводников на основе ниобата олова путем повышения олова в сплаве, а также не позволит минимизировать издержки производства. При увеличении содержания олова в бронзе выше 13% (мас.) и (или) увеличении диаметра слитка ликвация олова возрастает, возрастает количество интерметаллидной фазы и эвтектоида, что приводит к повышению брака изделий, получаемых при обработке сплава давлением.

Заявляемое изобретение решает задачу подавления ликвационных процессов, повышения гомогенности сплава по олову, снижения размеров эвтектоидных включений в сплаве, что, в свою очередь, позволяет повысить содержание олова в бронзе без снижения технологических характеристик сплава и способствует повышению качества сверхпроводника, для изготовления которого она предназначена.

Технический результат достигается тем, что в способе получения высокооловянистой бронзы, включающем плавку компонентов в инертной атмосфере с электромагнитным перемешиванием расплава полем соленоида, расплав подвергают грануляции в инертной атмосфере, после чего гранулы соединяют диффузионной сваркой в вакууме при температуре 0,6-0,8 от температуры плавления бронзы и давлении сжатия 0,5-21 МПа с изотермической и изобарной выдержкой в течение 10-20 минут.

Грануляцию ведут при скорости охлаждения расплава ≥2000°С/с.

Грануляцию ведут с получением размера гранул 0,2-2,0 мм.

Новизна технического решения заключена в совокупности применения известных приемов плавки, грануляции и диффузионной сварки сплава с достижением новых качественных показателей, а именно возможности повышения содержания олова при сохранении пластичности сплава и повышении выхода в годное на технологических операциях.

Пределы параметров диффузионной сварки определяются следующим:

- при температуре диффузионной сварки менее 0,6 от температуры плавления бронзы снижается плотность заготовки, при температуре более 0,8 от температуры плавления бронзы увеличивается свариваемость сплава с инструментом;

- при давлении сжатия гранул менее 0,5 МПа снижается плотность заготовки, при давлении более 21 МПа увеличивается заклинивание инструмента по технологическим зазорам;

- при изотермической выдержке менее 10 минут уменьшается плотность заготовки, при изотермической выдержке более 20 минут снижается производительность процесса.

Скорость охлаждения расплава ≥2000°С/с определяется параметрами инертной атмосферы и габаритами установки грануляции.

Пределы размеров гранул от 0,5 до 2,0 мм задаются параметрами инертной атмосферы, а также скоростью распыления гранул и определяются следующим: - при размере гранул более 2,0 мм значительно искажается сферическая форма и возрастает расход гелия на охлаждение, при размере менее 0,5 мм снижается производительность процесса грануляции.

Отлитые гранулы подвергают твердофазному компактированию диффузионной сваркой в вакууме не выше 5×10^-5 мм рт. ст., в интервале температур 0,6-0,8 температуры плавления высокооловянистой бронзы, при давлении сжатия 0,5-21 МПа, изобарной и изотермической выдержке в течение 10-20 мин.

Пример осуществления способа.

Катодную медь марки МООК(ГОСТ859-78) и олово в чушках марки 01Пч(ГОСТ860-75) загружали в плавильник установки гранулирования. Вакуумировали печь и гранулятор до остаточного давления 5×10^-5 мм рт. ст., после чего заполняли печь и гранулятор гелием марки А до давления 0,4-0,6 ати. Расплав перегревали на 100-150°С выше температуры плавления и перемешивали полем индуктора. Продолжительность перемешивания определялась опытным путем по результатам хим. анализов. Полученную бронзу гранулировали и классифицировали по границам - 2000+200 мкм. Гранулы бронзы сваривали в необходимые заготовки в вакуумной установке УСП. Температура нагрева гранул составляла 0,6 от температуры плавления бронзы, давление сжатия составляло 15МПа, а время выдержки составило 20 мин. Сваренные черновые заготовки протачивали в необходимые размеры для последующей обработки давлением. В результате осуществления способа получили равномерное распределение олова в бронзе с мелкодисперсным выделением эвтектоида, который легко растворяется последующей гомогенизацией. Способ позволил повысить содержание олова в сплаве до 15% (по массе) без существенного снижения технологичности сплава.

На чертеже приведена микроструктура высокооловянистой бронзы:

а, б - микроструктура литой бронзы, полученной по прототипу,

в, г - микроструктура литой бронзы, полученной по предлагаемому способу.

1. Способ получения высокооловянистой бронзы, преимущественно для сверхпроводниковых материалов, включающий плавку компонентов в инертной атмосфере с электромагнитным перемешиванием расплава полем соленоида, отличающийся тем, что расплав подвергают грануляции в инертной атмосфере, после чего гранулы соединяют диффузионной сваркой в вакууме при температуре 0,6-0,8 от температуры плавления бронзы и давлении сжатия 0,5-21 МПа с изотермической и изобарной выдержкой в течение 10-20 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что грануляцию проводят со скоростью охлаждения расплава ≥2000°С/с.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что грануляцию проводят с получением размера гранул 0,2-2,0 мм.