Высокопрочный провод и способ его изготовления Российский патент 2018 года по МПК H01B1/02 

Изобретение относится к металлургии и электротехнике и может быть использовано при получении высокопрочных электрических проводников (далее - проводов) c электропроводностью близкой к электропроводности медных проводов, предназначенных, в частности, для применения в кабельных и проводниковых изделиях, работающих в особо тяжелых условиях, связанных с высокими механическими, в том числе циклическими, нагрузками растяжения и изгиба и воздействием повышенных температур, например для нефтепогружных или геодезических кабелей. Данные провода также особенно перспективны для применения в качестве обмоточных проводов магнитных систем с предельно высоким уровнем создаваемого электромагнитного поля для технологий, которые получают все большее распространение при производстве импульсных спектрометров для научных целей, используемых в областях фармацевтики и медицины, а также высокоэффективных устройств электромагнитной штамповки в машиностроении.

Известны конструкции и способы получения проводов с повышенными прочностными свойствами, которые реализуются на основе использования однофазных низколегированных сплавов на основе меди, таких как, например, Cu-0,1% Ag [Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. М.: Машиностроение, 2004, 336 с.]. В таких проводах повышение механической прочности (σ_в - временное сопротивление разрыву при растяжении) достигается путем модификации микроструктуры посредством пластической холодной деформации методами обработки металлов давлением, что сопровождается введением большого количества линейных дефектов в виде краевых и винтовых дислокаций вплоть до достижения их плотности 10¹⁰-10¹² см^-1. При этом прочность малолегированных сплавов составляет 250-400 МПа. Известно техническое решение (патент KR 1020060044189), в котором предложен высокопрочный низколегированный медный сплав, содержащий в масс. % от 0,08 до 0,20% Sn, от 0,06 до 0,20% Р, от 0,06 до 0,20% Mg, который после термообработки 500°С в течение 1 часа демонстрирует прочность до 610 МПа.

Однако, микроструктура однофазных низколегированных медных сплавов термодинамически нестабильна и, под воздействием относительно невысоких температур, равных температуре процессов возврата в сильно деформированных медных славах (150-200°С), имеет место значительное снижение плотности дислокаций и, как следствие, уменьшение механической прочности [Лайнер Д.И., Малышева Л.А., Лунева В.И. и др. Металловедение медных деформируемых сплавов, М.: Металлургия, 1973].

Известны также конструкции и способы получения высокопрочных деформируемых медных сплавов, в которых повышение механической прочности достигается путем введения в состав матричного сплава дисперсных выделений интерметаллических, либо оксидных частиц. Так, в известном техническом решении (патент CN 103352140) приведен состав сплава на основе меди (в масс. %): Si - 1-1,2%, Mg - 0,2-0,3%, V - 0,02-0,04%, Ti - 0,01-0,02%, Mn - 0,06-0,08%, Lu - 0,025%, Y - 0,05-0,07%, Cu - остальное. Для достижения высоких прочностных свойств проводят выплавку слитка, затем деформацию и термообработку старения, в процессе которой и происходит выделение в твердом растворе на основе меди мелкодисперсных упрочняющих частиц. Известно (JPH03162553] техническое решение, в соответствии с которым получают слиток сплава на основе меди, содержащий в масс. %, от 0,4 до 4,0% Ni, от 0,1 до 1,0% Si и примесные элементы Fe, Mg, Al, Mn, Co, Zn, Ti, Zr, Pb, Cd, In, Ag и P, суммарная концентрация которых ограничивается интервалом от 0,001 до 2,0 масс. %. Слиток сплава подвергают термообработке при температуре более 700°С для перевода легирующих компонентов в твердый раствор, проводят деформацию заготовки прокаткой, после чего проводят термообработку старения в температурном интервале от 300°С до 700°С.

Известны также конструкция и способ получения дисперсионнотвердеющего высокопрочного проводника, в частности, применяемого для производства контактных соединителей, выполненного из сплава меди с 2% бериллия [Берман С.И. Меднобериллиевые сплавы, их свойства, применение и обработка. - М.: Металлургия, 1966], в котором сплав получают методом вакуумной плавки, слиток подвергают закалке с формированием пересыщенного твердого раствора, проводят последующие операции пластической деформации в закаленном состоянии и термообработку -старение. Получаемый готовый проводник содержит в матричной меди высокодисперсные (менее 1 мкм) выделения второй фазы в виде Cu-Ве хрупкого интерметаллического соединения. Величина предела прочности провода достигает значений 800-950 МПа. Однако удельное электросопротивление этого сплава составляет 0,1 Ом*мм²/м (17% IACS), что примерно в 6 раз превышает электросопротивление электротехнической меди. Кроме того, бериллий является токсичным элементом, что затрудняет и удорожает технологические процессы получения сплавов.

Провода, полученные в соответствии с описанными выше технологиями, как правило, имеют следующее сочетание свойств прочности и электропроводности: временное сопротивление при растяжении в диапазоне 300 МПа - 800 МПа при электропроводности в диапазоне 20-60% IACS (IACS - Международный стандарт отожженной меди, где 100% IACS=1,7241 μΩ*см). Однако, высокопрочные дисперсноупрочненные провода на основе меди характеризуются более низкими значениями усталостной прочности и имеют более низкую стойкость к деформации изгиба. Это связано с тем, что внутри пластичной матрицы распределены хрупкие, некогерентно связанные с матрицей, включения интерметаллических соединений. Данные включения являются концентраторами напряжений в проводе, что приводит к зарождению микротрещин на границах раздела упрочняющих интерметаллических выделений и матричной меди и к последующему разрушению провода. Появление трещин наиболее часто инициируется в областях провода, расположенных на поверхности.

Для улучшения стойкости провода к изгибным деформациям путем снижения вероятности зарождения микротрещин в поверхностных слоях были предложены композиционные провода. В данных технических решениях общим является выполнение периферийной части провода из меди или низколегированного сплава на основе меди.

