СПОСОБ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПРОВОЛОКИ ИЗ БРОНЗЫ БрХЦрК Российский патент 2009 года по МПК C22F1/08 B21C1/00 

Изобретение относится к цветной металлургии, конкретно - к области производства проволоки из низколегированных сплавов на основе меди, в частности из хромоциркониевой бронзы с добавкой кальция, марки БрХЦрК.

Доля хромсодержащих сплавов в общем выпуске низколегированных медных сплавов достигает ˜60%; наиболее широко применяются двойные «медь-хром» и тройные «медь-хром-цирконий» системы, объем их производства составляет ˜80% выпуска всех хромовых бронз. Эти системы, а также ряд более сложнолегированных хромсодержащих сплавов, обладающих уникальным сочетанием свойств, эффективно используются в теплообменных агрегатах (кристаллизаторах и других конструкциях), в машинах сварки электросопротивлением (электроды и другая арматура), в приборостроении, электротехнике, электронике, то есть в весьма наукоемких отраслях промышленности [1, 2].

Получение уникальных характеристик бронз этой группы с целью эффективного их применения невозможно, если использовать только методы холодной пластической деформации. Эти бронзы - дисперсионно твердеющие сплавы, оптимального сочетания их физических, механических и электротехнических свойств достигают после термической обработки, которая включает закалку, фиксирующую пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в зерне, и старение, в результате которого происходит распад твердого раствора и коагуляция дисперсных частиц фазупрочнителей [1, 2]. Таким образом, надлежащий уровень упрочнения в изделиях из хромоциркониевых бронз получают после закалки и старения, в процессе которых происходит выделение из твердого раствора хрома и циркония или содержащих их химических соединений [1].

Дополнительно известно, что для удовлетворения еще более повышенных требований, порожденных сложными условиями эксплуатации, применяют термодеформационную обработку (ТДО), которая кроме закалки и старения включает холодную пластическую деформацию (для проволоки, как правило, волочение), проводимую после закалки и активно влияющую на формирование соответствующей структуры при старении [3]. Особенно высокие требования предъявляются к проволоке из бронзы БрХЦрК, предназначенной для изготовления токопроводящих жил, проводов и кабелей, длительно работающих в интервале температур от минус 60 до плюс 250°С [4]. Согласно [4] к изделиям из бронзы БрХЦрК предъявляются следующие требования:

- достаточно строго регламентирован химический состав сплава, а именно: 0,15-0,25% хрома, 0,15-0,25% циркония, 0,03-0,1% кальция;

- удельное электрическое сопротивление проволоки постоянному току ρ, приведенное к температуре плюс 20°С, должно быть не более 0,020 Ом мм²/м;

- механические свойства должны быть - после низкотемпературного отпуска σ_в≥450 МПа, δ₁₀≥2%; после высокотемпературного отпуска σ_в≥400 МПа, δ₁₀≥5%.

Исключительно жесткие требования предъявляются к проволоке по гарантийному сроку хранения (12 лет), а также по сохранению ее характеристик [4]:

- допускается снижение коррозионной стойкости проволоки (с серебряным, никелевым и оловянным покрытием) не более чем на 15% при длительной эксплуатации (до 30000 часов) в интервале рабочих температур от минус 60 до плюс 250°С;

- сохранение ресурса 10000 часов при 250°С либо при влажности до 98% и температуре 40°С, либо при циклическом воздействии температур, либо при использовании в атмосфере морского тумана.

Наиболее близким предлагаемому изобретению и выбранному в качестве прототипа является способ ТДО [5], осуществляемый по следующей технологии: закалка заготовки с температуры 900°С, волочение до промежуточной заготовки с относительным обжатием не менее 66%, низкотемпературный отпуск промежуточной заготовки при температуре 450°С в течение 2 часов и волочение до готовых диаметров проволоки.

Использование известного технического решения (прототипа) позволяет получить требуемые механические свойства проволоки, но не гарантирует стабильного уровня важной электротехнической характеристики - удельного электросопротивления ρ≤0,020 Ом мм²/м: после проведения для промышленных партий продукции ТДО по известному способу значительное (до 30%) количество готовой проволоки, например, диаметрами 0,20; 0,25 и 0,38 мм имело ρ=0,020-0,022 Ом мм²/м, то есть выше значения ρ=0,020 Ом мм²/м, регламентированного по ТУ [4] как предельно максимального.

