способ получения высокопрочного электропроводящего композиционного проводника

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО КОМПОЗИЦИОННОГО ПРОВОДНИКА на основе сплава медь ниобий, при котором получают слиток сплава меди с массовым содержанием ниобия 5 25% формируют из него заготовку в виде прутка и деформируют пруток вхолодную до конечного размера, отличающийся тем, что слиток сплава получают вакуумной дуговой плавкой с расходуемым электродом, полученный слиток прессуют, а в процессе холодной деформации прутка проводят по крайней мере одну термообработку при 250 550^oС в течение 1 10 ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на промежуточной стадии деформации пруток нарезают на мерные длины и собирают в оболочку из меди или медного сплава.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к процессам изготовления особопрочных обмоточных проводников для высокополевых магнитных систем.

Известно [1] что основным ограничением в достижении особо высоких магнитных полей (свыше 50 Тл) в импульсных магнитных системах является прочность проводников, из которых изготовлены их обмотки, в соответствии с соотношением

В (1-1/), где В индукция магнитного поля, создаваемого в соленоиде;

отношение наружного и внутреннего диаметров обмотки;

_max предел прочности материала проводника.

Таким образом, для достижения необходимого уровня магнитных полей требуется использовать в качестве обмоточного провода проводник с пределом прочности на уровне 1000 МПа.

Величина _max холоднотянутой электротехнической меди, обычно используемой для изготовления обмоток магнитных систем, составляет 250-350 МПа [2]

Известны медно-серебряные сплавы с 0,1% Ag, имеющие _max 400 МПа при сохранении электропроводности на уровне 90% от электропроводности меди [3]

Недостатком этих материалов является низкая механическая прочность, что не позволяет использовать их для изготовления высокопольных магнитов.

Известен способ получения высокопрочного проводникового материала сплава меди с 2% бериллия (сплав БрБ-2) различными методами плавки с последующими деформацией в закаленном состоянии и термообработкой старением. При этом величина предела прочности достигает значения 950 МПа [4] Однако, удельное электросопротивление сплава БрБ-2 составляет 0,1 Ом мм²/м, что в 10 раз превышает электросопротивление электротехни- ческой меди, которое составляет при 20^оС величину 0,0172 Ом мм²/м.

Известен способ получения упрочненных проводников с достаточно высокой электропроводностью, при которой методом направленной кристаллизации получают слиток из сплава эвтектического состава на основе меди, например из сплава медь железо. Указанный слиток с продольно ориентированными волокнами или пластинами из упрочняющей составляющей деформируют вхолодную до конечного размера [5]

Недостаток данного метода практическая невозможность получения исходного слитка больших объемов с устойчивой регулярной структурой.

Известен способ получения композиционного высокопрочного высокоэлектропроводного провода, при котором в высокочастотной печи методом бестигельной плавки получают слиток сплава с 10-20 объемными долями ниобия и деформируют вхолодную полученный слиток до формирования провода диаметром 0,5 мм. Вследствие специфики строения фазовой диаграммы состояний системы медь-ниобий, которая заключается в отсутствии промежуточных интерметаллических соедине- ний и в низкой взаимной растворимости меди и ниобия в твердом состоянии, провод представляет собой медную матрицу с равномерно распределенными в ней дискретными ниобиевыми волокнами. При этом достигается значение _max 500-700 МПа (в зависимости от содержания Nb в сплаве), при сохранении 60% электропроводности чистой меди [6]

Недостаток этого технического решения, принятого за прототип, в том, что методом высокочастотного удержания расплава, который обеспечивает хорошее перемешивание составляющих (меди и ниобия), принципиально невозможно получить слитки большего объема, а, следовательно, и проводник достаточной длины с приемлемым поперечным сечением, необходимый для изготовления обмотки высокопольного импульсного магнита. Кроме того, при использовании операций холодной деформации композита возрастает вероятность обрывности провода малого диаметра (<1 мм) на конечных стадиях длительного процесса холодной деформации.

Цель изобретения повышение прочностных свойств длинномерного проводника с сечением укрупненного размера.