При этом прочностные свойства композиционного провода рассчитываются по правилу аддитивности в соответствии с формулой:

σ_в(comp)=σ_в(с)*V_c+σ_в(о)*(1-V_c)

где σ_в(comp) - предел прочности композиционного провода,

σ_в(с) - предел прочности высокопрочного компонента провода,

σ_в(о) - предел прочности оболочки провода,

V_c - объемная доля высокопрочного компонента провода.

Известна конструкция композиционного высокопрочного, высокоэлектропроводного провода, содержащего сердечник из медного сплава и наружный слой из высокочистой бескислородной меди [CN 102420024 (А)]. Наружный слой высокочистой меди формируют методом электролитического осаждения. Высокопрочный дисперсионнотвердеющий медный сплав состоит из 0,5-0,8% Mg, 0,6-0,9% Ni, 0,2-0,4% Si, 0,1-0,2% Zr и остальное Cu. Наличие в периферийной части провода слоя чистой меди улучшает способность к изгибу данного проводника, однако полностью не устраняет принципиально присущий дисперсионнотвердеющим сплавам недостаток, связанный с наличием внутри пластичной медной матрицы некогерентно связанных с ней хрупких оксидных или интерметаллических включений. Кроме того, применение электролиза для нанесения наружного слоя чистой меди приводит к возможности формирования пористости в данном слое, а также к затруднению при дальнейшей пластической деформации провода волочением ввиду дендритного характера электролитически осажденного слоя меди.

Известна также конструкция композиционного высокопрочного провода, которая содержит продольно расположенный сердечник из высокоэлектропроводной меди, размещенный в оболочке из высокопрочного деформируемого сплава, например из стали [H. Jones and М. Van Cleemput "Copper stainless steel macrocomposite conductor" in "High Magnetic Fields: applications, generation, materials" ed. by H. Schneider-Muntau, World Scientific Publishing Co, 1997, pp. 499-510]. Величина предела прочности такого провода, содержащего сердечник из бескислородной электротехнической меди в оболочке из высокопрочной стали аустенитного класса марки SS304, составляет 850 МПа, а усредненная по сечению электропроводность составляет 60% от электропроводности чистой меди. Недостатком данного проводника является трудность формирования электрических контактов с проводником, что связано с тем, что наружный слой проводника выполнен из материала, обладающего низкой электропроводностью.

Известны композиционные высокопрочные провода с достаточно высокой электропроводностью, которые выполнены из матричного материала с высокой электропроводностью, обычно - высокочистой меди, 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, Та, Cr, Fe, V [J. Bevk, James P. Harbison, Joseph L. Bell. Anomalous increase in strength of in situ formed Cu-Nb multifllamentary composites. J. Appl. Phys., v. 49 (12), 1978, p. 6031-6038; 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]. В этих работах экспериментально установлено, что для достижения высоких значений прочности, существенно превышающих значения прочности, рассчитанные по правилу смеси, необходимо, чтобы размер волокон составлял в поперечном сечении 20-50 нм. При выполнении данного условия предел прочности такого проводника достигает величин 800 МПа для системы Cu-Fe и 2000 МПа для системы Cu-Nb.

При этом электропроводность данного типа проводников имеет недостаточно высокие значения в интервале от 30 до 60% от электропроводности чистой меди, что сильно сужает возможности применения таких высокопрочных проводников в электротехнике. Кроме того, 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 приводит к обрывам провода при его изготовлении и повышает склонность к коррозии, что снижает надежность использования таких проводов в ответственных изделиях электротехники и электроники. Кроме того, композиционные высокопрочные проводники из Cu-Та или Cu-V имеют высокую стоимость.

Известен способ получения композитного провода в виде волокнистого материала Cu-Nb [патент US 4378330]. В данном способе проводится плавление сплава Си с (15-60) масс. % Nb в тигле из оксида циркония, стабилизированного иттрием, оксида иттрия или оксида тория в инертной атмосфере (высокочистом аргоне) при температуре от 1850°С до 1880°С в течение времени от 5 минут до 15 минут. Расплав затем выливают в медную водоохлаждаемую изложницу и проводят направленную кристаллизацию с донной части слитка. При этом формируется in situ композит, содержащий дендритные выделения ниобия, равномерно распределенные в медной матрице. Затем слиток деформируют ковкой и волочением.

Недостатком известного метода является высокая технологическая трудность проведения плавки крупномасштабных слитков сплава, имеющего высокую температуру плавления, в керамических тиглях большого объема и высокая вероятность загрязнения сплава в результате контакта с материалом тигля при температурах более 1850°С.

Известны технические решения [US 5043025А и WO 2003074746 А1] в которых предложен способ получения волокнистых композиционных проводников Cu-Fe и Cu-Nb, в котором для устранения технологических трудностей изготовления слитков сплавов методом вакуумной плавки в керамических тиглях применяют метод порошковой металлургии для формирования исходной заготовки Cu-Fe [US 5043025А] или Cu-Nb [WO 2003074746 А1]. При получении провода Cu-Nb [WO 2003074746 A1] материал провода представляет собой сплав меди с содержанием ниобия от 0,1 до 50 атомных %, причем ниобий находится в медной матрице либо в виде частиц диаметром 5-100 нм, либо в виде волокон диаметром 5-100 нм и длиной, более чем в 4 раза превышающей их диаметр. Согласно предложенному способу исходные порошки меди и ниобия совместно перемешивают и размалывают в шаровой мельнице, после чего формируют заготовку, деформируют ее и подвергают как минимум одной термообработке при температуре более 500°С. Процесс размола выполняют при температуре от -196°С до -10°С, а емкость, в которой проводится размол, охлаждается жидким азотом или этанолом, при этом происходит механоактивация части порошка, с достижением принудительного растворения ниобия в решетке меди. Данный способ позволяет получить сплав с электропроводностью в интервале 50-80% IACS и пределом прочности в интервале 1200-2000 МПа.

Основными недостатками способа являются присущие порошковой технологии высокая себестоимость и трудность сохранения высокой чистоты по газовым примесям исходных порошков, вследствие высокой склонности ниобия к окислению. Повышенная концентрация газовых примесей, в частности кислорода, приводит к низкой технологичности и высокой обрывности провода при его деформации волочением.