В [1, с.85] отмечено, что повышение прочности хромоциркониевых сплавов возможно, наряду с другими факторами, за счет холодной деформации, осуществляемой между закалкой и старением. Однако далее [1, с.143] указано, что холодная деформация между закалкой и старением, увеличивая прочностные свойства, снижает при этом пластичность и электропроводность. Обобщая многочисленные отечественные и зарубежные данные, авторы работы [1, с.148] приходят к выводу, что «оптимальным режимом старения хромовых и хромоциркониевых бронз следует считать нагрев до 440±20°С и выдержку при этой температуре в течение 2-4 часов». Однако следующая фраза анализируемого абзаца [1, с.148] содержит небесспорный вывод о том, что «при значительных степенях деформации после закалки температуру и время старения следует сдвигать ближе к нижним пределам». Этому выводу противоречат результаты экспериментального исследования, предпринятого заявителем. По данным НИР, проведенной заявителем в действующем производстве, относительное обжатие при волочении закаленной заготовки диаметром 5,0 мм до промежуточной заготовки диаметром 1,0 мм составило

,

где: F_o F₁ - соответственно площади сечения заготовок после закалки и после волочения.

Представляется, что относительное обжатие при получении промежуточной заготовки ε=96% следует признать весьма высоким. Однако при проведении на заводе опытных партий положительных результатов по σ_в, δ₁₀ и особенно по ρ для готовой проволоки диаметром 0,20-0,38 мм достигали при старении протянутой с ε=96% промежуточной заготовки диаметром 1,0 мм только при температуре 480-500°С и времени выдержки 4-5 часов, то есть не при режимах, сдвинутых ближе к нижним пределам (420°С и 2 часа согласно [1]), а наоборот, при значительно более высоких параметрах старения по сравнению с рекомендацией, содержащейся в [1], то есть по существу при режимах высокотемпературного отпуска. Несмотря на такие высокие значения температуры и выдержки, по результатам проведенной на заводе НИР показатели предела прочности для готовой проволоки не опускались ниже 490 МПа; по ТУ [4] предел прочности должен быть не менее 400 МПа. Практически аналогичный источнику [1] режим старения (450°С, 2 часа) содержится в прототипе [5], но использование этого режима не обеспечивает получение надлежащих значений ρ. Далее заявителем приведено истолкование (в качестве возможных) причин полученного им эффекта.

1. В реально действующем производстве, наряду с вполне управляемыми факторами - степень деформации при прессовании литых заготовок на горизонтальном гидравлическом прессе или при горячей прокатке катанки в соответствии с калибровкой валков; степень холодной деформации при волочении между закалкой и старением; режимы закалки и старения и др. имеют место обстоятельства, варьирование которых не представляется возможным - выплавка сплава в печах определенных типов, так как других нет; способ литья (полунепрерывное или наполнительное) также определен возможностями производства; температурные режимы плавки и разливки жестко заданы; зафиксирован состав покровного флюса; регламентированы пределы содержания легирующих компонентов и примесей и др. Кроме того, неизбежно присутствуют объективные, чисто технологические трудности - обеспечение точности взвешивания лигатур элементов при шихтовке; сложности попадания в заданный химсостав сплава; сложность регулирования ряда физических параметров плавки и разливки в узких пределах; оперативность в отборе литых проб и в их срочном анализе и т.д. С учетом перечисленных условий количество активно варьируемых параметров снижено и, следовательно, усложняются возможности оптимизации технологии с целью достижения требуемых нормативов, если ориентироваться только на известное техническое решение [5].

Подводя предварительный итог анализу сути упомянутых технологических особенностей, можно придти к следующему заключению. В результате комплексного влияния рассмотренных выше управляемых факторов, неварьируемых или слабо варьируемых обстоятельств, а также объективно обусловленных технологических причин заявителю удалось получить искомый результат, а именно - стабильный уровень удельного электросопротивления путем снижения температуры закалки, повышения температуры и длительности выдержки отпуска промежуточной заготовки, а также введением в технологический процесс операции отпуска готовой проволоки по соответствующему регламентированному режиму.

