RU2417468C1 - Composite high-strength wire with higher electroconductivity - Google Patents
Composite high-strength wire with higher electroconductivity Download PDFInfo
- Publication number
- RU2417468C1 RU2417468C1 RU2010102475/07A RU2010102475A RU2417468C1 RU 2417468 C1 RU2417468 C1 RU 2417468C1 RU 2010102475/07 A RU2010102475/07 A RU 2010102475/07A RU 2010102475 A RU2010102475 A RU 2010102475A RU 2417468 C1 RU2417468 C1 RU 2417468C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copper
- strength
- wire
- cross
- core
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии и электротехнике и может быть использовано при получении высокопрочных проводов для тяжелонагруженных линий электропередач, например для токопередающих контактных проводов в системе железнодорожного высокоскоростного транспорта. Предлагаемый способ позволяет изготовить высокопрочный проводник, обладающий повышенной электропроводностью и одновременно высокой устойчивостью к истиранию и высокой коррозионной стойкостью.The invention relates to metallurgy and electrical engineering and can be used to obtain high-strength wires for heavily loaded power lines, for example, for current-carrying contact wires in a high-speed railway system. The proposed method allows to manufacture a high-strength conductor with high electrical conductivity and at the same time high abrasion resistance and high corrosion resistance.
Прецизионные методы деформационного упрочнения и упрочнения выделениями интерметаллических либо оксидных частиц не обеспечивают необходимого уровня сочетания прочностных и электропроводящих свойств получаемого таким образом проводникового материала: от уровня прочности 800-900 МПа при электропроводности на уровне 80-85% IACS (IACS - Международный Стандарт Отожженной Меди, где 100% IACS=1,7241 мкм Ом*см) до уровня прочности стали 1100-1500 МПа при электропроводности на уровне 55-75% IACS.Precision methods of strain hardening and hardening by precipitation of intermetallic or oxide particles do not provide the necessary level of combination of strength and conductive properties of the conductor material obtained in this way: from a strength level of 800-900 MPa with an electrical conductivity of 80-85% IACS (IACS - International Annealed Copper Standard, where 100% IACS = 1.7241 μm Ohm * cm) to the strength level of steel 1100-1500 MPa with an electrical conductivity of 55-75% IACS.
Величина σmax холоднотянутой электротехнической меди, обычно используемой для изготовления электротехнических проводов различного назначения, в частности в виде контактных проводов для железнодорожного транспорта, составляет 250-350 МПа [Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные металлы и сплавы, М.: Металлургия, 1974 г.].The value of σ max cold-drawn electrical copper, usually used for the manufacture of electrical wires for various purposes, in particular in the form of contact wires for railway transport, is 250-350 MPa [Smiryagin A.P., Smiryagina N.A., Belova A.V. Industrial metals and alloys, M .: Metallurgy, 1974].
Известны медносеребряные сплавы с 0,1% Ag, имеющие σmax = 400 МПа при сохранении электропроводности 90% IACS [Лайнер Д.И., Малышева Л.А., Лунева В.И. и др. Металловедение медных деформируемых сплавов, М.: Металлургия, 1973 г.].Known copper-silver alloys with 0.1% Ag, having σ max = 400 MPa while maintaining electrical conductivity of 90% IACS [Liner D.I., Malysheva L.A., Luneva V.I. and other Metallurgy of copper wrought alloys, M .: Metallurgy, 1973].
Недостатком этих материалов является низкая механическая прочность, что не позволяет эффективно использовать их для изготовления высокопрочных проводов ответственного назначения.The disadvantage of these materials is their low mechanical strength, which does not allow their efficient use for the manufacture of high-strength wires for critical purposes.
Известен способ получения высокопрочного проводникового материала - сплава меди с 2% бериллия (сплав БрБ-2) различивши методами плавки с последующими деформацией в закаленном состоянии и термообработкой - старением. При этом величина предела прочности достигает значения 950 МПа [Берман С.И. Меднобериллиевые сплавы, их свойства. Применение и обработка, М.: Металлургия, 1966 г.].A known method of obtaining a high-strength conductive material - an alloy of copper with 2% beryllium (BrB-2 alloy) is distinguished by melting methods with subsequent deformation in the hardened state and heat treatment - aging. Moreover, the tensile strength reaches 950 MPa [Berman S.I. Copper beryllium alloys, their properties. Application and processing, M .: Metallurgy, 1966].