Частично недостатки изобретения, описанного в заявке WO 2003074746 А1, связанные с технологическими трудностями вакуумной плавки слитков сплава Cu-Nb в керамических тиглях, решены в заявке US 2013/0319723 А1, в которой описан композиционный высокопрочный волокнистый Cu-Nb проводник и способ его получения. Проводник представляет собой композитный провод, состоящий из медной оболочки и сердцевины из большого числа (несколько десятков миллионов) единичных композитных волокон. Каждое композитное волокно состоит из трех труб, последовательно надетых на стержень. Внешняя труба, которая является оболочкой единичного композитного волокна, выполнена из меди, вторая труба выполнена из металла (не образующего твердого раствора с медью), третья труба выполнена из меди, а стержень выполнен из металла (не образующего твердого раствора с медью). Таким образом, для системы Cu-Nb единичное композитное волокно представляет собой ниобиевое волокно цилиндрической формы, окруженное медью, которая в свою очередь окружена трубным ниобиевым волокном, которое окружено внешней медной оболочкой. Способ получения этого композитного провода включает изготовление исходной заготовки единичного композитного волокна из трех труб и стержня, деформацию заготовки на меньший диаметр с использованием общеизвестных методов термомеханической обработки, и дальнейшей разрезки на нужное количество элементов (М). Из полученных элементов и медного чехла делают следующую композиционную заготовку (уже многоволоконную), также деформируют композиционную заготовку на меньший диаметр с использованием общеизвестных методов термомеханической обработки и режут ее на нужное количество элементов. Процесс повторяют нужное число раз (N) и в результате получают проводник, состоящий из не менее чем одной медной оболочки и сердцевины из большого числа (M^N) единичных композитных волокон диаметром до нескольких десятков нанометров.

В качестве общеизвестных методов термомеханической обработки авторы патента указывают дегазацию заготовок до горячего прессования при температурах 200°С или 400°С в вакууме, горячее прессование заготовок, для которого они определяют температуру нагрева заготовок (700°С), и волочение заготовок. В качестве реальных значений количества элементов (М) для многоволоконных заготовок авторы дают значение 85, а для реальных значений количества многоволоконных сборок (N)-4. Таким образом, данный способ является частным примером способа получения композитов «сборка-деформация», в приводимом авторами варианте получения проводника количество единичных композитных волокон (M^N) превышает значение 52,2 миллиона. Размеры поперечных сечений Nb стержней или трубок в проводах составляют 50-200 нм. Достигаемая прочность проводов, приведенная в описании патента, составляет величину порядка 1000 МПа.

Недостатком способа является высокая себестоимость, связанная с очень длинной технологической цепочкой, включающей как минимум 4 цикла сборки составных заготовок, аргонодуговой и/или электронно-лучевой заварки заготовок в вакуумной камере, дегазационного отжига в вакуумной печи, горячего прессования, многостадийного волочения, химического травления поверхности прутков, медной оболочки и медных крышек перед сборкой заготовки. Высокая вероятность обрывности при деформации волочением такого провода в ходе длительного технологического процесса приводит к низким значениям выхода в годное и, как следствие, к высокой себестоимости процесса изготовления провода.

Недостатком материала является сложность конструкции проводника, а также многостадийность процесса получения проводника, который предполагает получение трубных и прутковых полуфабрикатов различных типоразмеров, проведение многократных серий операций химического травления компонентов, вакуумной дегазации, сборки композиционных заготовок, аргонодуговой и электроннолучевой сварки композиционных заготовок, экструзии и волочения. При этом, микроструктура волокон ниобия (в виде стержней и трубок) не оптимальна. Это объясняется тем, что наибольшая прочность в композиционных материалах упрочненных продольно расположенными волокнами достигается при форме сечения волокон в виде вытянутых овалов или лент. При плотной упаковке таких волокон жесткость композитов повышается в несколько раз, по сравнению с таковой для круглых волокон [Ванин Г.А., Махутов Н.Л. - в кн. Актуальность проблемы механики деформируемого твердого тела. Часть 1. Алма-Ата, 1991, с. 173-192].

Известна конструкция композиционного высокопрочного высокоэлектропроводного проводника, содержащего, по крайней мере, один высокопрочный продольно расположенный элемент, содержащий равномерно распределенные по сечению высокопрочного элемента вытянутые вдоль продольной оси провода волокна ленточного сечения из металла или сплава на основе этого металла, не образующего с медью интерметаллических соединений, причем толщина ленточного волокна находится в интервале 20-1000 нм, а расстояние между волокнами в поперечном сечении высокопрочного элемента составляет 10-1000 нм и наружную металлическую оболочку, выполненную из меди или сплава на основе меди или стали и имеет толщину 10-20 мкм [патент РФ 2074424]. Это техническое решение принято за прототип.

Недостаток этого технического решения в том, что конструкция композиционного провода, не обеспечивает достижения максимально возможного сочетания механической прочности и электропроводности.

Задачей настоящего изобретения является повышение механической прочности композиционного провода при сохранении высокой электропроводности в широком диапазоне заданного сочетания свойств прочность-электропроводность для проводов широкого диапазона сечений в интервале от 300 мм² до 0,0007 мм². Кроме того задача изобретения состоит в снижении трудоемкости процесса изготовления Cu-Nb провода за счет уменьшения обрывности в процессе деформации волочением.

Технический результат, достигаемый с помощью изобретения, заключается в создании Cu-Nb нанокомпозиционных проводов с площадью поперечного сечения от 300 мм² до 0,0007 мм²⁰ и с заранее заданным сочетанием свойств прочности -электропроводности в диапазоне от 600 МПа при 40% IACS до 2200 МПа при 90% IACS.

В соответствии с изобретением высокопрочный провод с повышенной электропроводностью на основе меди содержит, по крайней мере, один продольно расположенный высокопрочный элемент в наружной оболочке из меди или сплава на основе меди. Высокопрочный элемент содержит медную матрицу и равномерно распределенные по сечению вытянутые вдоль продольной оси провода волокна ленточного сечения. Волокна выполнены из ниобия или сплава на основе ниобия, не образующего с медью интерметаллических соединений. Толщина ленточных волокон не превышает 1000 нм, а расстояние между волокнами в поперечном сечении высокопрочного элемента составляет 10-1000 нм.

