Медный сплав
Владельцы патента RU 2574934:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") (RU)
Изобретение относится к металлургии, а именно к сплавам для профилей коллекторов двигателей электрических машин. Сплав на основе меди для коллекторов электрических двигателей содержит, мас.%: хром - более 0,05 до 0,38, цирконий - более 0,06 до 0,1, иттрий - более 0,05 до 0,1, примеси - не более 0,1; медь - остальное. Задачей изобретения является создание экономно легированного сплава, обладающего высокими прочностными характеристиками, электропроводностью и термической стабильностью. 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к медным сплавам. Предлагаемый сплав может применяться для производства высокоответственных коллекторов электродвигателей.
Коллекторные пластины, применяемые при изготовлении коллекторных электродвигателей, на данный момент изготовляются из холоднотянутой меди трапецеидального сечения. Для большинства коллекторов применяется медь марки M1 (ГОСТ 859-66), а для скоростных и наиболее ответственных машин - медь с присадками серебра, циркония и др. Материалы для коллекторных пластин должны отличаться высокими показателями прочности при сохранении высокой электропроводности и обладать высокой износостойкостью, которая главным образом определяется твердостью.
ГОСТ 18175-78 «Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением» в качестве коллекторных бронз предлагает кадмиевые и серебряные бронзы. Однако существует ряд недостатков у этих материалов. Что касается кадмиевой бронзы, то основным недостатком является токсичность производства. По эффекту токсичности кадмий относится к 1-му классу, и его использование в производстве сплавов требует применения дополнительных систем вентиляции и регенерации воздуха рабочих зон, средств индивидуальной защиты персонала и мероприятий по обеспечению экологической безопасности производства. Основным недостатком серебряных бронз, применяемых при изготовлении пластин коллекторов, является высокая стоимость.
Известен сплав на медной основе для коллекторных пластин, содержащий цирконий и иттрий в количестве 0,35-0,55 и 0,05-0,1%, соответственно [«Сплав для коллекторных пластин». А.с. СССР №290942 по кл. С22С 9/00, от 19.05.69]. Представленный сплав содержит цирконий 0,35-0,55, иттрий 0,05-0,1 и медь остальное. При этом σв=40-41 кг/мм2, σ02=34,6-35 кг/мм2, д=11-12% и твердость HB=120 кг/мм2. Этот сплав является схожим по химическому составу с новым сплавом, однако не имеет в своем составе Сr и имеет завышенное содержание Zr. Легирование данным способом не обеспечивает высокий уровень электропроводности, так как выделение дисперсионных частиц, не влияющих на электропроводность, возможно лишь из твердого раствора, а предельная растворимость циркония с медью составляет около 0,11-0,15%.
Наиболее близким по принципу легирования и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является медный сплав, рассмотренный в работе Liu Yong, Wang Dejun и Tian Baohong. «Aging behavior of Cu-Cr-Zr-Y alloy». Сплав, рассмотренный в работе китайских коллег, содержит 0,39% хрома, 0,11% циркония, 0,12% иттрия и остальное медь. В данном случае в отличие от экономно легированного нового сплава содержится повышенное содержание хрома, которое направлено на увеличение прочностных характеристик и износоустойчивости, при этом электропроводность значительно ухудшается.
Задачей заявляемого изобретения является создание экономно легированного медного сплава, обладающего необходимым комплексом свойств, а именно высокие прочностные свойства, электропроводность и твердость, а также термическая стабильность, для изготовления коллекторных пластин электрических двигателей.
Поставленная задача решается тем, что предложенный сплав для коллекторов электрических машин на медной основе содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| хром | более 0,05 до 0,38 |
| цирконий | более 0,06 до 0,1 |
| иттрий | более 0,05 до 0,1 |
| примеси | до 0,1 |
| медь | остальное |
Благодаря такому подбору легирующих элементов получен сплав, отличающийся высокой прочностью и электропроводностью, что обеспечивается формированием оптимальной микроструктуры после деформационно-термической обработки. Сплав представляет собой медную матрицу, обедненную легирующими элементами, в которой располагаются наноразмерные частицы второй фазы. Активно этому способствует оптимизация содержания Zr и ограниченное добавление Сr. Также необходимо отметить влияние иттрия, наночастицы которого также способствуют повышению прочностных свойств. При этом атомы иттрия забирают на себя кислород, присутствующий в меди, тем самым снижают рассеивание на примесных атомах, повышая электропроводность.
Это возможно при полном выделении из пересыщенного твердого раствора соединений вторичных фаз в виде мелкодисперсных упрочняющих частиц. То есть только легирование, нацеленное на дисперсионное упрочнение, может обеспечить сочетание высокой прочности с высокой электропроводностью. Необходимым условием такого комплекса свойств является низкая растворимость легирующего элемента в меди и способность к образованию наночастиц, которые, кроме того, благоприятно влияют на деформационное упрочнение, связанное с увеличением плотности дислокаций, и структурное упрочнение, связанное с измельчением зерен.
В результате после деформационно-термической обработки становится возможным получить сочетание высокой прочности и электропроводности, сравнимой с электропроводностью чистой меди.
Пример осуществления
Было отлито два сплава предлагаемого химического состава (табл.1). Сплавы были закалены от 920°С и состарены при 450°С в течение 4 ч, после чего подверглись деформации ε~8 при 200°С.
| Таблица 1 | |||||
| Химический состав предлагаемого сплава (% по массе) | |||||
| № сплава | Cr | Zr | Y | Cu | примеси |
| 1 | 0.05 | 0.06 | 0.06 | остальное | 0.1 |
| 2 | 0.25 | 0.06 | 0.06 | остальное | 0.1 |
Механические испытания на растяжение проводились при комнатной температуре согласно ГОСТ 1497-84 на испытательной машине «Instron 5882», а твердость по Бриннелю согласно ГОСТ 9012-59 с помощью цифрового твердомера Wolpert 3000BLD. Удельное сопротивление определялось четырехзондовым методом согласно ГОСТ 7229-76 и ГОСТ 24392-80.
| Таблица 2 | ||||
| Механические свойства и электропроводность предлагаемых сплавов | ||||
| № сплава | σв (МПа) | δ (%) | Твердость HB | ρ (×10-6 Ом*м) |
| 1 | 320 | 5 | 110 | 0,023 |
| 2 | 300 | 8 | 90 | 0,020 |
В таблице 2: σв - предел прочности, δ - относительное удлинение после разрыва, ρ - удельное сопротивление.
Как видно из таблицы 2, свойства сплавов позволяют применять данные сплавы для изготовления профилей коллекторов электрических двигателей.
Сплав на основе меди для коллекторов электрических двигателей, содержащий цирконий, иттрий и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| хром | более 0,05 до 0,38 |
| цирконий | более 0,06 до 0,1 |
| иттрий | более 0,05 до 0,1 |
| примеси | до 0,1 |
| медь | остальное |