Однако удельное электросопротивление сплава БрБ-2 составляет 0,1 Ом*мм2/м, что в 10 раз превышает электросопротивление электротехнической меди, которое составляет при 20°С величину 0,0172 Ом*мм2/м.However, the specific electrical resistance of the BrB-2 alloy is 0.1 Ohm * mm 2 / m, which is 10 times higher than the electrical resistance of electrical copper, which is at 20 ° C. 0.0172 Ohm * mm 2 / m.
Известен способ получения упрочненных проводников с достаточно высокой электропроводностью, при котором 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 [H.P.Wahl and P.F.Wasserman, "Z. Metallkunde" 61/1970/, p.326].A known method of obtaining hardened conductors with a sufficiently high electrical conductivity, in which the method of directional crystallization receive an ingot from an alloy of a eutectic composition based on copper, for example from an alloy of copper-iron. Said ingot with longitudinally oriented fibers or reinforcing component plates is deformed cold to a final size [H.P. Wahl and P.F. Wasserman, "Z. Metallkunde" 61/1970 /, p. 326].
Недостаток данного метода - практическая невозможность получения исходного слитка больших объемов с устойчивой регулярной структурой.The disadvantage of this method is the practical impossibility of obtaining the original large volume ingot with a stable regular structure.
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 соединений 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 σmax = 500-700 МПа (в зависимости от содержания Nb в сплаве) при сохранении 60% электропроводности чистой меди [J.Appl.Phys. v. 49/12/, 1979, р. 6031-6038].A known method for producing a composite high-strength high-conductivity wire, in which in an high-frequency furnace by the crucibleless method, an alloy ingot with 10-20 volume fractions of niobium is obtained and the ingot obtained is deformed to form a wire with a diameter of 0.5 mm. Due to the specific structure of the phase diagram of the state of the copper - niobium system, which consists in the absence of intermediate intermetallic compounds and in the low mutual solubility of copper and niobium in the solid state, the wire is a copper matrix with discrete niobium fibers uniformly distributed in it. This achieves the value of σ max = 500-700 MPa (depending on the Nb content in the alloy) while maintaining 60% of the conductivity of pure copper [J.Appl.Phys. v. 49/12 /, 1979, p. 6031-6038].
Известны также конструкции композиционного высокопрочного высокоэлектропроводного провода, которые содержат сердечник из высокоэлектропроводной меди, размещенный в оболочке из высокопрочного сплава, например из стали [H.Jones and M. Van Cleemput "Copper stainless steel macrocomposite conductor" in "High Magnetic Fields: applications, heneration, materials" ed. by H.Schneider-Muntau, World Scientific Publishing Co, 1997, pp.499-510]. При этом прочностные свойства композиционного проводника рассчитываются по правилу смеси в соответствии с формулойComposite high-strength high-conductivity wire designs are also known that comprise a high-conductivity copper core housed in a high-strength alloy sheath, such as steel [H. Jones and M. Van Cleemput "Copper stainless steel macrocomposite conductor" in "High Magnetic Fields: applications, heneration , materials "ed. by H. Schneider-Muntau, World Scientific Publishing Co, 1997, pp. 499-510]. The strength properties of the composite conductor are calculated according to the rule of the mixture in accordance with the formula
σк=σсVс+σо(1-Vс),σ k = σ s V s + σ о (1-V s ),
где σк - предел прочности композиционного провода, σс - предел прочности сердечника, Vс - объемная доля сердечника в проводнике, σо - предел прочности материала оболочки.where σ k is the tensile strength of the composite wire, σ c is the tensile strength of the core, V s is the volume fraction of the core in the conductor, σ about is the tensile strength of the sheath material.
Экспериментальные значения прочности указанных композиционных проводников хорошо соответствуют рассчитанным по формуле значениям и составляют для провода сталь SS304-Cu величину 860 МПа при электропроводности 60% от электропроводности чистой меди [H.Jones and M. Van Cleemput "Copper stainless steel macrocomposite conductor" in "High Magnetic Fields: applications, heneration, materials" ed. by H.Schneider-Muntau, World Scientific Publishing Co, 1997, pp.499-510].The experimental strength values of these composite conductors are in good agreement with the values calculated by the formula and are 860 MPa for SS304-Cu steel wire with 60% conductivity of pure copper [H. Jones and M. Van Cleemput "Copper stainless steel macrocomposite conductor" in "High Magnetic Fields: applications, heneration, materials "ed. by H. Schneider-Muntau, World Scientific Publishing Co, 1997, pp. 499-510].