Волокна ленточного сечения в поперечном сечении имеют форму ленты, при отношении толщины и ширины поперечного сечения волокон в интервале от 0,03 до 0,25. Толщина волокна задана в интервале от 5 до 400 нм, а длина волокон превышает ширину ленточного волокна не менее чем в 30 раз. Направление аксиальной текстуры волокон <110> параллельно направлению аксиальной текстуры матрицы <111>.

Частные варианты выполнения проводника характеризуются следующими параметрами. Волокна высокопрочного, продольно расположенного элемента провода выполнены из ниобия или сплава на его основе, причем объемная доля волокон составляет от 0,05 до 0,25. Отношение толщины оболочки из меди или сплава на основе меди к диаметру провода составляет от 0,02 до 0,15.

Поставленная задача решается также с помощью применения нового способа. Заявляемый способ получения высокопрочного провода с указанными выше характеристиками включает следующие операции:

- материал для высокопрочного элемента получают вакуумной дуговой плавкой с расходуемым электродом,

- формируют композиционную заготовку путем размещения полученного слитка в цилиндрическую трубу, выполненную из меди или сплава на основе меди,

- деформируют композиционную заготовку прессованием с вытяжкой более 2,

- прессованный пруток деформируют волочением до конечного диаметра провода,

- в процессе волочения проводят, по крайней мере, одну термообработку при температуре превышающей температуру рекристаллизации ниобия или сплава на его основе в течение времени 1-10 часов и проводят, по крайней мере, одну термообработку при 250-550°С в течение 0,5-5 часов.

В соответствии с частным вариантом осуществления способа в процессе волочения проводят, по крайней мере, одну термообработку при 700-800°С в течение 1-5 часов и, по крайней мере, одну термообработку при 300-500°С в течение 0,5-3 часов.

В заявляемом изобретении технический результат достигается формированием особой структуры высокопрочного Cu-Nb сердечника, в котором объемная доля Nb составляет от 5 до 25%. Материал сердечника выполняется в виде ниобиевых волокон ленточного типа, которые равномерно распределены в медной матрице. Причем размеры волокон ленточной формы характеризуются следующими соотношениями:

толщина составляет от 5 до 400 нм, отношение толщины к ширине от 0,03 до 0,25; длина волокон превышает ширину ленточного волокна не менее, чем в 30 раз.

Высокопрочный высокоэлектропроводный материал сердечника с такой структурой имеет высокое значение поверхности межфазных границ между матрицей и волокнами, а также характеризуется высокой дисперсностью структуры с расстоянием между ниобиевыми волокнами в интервале 40÷1000 нм.

Такая структура сердечника позволяет обеспечить прочность материала в интервале 600÷2200 МПа при комнатной температуре при сохранении его высокой электропроводности.

Выбор предельного значения содержания Nb для материала сердечника высокопрочного провода обусловлен тем, что при его содержании менее 5 объемных процентов не достигается эффект аномально высокого повышения механической прочности провода, а при объемном содержании волокон превышающем 25 процентов имеет место резкое снижение технологичности процессов получения провода, выражающееся в массовых обрывах.

Приведенная выше совокупность существенных признаков изобретения раскрывает его сущность, которая выражается, в частности, в особенностях структуры сердечника и конструкции высокопрочного провода из нанокомпозиционного материала на основе системы Cu-Nb, а также особенности технологии изготовления этого провода.

Изобретение поясняется конкретными примерами осуществления способа.

В качестве основных исходных материалов для изготовления предложенных проводов использовали медь марок М00_б и М00_к (ГОСТ 859-2001) и ниобий марки НБ-1 (ГОСТ 16099-80). При изготовлении провода исходный Cu-Nb материал получают в виде слитка, и в процессе дальнейшей обработки из него получают готовый провод пластической деформацией прессованием и последующим волочением с промежуточными термообработками. Способ получения высокопрочного высокоэлектропроводного Cu-Nb провода включает следующие основные операции:

- получение слитка сплава Cu-Nb методом вакуумной плавки с расходуемым электродом,

- формирование цилиндрической заготовки проводника, содержащей сердечник из сплава Cu-Nb и наружную цилиндрическую трубную оболочку из меди или низколегированного сплава на основе меди,

- дегазация цилиндрической заготовки проводника при температурах 300-500°С в течение 1-3 часов,

- горячее прессование заготовки с предварительным нагревом цилиндрической заготовки в интервале температур 600°С-800°С и выдержкой в течение двух часов,

- деформация волочением прессованного прутка с не менее чем двумя промежуточными термообработками, причем высокотемпературные термообработки проводят при температуре 700°С-800°С, а низкотемпературные термообработки проводят при температуре 250°С-550°С, причем после каждой из высокотемпературных термообработок проводят деформацию волочением со степенью деформации (InAo/А) более 2,4, но менее 6. Проведение высокотемпературной термообработки при температурах в интервале 700°С-800°С (превышающих температуру рекристаллизации деформированного ниобия) в течение длительного времени приводит к необходимому изменению микроструктуры провода путем превращения ленточных текстурированных волокон в не текстурированные сферические выделения.

Проведение низкотемпературных термообработок при температуре 250°С-550°С не приводит к изменению морфологии структуры ленточных выделений. Происходит перераспределение дислокационной структуры в материалах матрицы, волокон и в граничных областях сердечника из сплава Cu-Nb в деформированных проводниках, а также проходит рекристаллизационный отжиг в материале оболочки проводника из меди или ее сплава. При этом главным образом повышаются электропроводящие свойства проводника без значительного снижения его прочностных свойств. При температурах менее 250°С эффект улучшения комплекса электропроводящих и механических свойств не достигается. При температурах выше 550°С происходит сильное снижение прочностных свойств. При длительности низкотемпературной термообработки менее 0,5 часа не успевают пройти процессы изменения структуры, и не достигается существенного улучшения комплекса электропроводящих и механических свойств. При длительности низкотемпературной термообработки более 5-ти часов не происходит дальнейшего изменения достигнутых свойств, поскольку все процессы перестройки дислокационной структуры успевают пройти, а диффузионные процессы преобразования морфологии ниобиевых ленточных выделений при низких температурах практически не происходят.