2. Дополнительно следует отметить следующее. В последние годы наметилась тенденция реализации стабильной технологии при использовании сырьевых материалов минимальной стоимости, достигаемой за счет ввода в эти материалы ломов. Однако при использовании разносортных ломов в качестве даже небольшой части шихтовых материалов возникает проблема достижения надлежащих характеристик готовой продукции вследствие разброса свойств изделий, поэтому практически под каждую шихтовку пришлось бы подбирать технологические параметры, обеспечивающие заданные свойства, что весьма затруднительно.

3. Достаточно ощутимое влияние на электропроводность проволоки (безразлично по отношению к ее механическим свойствам) оказывает температура нагрева под закалку. По данным опытов, проведенных заявителем с промышленными партиями проволоки, установлено, что наиболее стабильные результаты по снижению удельного электросопротивления получаются, если нагрев бунтов заготовки под закалку проводить до 800°С.

4. Кроме того, в нормативном документе, касающемся производства проволоки из бронзы БрХЦрК [4], интервалы процентного содержания легирующих компонентов резко сужены по сравнению с прототипом [5], и это тоже является немаловажным фактором, влияющим на поиск технического решения в рамках поставленной задачи.

Задачей предлагаемого способа термодеформационной обработки является получение гарантированного уровня удельного электросопротивления проволоки из бронзы марки БрХЦрК, полностью отвечающего требованию нормативного документа и строгим условиям эксплуатации.

Задача решается тем, что в отличие от известного способа, включающего закалку заготовки с температуры 900°С, волочение до промежуточной заготовки с относительным обжатием не менее 66%, низкотемпературный отпуск промежуточной заготовки при температуре 450°С в течение 2 часов и волочение проволоки до готовых диаметров, согласно предлагаемому способу закалку заготовки проводят с температуры 800°С, отпуск промежуточной заготовки проводят при температуре 480-500°С и выдержке при этой температуре 4-5 часов, после волочения проволоки до готовых диаметров проводят ее отпуск при температуре 540-550°С и времени пребывания проволоки в рабочем пространстве протяжной печи не менее 15 секунд.

Опытно-промышленные испытания на партиях проволоки диаметром 0,2 мм, приведенные по режимам известного способа [5], не дали положительных результатов по удельному электросопротивлению проволоки (получено ρ=0,020-0,022 Ом мм²/м). Последующие изменения, внесенные в режим отпуска промежуточной заготовки (480°С, 3 часа), также не дали положительного результата по ρ. Попытка исправить ситуацию путем отпуска готовой проволоки диаметром 0,2 мм по режиму: температура 520°С, время пребывания проволоки в рабочем пространстве протяжной печи τ до 12 секунд также оказалась не полностью удачной - часть катушек проволоки (массой по 2 кг каждая) не имела требуемых значений ρ. И только после проведения отпуска готовой проволоки по режиму: 540-550°С и τ≥15 с все без исключения катушки проволоки получились годными по удельному электросопротивлению (ρ=0,0184-0,0196 Ом мм²/м). При этом для гарантированного достижения надлежащих результатов по ρ для готовой проволоки отпуск промежуточной заготовки диаметром 1,0 мм осуществляли по режиму: t≥480°С, τ≥4 ч; нагрев бунтов заготовки с целью закалки проводили до температуры 800°С.

Во избежание появления признаков снижения прочностных свойств вследствие довольно высоких температур отпуска готовой проволоки, равных 540-550°С, согласно предлагаемому способу применяют следующий технологический прием. Шпули с готовой проволокой перед ее отпуском в протяжной печи устанавливают вертикально, а катушки для смотки проволоки, прошедшей отпуск, - горизонтально. В результате съем каждого витка проволоки со шпули сопровождается ее скручиванием вокруг продольной оси приблизительно на один оборот, то есть на угол 360°=2π. При известных параметрах - расстоянии между шпулей и катушкой L, равном 8000 мм, диаметре полностью заполненной проволокой шпули Д_max=400 мм и диаметре шпули с последним снимаемым с нее слоем проволоки Д_min=200 мм можно рассчитать число скручиваний в том и другом случае N_min и N_max:

Таким образом, проволока в процессе отпуска в протяжной печи при размотке со шпули и намотке на катушку испытывает от 3 до 6 скручиваний, и эта дополнительная деформация кручения препятствует возможному снижению предела прочности готовой проволоки.