Известен высокопрочный проводник, содержащий продольно расположенный сердечник из высокочистой бескислородной меди, окруженный оболочкой из высокопрочного сплава Cu - 25-35 % Ni, причем для достижения достаточно высоких электропроводных свойств при обеспечении достаточно высокой технологичности площадь оболочки выбирается не более 14% от площади проводника [Патент Японии, JP 3141505, 1991].Known high-strength conductor containing a longitudinally arranged core of high-purity oxygen-free copper, surrounded by a sheath of high-strength alloy Cu - 25-35% Ni, moreover, to achieve sufficiently high conductive properties while ensuring sufficiently high processability, the sheath area is selected no more than 14% of the conductor area [Patent Japan, JP 3141505, 1991].
Недостатком данного проводника является недостаточно высокое достигаемое значение механической прочности (менее 800 МПа) из-за малой доли высокопрочного компонента, а также его более низкой, чем для стали прочности.The disadvantage of this conductor is the insufficiently high achieved value of mechanical strength (less than 800 MPa) due to the small proportion of the high-strength component, as well as its lower strength than steel.
Известны также высокопрочные провода с достаточно высокой электропроводностью, объем которых представляет собой матричный высокопроводящий материал, обычно - высокочистую медь, 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, Ag, Та, Cr, Fe, V. Экспериментально установлено, что для достижения высоких значений прочности, существенно превышающих значения прочности, рассчитанные по правилу смеси, необходимо, чтобы размер волокон составлял в поперечном сечении 50-20 нм. При выполнении данного условия предел прочности такого наноструктурного проводника достигает величин 800 МПа для системы Cu-Fe, 1400 МПа для системы Cu-Ag, 2200 МПа для системы Cu-Nb [J.Bevk, James P.Harbison, Joseph L. Bell "Anomalous increase in strength of in situ formed Cu-Nb multifilamentary composites" J.Appl.Phys. v.49(12), 1978, p.6031-6038; G. Frommeyer, G.Wasserman "Microstructure and anomalous mechanical properties of in situ produced Cu-Ag composite wires Acta Metallurgica, v.23(ll), 1975; 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]. При этом электропроводность данного типа проводников имеет значения от 30 до 60% от электропроводности чистой меди. Указанный рекордно высокий уровень прочностных характеристик был достигнут только для малых диаметров проводника 0,05-0,2 мм, что сильно сужает сектор применения таких высокопрочных проводников. При этом электропроводность данного типа проводников малого диаметра имеет значения от 30 до 60% от электропроводности меди. Особо следует отметить, что 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, в свою очередь, приводит к обрывам провода в ходе его изготовления. Кроме того, отсутствие наружной оболочки из медного сплава не позволяет использовать такие проводники в условиях приложения внешних механических воздействий, например в качестве контактных проводников. Такие проводники также подвержены коррозии, что снижает надежность их использования в ответственных изделиях электротехники и электроники.High-strength wires with a sufficiently high electrical conductivity are also known, the volume of which is a matrix highly conductive material, usually high-purity copper, in which longitudinally oriented ultrafine discrete fibers of well-deformed material that are not interacting with copper with the formation of any intermetallic compounds are uniformly distributed. As the material of the fibers, Nb, Ag, Ta, Cr, Fe, V can be used. It has been experimentally established that in order to achieve high strength values significantly exceeding the strength values calculated according to the rule of the mixture, it is necessary that the fiber size is 50- 20 nm. Under this condition, the tensile strength of such a nanostructured conductor reaches 800 MPa for the Cu-Fe system, 1400 MPa for the Cu-Ag system, 2200 MPa for the Cu-Nb system [J. Bevk, James P. Harbison, Joseph L. Bell "Anomalous increase in strength of in situ formed Cu-Nb multifilamentary composites "J.Appl.Phys. v. 49 (12), 1978, p. 6031-6038; G. Frommeyer, G. Wasserman "Microstructure and anomalous mechanical properties of in situ produced Cu-Ag composite wires Acta Metallurgica, v.23 (ll), 1975; 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]. Moreover, the conductivity of this type of conductors has values from 30 to 60% of the conductivity of pure copper. The record high the level of strength characteristics was achieved only for small conductor diameters of 0.05-0.2 mm, which greatly narrows the application sector of such high-strength conductors. of small diameters has values from 30 to 60% of the electrical conductivity of copper. It should be noted that such conductors are of low manufacturability, since the absence of an outer shell leads to the fact that the fibers from the reinforcing material go to the surface of the conductor, which leads to different adhesion to lubricants used in the process of obtaining a wire by plastic deformation. This, in turn, leads to wire breaks during its manufacture. In addition, the absence of an outer sheath of copper alloy does not allow the use of such conductors under conditions of external mechanical stress, for example, as contact conductors. Such conductors are also subject to corrosion, which reduces the reliability of their use in critical products of electrical engineering and electronics.