При деформации волочением со степенью деформации (InAo/А) менее 2,4 не образуется необходимая структура ленточных волокон, толщина которых составляет от 5 до 400 нм, отношение толщины к ширине от 0,03 до 0,25; а длина волокон превышает ширину ленточного волокна не менее чем в 30 раз, и не происходит образования необходимой взаимной текстурной ориентации материалов матрицы и волокон, характеризующейся тем, что направление аксиальной текстуры ниобиевых волокон <110> параллельно направлению аксиальной текстуры медной матрицы <111>. При деформации волочением со степенью деформации более 6 происходит массовая обрывность ниобиевых волокон и, как следствие, резкое уменьшение выхода в годное готового проводника.

Пример 1. Получение проводника осуществляли следующим способом. Слиток сплава медь-18% ниобия диаметром 95 мм получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом и обтачивали на диаметр 90 мм. Изготавливали цилиндрическую медную трубную заготовку толщиной 5 мм и длиной, равной длине стержня слитка, увеличенной на толщину двух круглых медных крышек, имеющих диаметр, равный диаметру стержня слитка. Из полученного стержня сплава Cu-18% Nb, цилиндрической медной трубной заготовки и медных крышек собирали композиционную заготовку проводника путем размещения стержня сплава Cu-18% Nb внутри цилиндрической медной трубной заготовки, размещения с обеих сторон стержня слитка круглых медных крышек и герметизации заготовки на установке электронно-лучевой сварки путем приваривания медных крышек к цилиндрической медной трубной заготовке по всему периметру. Далее проводили горячее прессование герметизированной заготовки на гидравлическом прессе из контейнера диаметром 100 мм в матрицу диаметром 30 мм (In μ=2,4) с предварительным нагревом до температуры 600°С и выдержкой в течение двух часов. Полученный пруток деформировали вхолодную волочением до диаметра 0,3 мм с промежуточными термообработками. Первую высокотемпературную термообработку прутка диаметром 10,4 мм проводили при температуре 800°С в течение 1 часа, затем пруток деформировали до диаметра 3,1 мм (In μ=2,4) и проводили вторую низкотемпературную термообработку при температуре 450°С также в течение 1 часа после чего заключительную деформацию волочением проводили до получения готового провода (In μ=4,7).

Для провода, полученного в соответствии с примером 1: предел прочности 2000 МПа, электропроводность - 40% IACS;

Пример 2. Получение проводника осуществляли следующим способом. Слиток сплава медь-18% ниобия диаметром 100 мм получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом и обтачивали на диаметр 96 мм. Изготавливали цилиндрическую медную трубную заготовку с толщиной стенки 2 мм и длиной, равной длине стержня слитка, увеличенной на толщину двух круглых медных крышек, имеющих диаметр, равный диаметру стержня слитка. Из полученного стержня сплава Cu-18% Nb, цилиндрической медной трубной заготовки и медных крышек собирали композиционную заготовку проводника путем размещения стержня сплава Cu-18% Nb внутри цилиндрической медной трубной заготовки, размещения с обеих сторон стержня слитка круглых медных крышек и герметизации заготовки на установке электронно-лучевой сварки путем приваривания медных крышек к цилиндрической медной трубной заготовке по всему периметру. Далее проводили горячее прессование герметизированной заготовки на гидравлическом прессе из контейнера диаметром 100 мм в матрицу диаметром 30 мм (In μ=2,4) с предварительным нагревом до температуры 600°С и выдержкой в течение двух часов. Полученный пруток деформировали вхолодную волочением до диаметра 0,3 мм с промежуточными термообработками. Первую высокотемпературную термообработку прутка диаметром 10,4 мм проводили при температуре 800°С в течение 1 часа, затем пруток деформировали до диаметра 3,1 мм (In μ=2,4) и проводили вторую низкотемпературную термообработку при температуре 450°С также в течение 1 часа после чего заключительную деформацию волочением проводили до получения готового провода (In μ=4,7).

Для провода, полученного в соответствии с примером 2: предел прочности 2100 МПа, электропроводность - 39% IACS;

Пример 3. Получение проводника осуществляли следующим способом. Слиток сплава медь-18% ниобия диаметром 75 мм получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом и обтачивали на диаметр 70 мм. Изготавливали цилиндрическую медную трубную заготовку с толщиной стенки 15 мм и длиной, равной длине стержня слитка, увеличенной на толщину двух круглых медных крышек, имеющих диаметр, равный диаметру стержня слитка. Из полученного стержня сплава Cu-18% Nb, цилиндрической медной трубной заготовки и медных крышек собирали композиционную заготовку проводника путем размещения стержня сплава Cu-18% Nb внутри цилиндрической медной трубной заготовки, размещения с обеих сторон стержня слитка сплава Cu-18% Nb круглых медных крышек и герметизации заготовки на установке электронно-лучевой сварки путем приваривания медных крышек к цилиндрической медной трубной заготовке по всему периметру. Далее проводили горячее прессование заготовки на гидравлическом прессе (с предварительным нагревом до температуры 600°С и выдержкой в течение двух часов) из контейнера диаметром 100 мм в матрицу диаметром 30 мм (In μ=2,4). Полученный пруток деформировали вхолодную волочением до диаметра 0,3 мм с промежуточными термообработками. Первую высокотемпературную термообработку прутка диаметром 10,4 мм проводили при температуре 800°С в течение 1 часа, затем пруток деформировали до диаметра 3,1 мм (In μ=2,4) и проводили вторую низкотемпературную термообработку при температуре 450°С в течение 1 часа после чего заключительную деформацию волочением проводили до получения готового провода (In μ=4,7).

Для провода, полученного в соответствии с примером 3: предел прочности 800 МПа, электропроводность - 90% IACS.