Цель достигается тем, что в отличие от прототипа, в котором используют бестигельную плавку с высокочастотным удержанием расплава сплава меди с 5-25% и холодную деформацию до конечного размера, слиток сплава получают вакуумной дуговой плавкой с расходуемым электродом, а в процессе холодной деформации проводят по крайней мере одну термообработку при 250-550^оС в течение 1-10 ч.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ получения высокопрочного электропроводящего композиционного проводника на основе сплава медь-ниобий отличается тем, что в нем для плавки исходного слитка использован метод вакуумной дуговой плавки с расходуемым электродом, а в процессе холодной деформации проводят термообработку полуфабриката провода при 250-550^оС в течение 1-10 ч.

П р и м е р. В качестве исходных шихтовых материалов используют прутки из меди марки МОБ ГОСТ 859-78 и ниобий марки НБ-1 ГОСТ 16099-80. Выплавку слитков сплава медь 20% ниобия проводят в вакуумной дуговой печи марки "ВДП-300" с расходуемым электродом в глухой кристаллизатор. Слиток диаметром 130 мм выдавливают на гидравлическом прессе усилием 1600 т.с. сначала в матрицу диаметром 93,5 мм, а затем в матрицу диаметром 30 мм. Полученные прутки диаметром 30 мм деформируют вхолодную до конечного диаметра 2 мм с отбором проб для измерения механических характеристик как без промежуточных термообработок в соответствии со способом-прототипом (маршрут 1 в табл. 1), а также по предлагаемому способу с проведением одной или двух промежуточных термообработок при 250-550^оС и времени выдержки 1-12 ч. Результаты измерений механических свойств проводов приведены в табл.2.

Таким образом, как видно из табл. 1 и 2 проводники, полученные по предлагаемому способу с использованием двух промежуточных термообработок, имеют значения _max на 200-500 МПа выше, чем для проводников, получаемых по способу-прототипу. Электропроводность полученных проводников диаметром 2 мм с _max 1200-1300 МПа составила 50-60% от электропроводности чистой меди.

Использование предлагаемого способа позволяет получать обмоточные проводники больших длин (более 100 м) и крупного поперечного сечения с _max до 1300 МПа с электропроводностью не менее 50% электропроводности чистой меди, что обеспечивает возможность создания высокопольных импульсных систем с магнитным полем более 50 Тл.

Дальнейшее повышение прочности проводов возможно лишь при увеличении величины вытяжки, однако имеющееся оборудование не позволяет получать провода диаметром 2,0 мм с величиной деформации ln 10. Поэтому была предложена технология "сборных проводов", при которой собирают составную многожильную заготовку из прутков сплава медь-ниобий в оболочке из чистой меди или из сплава на основе меди, в частности из сплава меди с ниобием. С этой целью слиток сплава медь 20% ниобия диаметром 130 мм выдавливали в матрицу диаметром 93,5 мм, а затем в матрицу диаметром 30 мм. Полученный пруток спрофилировали в шестигранник с размером "под ключ" S 10,8 мм. Шестигранный пруток разрезали и собрали составную заготовку из 37 стренгов в медном чехле диаметром 96 мм. Составную заготовку выдавили в матрицу диаметром 30 мм, а затем волочили до диаметра 2,0 мм по режиму, указанному в предыдущем примере (табл.2, режим 4).

Использование такой технологии позволило увеличить общую вытяжку от слитка до провода диаметром 2,0 мм с 4024 (ln=8,3) до 245242 (ln12,4), т.е. в 60 раз. Диаметр стренгов при этом составил 0,3 мм. Предел прочности прутков "псевдосплава", рассчитанный на сечение без меди составил 1700 МПа, что соответствует прочности псевдоодножильного провода диаметром 0,3 мм с величиной холодной деформации ln = 12,0. Таким образом, на массивном проводе достигнут предел прочности, характерный для тонких проводов.

Электропроводность полученных проводников составила 70% от электропроводности чистой меди. Достигнутый уровень свойств провода позволяет изготавливать импульсные магнитные системы, рассчитанные на предельно высокие магнитные поля (70 Тл).