Известны композитные высокопрочные проводники, в которых продольно расположенный сердечник из высокопрочного материала выполнен из наноструктурного волокнистого материала Cu-Nb, Cu-Ta, Cu-Fe, Cu-Ag, Cu-Cr или Cu-Nb-Cr, а наружная оболочка выполнена из чистой меди [Патент США № 4378330, C22F 1/08, 1983], или из корррозионностойкого материала в виде Аu, Ag, Sn, Ni, Zn, Pd или сплавов Ni-Co, Sn-Zn, Sn-Bi, Sn-Ag-Cu, Ni-Co-P [Патент США № 2003019661 (A1), H01B 5/02, от 30.01.2003 г.].Composite high-strength conductors are known in which a longitudinally arranged core of high-strength material is made of nanostructured fiber material Cu-Nb, Cu-Ta, Cu-Fe, Cu-Ag, Cu-Cr or Cu-Nb-Cr, and the outer shell is made of pure copper [US Patent No. 4378330, C22F 1/08, 1983], or from a corrosion-resistant material in the form of Au, Ag, Sn, Ni, Zn, Pd or alloys Ni-Co, Sn-Zn, Sn-Bi, Sn-Ag- Cu, Ni-Co-P [US Patent No. 2003019661 (A1), H01B 5/02, 01/30/2003].
Выполнение наружной оболочки из чистой меди, вышеперечисленных коррозионностойких сплавов, не отличающихся высокой твердостью и механической прочностью, не обеспечивает возможности использования таких проводников в условиях приложения сильных внешних механических воздействий, например в качестве контактных проводников. Кроме того, высокая объемная доля наноструктурного высокопрочного сплава в сечении проводника не обеспечивает достаточной электропроводности проводника, превышающей 50% от электропроводности высокочистой меди.The implementation of the outer shell of pure copper, the above-mentioned corrosion-resistant alloys that are not distinguished by high hardness and mechanical strength, does not provide the possibility of using such conductors under conditions of strong external mechanical stress, for example, as contact conductors. In addition, the high volume fraction of the nanostructured high-strength alloy in the cross section of the conductor does not provide sufficient conductivity of the conductor in excess of 50% of the conductivity of high-purity copper.
Известна конструкция проводника, содержащая сердечник из наноструктурного высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из Nb, Ag, Cr, V, Та, Fe, объемная доля которых составляет 15-60%, продольно расположенную по всей длине провода вставку из электротехнической (высокочистой) меди и наружную оболочку из меди, сплава на основе меди или стали, а толщина наружной оболочки составляет 10-20 мкм [Патент РФ № 2074424 от 27.02.1997. Бюл. №6]. Данный проводник выбран в качестве прототипа.A known conductor design containing a core made of a nanostructured high-strength alloy based on copper with alloying components in the form of fibers of Nb, Ag, Cr, V, Ta, Fe, the volume fraction of which is 15-60%, an electrical insert longitudinally located along the entire length of the wire (high purity) copper and the outer shell of copper, an alloy based on copper or steel, and the thickness of the outer shell is 10-20 μm [RF Patent No. 2074424 of 02.27.1997. Bull. No. 6]. This conductor is selected as a prototype.