Пример 4. Получение проводника осуществляли следующим способом. Слиток сплава медь-18% ниобия диаметром 100 мм получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом и обтачивали на диаметр 97 мм. Изготавливали цилиндрическую медную трубную заготовку с толщиной стенки, равной 1,5 мм, и длиной, равной длине стержня слитка, увеличенной на толщину двух круглых медных крышек, имеющих диаметр, равный диаметру стержня слитка. Из полученного стержня сплава Cu-18% Nb, цилиндрической медной трубной заготовки и медных крышек собирали композиционную заготовку проводника путем размещения стержня сплава Cu-18% Nb внутри цилиндрической медной трубной заготовки, размещения с обеих сторон стержня слитка круглых медных крышек и герметизации заготовки на установке электронно-лучевой сварки путем приваривания медных крышек к цилиндрической медной трубной заготовке по всему периметру. Далее проводили горячее прессование герметизированной заготовки на гидравлическом прессе из контейнера диаметром 100 мм в матрицу диаметром 30 мм (In μ=2,4) с предварительным нагревом до температуры 600°С и выдержкой в течение двух часов. Полученный пруток деформировали вхолодную волочением до диаметра 10,4 мм. Первую высокотемпературную термообработку прутка диаметром 10,4 мм проводили при температуре 800°С в течение 1 часа, затем пруток деформировали до диаметра 3,1 мм и проводили вторую низкотемпературную термообработку при температуре 450°С в течение 1 часа. При дальнейшей деформации провода волочением, начиная с диаметра 0,8 мм, имели место множественные обрывы, что инициировалось локальными разрушениями наружной оболочки.

Пример 5. Получение проводника осуществляли следующим способом. Слиток сплава медь-18% ниобия диаметром 70 мм получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом и обтачивали на диаметр 65 мм. Изготавливали цилиндрическую медную трубную заготовку с толщиной стенки 17,5 мм и длиной, равной длине стержня слитка, увеличенной на толщину двух круглых медных крышек, имеющих диаметр, равный диаметру стержня слитка. Из полученного стержня сплава Cu-18% Nb, цилиндрической медной трубной заготовки и медных крышек собирали композиционную заготовку проводника путем размещения стержня сплава Cu-18% Nb внутри цилиндрической медной трубной заготовки, размещения с обеих сторон стержня слитка круглых медных крышек и герметизации заготовки на установке электронно-лучевой сварки путем приваривания медных крышек к цилиндрической медной трубной заготовке по всему периметру. Далее проводили горячее прессование заготовки на гидравлическом прессе (с предварительным нагревом до температуры 600°С и выдержкой в течение двух часов) из контейнера диаметром 100 мм в матрицу диаметром 30 мм (In μ=2,4). Полученный пруток деформировали вхолодную волочением. При деформации провода волочением, начиная с диаметра 15,0 мм, имели место множественные обрывы, что инициировалось разрывами внутреннего стержня сплава Cu-18% Nb.

Пример 6. Получение проводника осуществляли следующим способом. Слиток сплава медь-18% ниобия диаметром 100 мм получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом и обтачивали на диаметр 96 мм. Изготавливали цилиндрическую медную трубную заготовку с толщиной стенки 2 мм и длиной, равной длине стержня слитка, увеличенной на толщину двух круглых медных крышек, имеющих диаметр, равный диаметру стержня слитка. Из полученного стержня сплава Cu-18% Nb, цилиндрической медной трубной заготовки и медных крышек собирали композиционную заготовку проводника путем размещения стержня сплава Cu-18% Nb внутри цилиндрической медной трубной заготовки, размещения с обеих сторон стержня слитка круглых медных крышек и герметизации заготовки на установке электронно-лучевой сварки путем приваривания медных крышек к цилиндрической медной трубной заготовке по всему периметру. Далее проводили горячее прессование герметизированной заготовки на гидравлическом прессе из контейнера диаметром 100 мм в матрицу диаметром 30 мм (In μ=2,4) с предварительным нагревом до температуры 600°С и выдержкой в течение двух часов. Полученный пруток деформировали вхолодную волочением до диаметра 0,05 мм с промежуточными термообработками. Первую высокотемпературную термообработку прутка диаметром 10,4 мм проводили при температуре 800°С в течение 1 часа, затем пруток деформировали до диаметра 0,8 мм (In μ=5,1), после чего проводили вторую высокотемпературную термообработку при температуре 800°С в течение одного часа, а затем проводили деформацию волочением до получения проводника диаметром 0,05 мм и проводили низкотемпературную термообработку при 250°С в течение 0,1 часа.

Для провода, полученного в соответствии с примером 6: предел прочности 2200 МПа, электропроводность - 40% IACS;

Пример 7. Получение проводника осуществляли следующим способом. Слиток сплава медь-18% ниобия диаметром 95 мм получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом и обтачивали на диаметр 90 мм. Изготавливали цилиндрическую медную трубную заготовку с толщиной стенки 5 мм и длиной, равной длине стержня слитка, увеличенной на толщину двух круглых медных крышек, имеющих диаметр, равный диаметру стержня слитка. Из полученного стержня сплава Cu-18% Nb, цилиндрической медной трубной заготовки и медных крышек собирали композиционную заготовку проводника путем размещения стержня сплава Cu-18% Nb внутри цилиндрической медной трубной заготовки, размещения с обеих сторон стержня слитка круглых медных крышек и герметизации заготовки на установке электронно-лучевой сварки путем приваривания медных крышек к цилиндрической медной трубной заготовке по всему периметру. Далее проводили горячее прессование герметизированной заготовки на гидравлическом прессе из контейнера диаметром 100 мм в матрицу диаметром 30 мм (In μ=2,4) с предварительным нагревом до температуры 600°С и выдержкой в течение двух часов. Полученный пруток деформировали вхолодную волочением до диаметра 0,05 мм с промежуточными термообработками. Первую высокотемпературную термообработку прутка диаметром 10,4 мм проводили при температуре 900°С в течение 1 часа, затем пруток деформировали до диаметра 0,8 мм (In μ=5,1), после чего проводили вторую высокотемпературную термообработку при температуре 700°С в течение 5 часов, а затем проводили деформацию волочением до получения проводника диаметром 0,05 мм (In μ=5,5) и проводили низкотемпературную термообработку при 550°С в течение 0,01 часа

Для провода, полученного в соответствии с примером 7: предел прочности 2100 МПа, электропроводность - 42% IACS;