Способ на примере производства проволоки диаметром 0,2 мм из бронзы марки БрХЦрК осуществляется следующим образом. Слитки полунепрерывного литья диаметром 190 мм, порезанные на шашки длиной 480 мм, подвергают прессованию при 840-850°С на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 35МН на заготовку сечением 85×85 мм, которую затем вгорячую прокатывают на мелкосортно-проволочном стане 300 на катанку диаметром 7,2 мм. Бунты катанки протягивают на однократном волочильном стане (безразлично - вертикального или горизонтального исполнения) с диаметром барабана 550 или 650 мм на заготовку диаметром 5,0 мм, которую после закалки с 800°С протягивают на шестикратной машине магазинного типа со смазкой в виде мыльной стружки через сборные волоки сначала до заготовки диаметром 3,4 мм, а затем до заготовки диаметром 1,7 мм. Далее заготовку диаметром 1,7 мм протягивают на многократной машине со скольжением, применяя смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ) в виде мыльной эмульсии, до получения промежуточной заготовки диаметром 1,0 мм; последнюю после отпуска при 480-500°С и τ=4-5 ч протягивают на многократной волочильной машине с применением СОЖ, используя до диаметра 0,5 мм твердосплавные волоки, а для проволоки диаметром менее 0,5 мм - алмазные волоки, и получают готовую проволоку диаметром 0,2 мм со смоткой на шпули с массой проволоки на каждой шпуле 35-40 кг. Завершают цикл операцией отпуска в протяжной печи ОКБ-65ТА при температуре 540-550°С и τ≥15 секунд с одновременной смоткой проволоки в пластмассовые катушки массой до 2 кг. Готовая проволока диаметром 0,20 мм имела следующие свойства: σ_в=530-589 МПа (по ТУ σ_в>450 МПа), δ₁₀=2,4-4,0 (по ТУ δ₁₀>2%), ρ=0,018-0,019 Ом мм²/м (по ТУ ρ≥0,020 Ом мм²/м).

Таким образом, параметры технологического регламента, обеспечивающего получение требуемых нормативным документом механических и электротехнических свойств проволоки, полностью соответствуют формуле заявленного способа.

Источники информации

1. Николаев А.К., Новиков А.И., Розенберг В.М. Хромовые бронзы. М.: Металлургия, 1983. 177 с.

2. Николаев А.К., Розенберг В.М. Сплавы для электродов контактной сварки. М.: Металлургия, 1978. 96 с.

3. Новиков И.И. Теория термической обработки. М.: Металлургия, 1978. 392 с.

4. ТУ48-21-680-2002. Проволока из бронзы марки БрХЦрК. Код ОКП 184690. Группа В74.

5. А.с. №440907. Сплав на основе меди. Опубл. 25.02.79. Бюл. №7.

Изобретение может быть использовано при производстве проволоки ответственного назначения из низколегированного медного сплава - хромоциркониевой бронзы с добавкой кальция. После закалки заготовки с температуры 800°С проводят ее волочение до промежуточной заготовки. Низкотемпературный отпуск промежуточной заготовки проводят при температуре 480-500°С с выдержкой 4-5 часов. А после ее волочения осуществляют отпуск готовой проволоки в протяжной печи при температуре 540-550°С в течение не менее 15 секунд. Приведенная обработка позволяет гарантированно получить физико-механические характеристики проволоки, в частности удельное электросопротивление, полностью соответствующие требованиям нормативных документов и жестким условиям эксплуатации.

Способ изготовления проволоки из бронзы БрХЦрК термодеформационной обработкой, включающий закалку заготовки, волочение ее до промежуточной заготовки, низкотемпературный отпуск промежуточной заготовки и волочение ее до готовой проволоки, отличающийся тем, что закалку заготовки проводят с температуры 800°С, отпуск промежуточной заготовки проводят при температуре 480-500°С с выдержкой 4-5 ч, а после волочения осуществляют отпуск готовой проволоки в протяжной печи при температуре 540-550°С в течение не менее 15 с.