Пример 8. Получение проводника осуществляли следующим способом. Слиток сплава медь-18% ниобия диаметром 95 мм получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом и обтачивали на диаметр 90 мм. Изготавливали цилиндрическую медную трубную заготовку с толщиной стенки 5 мм и длиной, равной длине стержня слитка, увеличенной на толщину двух круглых медных крышек, имеющих диаметр, равный диаметру стержня слитка. Из полученного стержня сплава Cu-18% Nb, цилиндрической медной трубной заготовки и медных крышек собирали композиционную заготовку проводника путем размещения стержня сплава Cu-18% Nb внутри цилиндрической медной трубной заготовки, размещения с обеих сторон стержня слитка круглых медных крышек и герметизации заготовки на установке электронно-лучевой сварки путем приваривания медных крышек к цилиндрической медной трубной заготовке по всему периметру. Далее проводили горячее прессование герметизированной заготовки на гидравлическом прессе из контейнера диаметром 100 мм в матрицу диаметром 30 мм (In μ=2,4) с предварительным нагревом до температуры 600'С и выдержкой в течение двух часов. Полученный пруток деформировали вхолодную волочением до диаметра 0,03 мм с промежуточными термообработками. Первую высокотемпературную термообработку прутка диаметром 10,4 мм проводили при температуре 800°С в течение 1 часа, затем пруток деформировали до диаметра 0,8 мм (In μ=5,1), после чего проводили вторую высокотемпературную термообработку при температуре 700°С в течение 5 часов, а затем проводили деформацию волочением. При достижении деформации In μ=6,0 начались множественные обрывы, что не позволило получить проводник требуемого диаметра.

Пример 9. Получение проводника осуществляли следующим способом. Слиток сплава медь-18% ниобия диаметром 75 мм получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом и обтачивали на диаметр 70 мм. Изготавливали цилиндрическую медную трубную заготовку с толщиной стенки 15 мм и длиной, равной длине стержня слитка, увеличенной на толщину двух круглых медных крышек, имеющих диаметр, равный диаметру стержня слитка. Из полученного стержня сплава Cu-18% Nb, цилиндрической медной трубной заготовки и медных крышек собирали композиционную заготовку проводника путем размещения стержня сплава Cu-18% Nb внутри цилиндрической медной трубной заготовки, размещения с обеих сторон стержня слитка сплава Cu-18% Nb круглых медных крышек и герметизации заготовки на установке электронно-лучевой сварки путем приваривания медных крышек к цилиндрической медной трубной заготовке по всему периметру. Далее проводили горячее прессование заготовки на гидравлическом прессе (с предварительным нагревом до температуры 600°С и выдержкой в течение двух часов) из контейнера диаметром 100 мм в матрицу диаметром 30 мм (In μ=2,4). Полученный пруток деформировали вхолодную волочением до диаметра 0,9 мм с промежуточными термообработками. Первую высокотемпературную термообработку прутка диаметром 10,4 мм проводили при температуре 800°С в течение 1 часа, затем пруток деформировали до диаметра 3,1 мм и проводили вторую низкотемпературную термообработку при температуре 550°С в течение 1 часа после чего заключительную деформацию волочением проводили до получения готового провода (In μ=2,5).

Для провода, полученного в соответствии с примером 9: предел прочности 600 МПа, электропроводность - 90% IACS;

Пример 10. Получение проводника осуществляли следующим способом. Слиток сплава медь-18% ниобия диаметром 95 мм получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом и обтачивали на диаметр 90 мм. Изготавливали цилиндрическую медную трубную заготовку толщиной 5 мм и длиной, равной длине стержня слитка, увеличенной на толщину двух круглых медных крышек, имеющих диаметр, равный диаметру стержня слитка. Из полученного стержня сплава Cu-18% Nb, цилиндрической медной трубной заготовки и медных крышек собирали композиционную заготовку проводника путем размещения стержня сплава Cu-18% Nb внутри цилиндрической медной трубной заготовки, размещения с обеих сторон стержня слитка круглых медных крышек и герметизации заготовки на установке электронно-лучевой сварки путем приваривания медных крышек к цилиндрической медной трубной заготовке по всему периметру. Далее проводили горячее прессование герметизированной заготовки на гидравлическом прессе из контейнера диаметром 100 мм в матрицу диаметром 30 мм (In μ=2,4) с предварительным нагревом до температуры 600°С и выдержкой в течение двух часов. Полученный пруток деформировали вхолодную волочением до диаметра 0,3 мм с промежуточными термообработками. Первую высокотемпературную термообработку прутка диаметром 10,4 мм (In μ=2,1) проводили при температуре 800°С в течение 1 часа, затем пруток деформировали до диаметра 1,0 мм (In μ=4,7) и проводили вторую высокотемпературную термообработку при температуре 800°С в течение 1 часа, далее провод деформировали волочением до конечного диаметра (In μ=2,4) и проводили низкотемпературную термообработку 500°С в течение 0,01 часа.

Для провода, полученного в соответствии с примером 10: предел прочности 1000 МПа, электропроводность - 70% IACS;

Пример 11. Получение проводника осуществляли следующим способом. Слиток сплава медь-18% ниобия диаметром 95 мм получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом и обтачивали на диаметр 90 мм. Изготавливали цилиндрическую медную трубную заготовку толщиной 5 мм и длиной, равной длине стержня слитка, увеличенной на толщину двух круглых медных крышек, имеющих диаметр, равный диаметру стержня слитка. Из полученного стержня сплава Cu-18% Nb, цилиндрической медной трубной заготовки и медных крышек собирали композиционную заготовку проводника путем размещения стержня сплава Cu-18% Nb внутри цилиндрической медной трубной заготовки, размещения с обеих сторон стержня слитка круглых медных крышек и герметизации заготовки на установке электронно-лучевой сварки путем приваривания медных крышек к цилиндрической медной трубной заготовке по всему периметру. Далее проводили горячее прессование герметизированной заготовки на гидравлическом прессе из контейнера диаметром 100 мм в матрицу диаметром 30 мм (In μ=2,4) с предварительным нагревом до температуры 600°С и выдержкой в течение двух часов. Полученный пруток деформировали вхолодную волочением до диаметра 0,3 мм с промежуточными термообработками. Первую высокотемпературную термообработку прутка диаметром 10,4 мм (In μ=2,1) проводили при температуре 800°С в течение 1 часа, затем пруток деформировали до диаметра 1,5 мм (In μ=3,9) и проводили вторую высокотемпературную термообработку при температуре 800°С в течение 1 часа, далее провод деформировали волочением до конечного диаметра (In μ=3,8) и проводили низкотемпературную термообработку 400°С в течение 0,01 часа.

Для провода, полученного в соответствии с примером 11: предел прочности 1400 МПа, электропроводность - 60% IACS;

Пример 12. Получение проводника осуществляли следующим способом. Слиток сплава медь-18% ниобия диаметром 95 мм получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом и обтачивали на диаметр 90 мм. Изготавливали цилиндрическую медную трубную заготовку толщиной 5 мм и длиной, равной длине стержня слитка, увеличенной на толщину двух круглых медных крышек, имеющих диаметр, равный диаметру стержня слитка. Из полученного стержня сплава Cu-18% Nb, цилиндрической медной трубной заготовки и медных крышек собирали композиционную заготовку проводника путем размещения стержня сплава Cu-18% Nb внутри цилиндрической медной трубной заготовки, размещения с обеих сторон стержня слитка круглых медных крышек и герметизации заготовки на установке электронно-лучевой сварки путем приваривания медных крышек к цилиндрической медной трубной заготовке по всему периметру. Далее проводили горячее прессование герметизированной заготовки на гидравлическом прессе из контейнера диаметром 100 мм в матрицу диаметром 30 мм (In μ=2,4) с предварительным нагревом до температуры 600°С и выдержкой в течение двух часов. Полученный пруток деформировали вхолодную волочением до диаметра 0,3 мм с промежуточными термообработками. Первую высокотемпературную термообработку прутка диаметром 10,4 мм (In μ=2,1) проводили при температуре 800°С в течение 1 часа, затем пруток деформировали до диаметра 2,0 мм (In μ=3,3) и проводили вторую высокотемпературную термообработку при температуре 800°С в течение 1 часа, далее провод деформировали волочением до конечного диаметра (In μ=3,8) и проводили низкотемпературную термообработку 300°С в течение 0,01 часа.

Для провода, полученного в соответствии с примером 12: предел прочности 1600 МПа, электропроводность - 50% IACS.

Достигнутый уровень свойств позволяет получать проводники для различных применений в электротехнике, в частности для использования в производстве кабельных изделий, отличающихся повышенной гибкостью, механической прочностью и стойкостью к циклическим нагрузкам, например, для применения в робототехнике или в автомобильной промышленности.

Изобретение относится к металлургии и электротехнике и может быть использовано при получении высокопрочных электрических проводов для применения в кабельных изделиях, работающих в условиях высоких механических и термических нагрузок. Провод содержит продольно расположенный высокопрочный элемент в наружной оболочке из меди или сплава на основе меди, который содержит медную матрицу и равномерно распределенные по сечению вытянутые вдоль продольной оси провода волокна ленточного сечения. Волокна выполнены из ниобия или сплава на его основе. Материал для высокопрочного элемента из ниобия или сплава на его основе получают вакуумной дуговой плавкой с расходуемым электродом; формируют композиционную заготовку путем размещения полученного слитка в цилиндрическую трубу, выполненную из меди или сплава на основе меди; деформируют композиционную заготовку прессованием с вытяжкой более 2, прессованный пруток деформируют волочением до конечного диаметра провода. Технический результат заключается в создании нанокомпозиционных проводов с заранее заданным сочетанием свойств прочность-электропроводность. 2 н. и 3 з.п. ф-лы.

1. Высокопрочный провод с повышенной электропроводностью на основе меди, содержащий наружную оболочку из меди или сплава на основе меди и, по крайней мере, один высокопрочный продольно расположенный элемент, содержащий медную матрицу и равномерно распределенные в ней продольно ориентированные волокна из ниобия или его сплава, не образующего с медью интерметаллических соединений, в котором толщина волокон не превышает 1000 нм, а расстояние между волокнами в поперечном сечении элемента составляет 10-1000 нм, отличающийся тем, что волокна в поперечном сечении имеют форму ленты, при отношении толщины ленты к ее ширине в интервале 0,03-0,25 - причем толщина волокна задана в интервале 5-400 нм, длина волокна превышает его ширину не менее чем в 30 раз, а направление аксиальной текстуры волокон <110> параллельно направлению аксиальной текстуры матрицы <111>.

2. Высокопрочный провод по п. 1, отличающийся тем, что объемная доля волокон в высокопрочном продольно расположенном элементе провода составляет от 0,05 до 0,25.

3. Высокопрочный провод по п. 1 или 2, отличающийся тем, что отношение толщины оболочки из меди или сплава на основе меди к диаметру провода составляет от 0,02 до 0,15.

4. Способ получения высокопрочного провода по п. 1, отличающийся тем, что он включает следующие операции:

- получают высокопрочный элемент вакуумной дуговой плавкой с расходуемым электродом,

- формируют композиционную заготовку, путем размещения полученного слитка в цилиндрическую трубу, выполненную из меди или сплава на основе меди,

- деформируют композиционную заготовку прессованием с вытяжкой более 2,

- прессованный пруток деформируют волочением до конечного диаметра провода,

- в процессе волочения проводят, по крайней мере, одну термообработку при температуре, превышающей температуру рекристаллизации ниобия или сплава на его основе, в течение времени 1-10 часов, после каждой из высокотемпературных термообработок проводят деформацию волочением со степенью деформации (lnAo/А) более 2,4, но менее 6, и затем проводят, по крайней мере, одну низкотемпературную термообработку при 250-550°С в течение 0,5-5 часов.

5. Способ получения высокопрочного провода по п. 4, отличающийся тем, что в процессе волочения проводят, по крайней мере, одну термообработку при 700-800°С в течение 1-5 часов, и, по крайней мере, одну термообработку при 300-500°С в течение 0,5-3 часов.