Данный проводник характеризуется недостаточно высокой коррозионной стойкостью в случае применения в качестве наружной оболочки чистой меди. Кроме того, выполнение наружной оболочки из чистой меди или произвольно выбранных медных сплавов, не отличающихся высокой твердостью и механической прочностью, не обеспечивает возможности использования таких проводников в условиях приложения сильных внешних механических воздействий, например, в качестве контактных проводников. Использование стали в качестве оболочки проводника практически исключает возможность его применения в качестве контактного провода для железнодорожного транспорта ввиду высокой склонности к искрообразованию.This conductor is not sufficiently corrosion resistant if pure copper is used as the outer sheath. In addition, the implementation of the outer shell of pure copper or randomly selected copper alloys, not differing in high hardness and mechanical strength, does not provide the possibility of using such conductors under conditions of application of strong external mechanical stresses, for example, as contact conductors. The use of steel as a sheath of a conductor virtually eliminates the possibility of its use as a contact wire for railway transport due to its high tendency to spark formation.
В случае эксплуатации провода в качестве контактного провода имеет место его износ, что вызывается механическими, химическими и электрическими явлениями. Механический износ провода происходит главным образом вследствие трения контактных поверхностей. Величина механического износа обычно невелика и зависит от твердости металла. Химический износ возникает в результате окисления контактной поверхности под воздействием атмосферы при наличии высокой влажности и температуры.In the case of operation of the wire as a contact wire, its wear occurs, which is caused by mechanical, chemical and electrical phenomena. Mechanical wear of the wire occurs mainly due to friction of the contact surfaces. The amount of mechanical wear is usually small and depends on the hardness of the metal. Chemical wear occurs as a result of oxidation of the contact surface under the influence of the atmosphere in the presence of high humidity and temperature.
Наибольшее разрушение контактов происходит в результате электрической эрозии, которая возникает при разрыве цепи. Газовые разряды, в особенности дуговые, нагревают металл до высоких температур. При этом в контактных проводах, выполненных их меди, могут протекать процессы рекристаллизации, что приводит к уменьшению механической прочности. Для предотвращения данного эффекта необходимо использовать сплавы на основе меди, имеющие повышенную температуру рекристаллизации. При этом легирующие элементы не должны приводить к значительному снижению электропроводящих свойств. Для применения в контактных проводах медь можно легировать лишь элементами, которые значительно повышают прочность без существенного снижения электропроводности. Известны проводниковые сплавы легированные серебром, кадмием, хромом, цирконием и магнием. Так, при введении в медь 0,1-1% Zr или Сr твердость повышается в 2,5 раза, а электропроводность уменьшается всего на 20-30%. Наилучшее сочетание прочности и электропроводности достигается при легировании меди не одним, а двумя или тремя элементами, причем содержание этих элементов можно подобрать таким образом, что снижение электропроводности при совместном легировании будет меньше, чем при введении одного компонента в том же количестве, что и в многокомпонентном сплаве. Растворное упрочнение для рассматриваемых сплавов нежелательно, так как растворение большинства легирующих элементов в количествах, достаточных для эффективного упрочнения меди, приводит к существенному повышению ее электросопротивления.The greatest destruction of contacts occurs as a result of electrical erosion, which occurs when the circuit breaks. Gas discharges, especially arc discharges, heat the metal to high temperatures. Moreover, in the contact wires made of their copper, recrystallization processes can occur, which leads to a decrease in mechanical strength. To prevent this effect, it is necessary to use copper-based alloys having an increased recrystallization temperature. In this case, the alloying elements should not lead to a significant decrease in conductive properties. For use in contact wires, copper can be alloyed only with elements that significantly increase strength without a significant decrease in electrical conductivity. Conductor alloys are known alloyed with silver, cadmium, chromium, zirconium and magnesium. So, when 0.1-1% Zr or Cr is introduced into copper, the hardness increases by 2.5 times, and the electrical conductivity decreases by only 20-30%. The best combination of strength and electrical conductivity is achieved by alloying copper with not one, but two or three elements, and the content of these elements can be selected in such a way that the decrease in electrical conductivity during joint alloying will be less than when introducing one component in the same amount as in multicomponent alloy. Solution hardening for the alloys under consideration is undesirable, since the dissolution of most alloying elements in quantities sufficient for effective hardening of copper leads to a significant increase in its electrical resistance.
Технической задачей предлагаемого изобретения является достижение высокой прочности провода, его высокой электропроводности и одновременно высокой коррозионной стойкости и низкой склонности к искрообразованию в случае применения провода в качестве токопроводящего элемента контактной сети.The technical task of the invention is to achieve high strength of the wire, its high electrical conductivity and at the same time high corrosion resistance and low tendency to sparking in the case of using the wire as a conductive element of the contact network.
Для решения поставленной технической задачи композитный высокопрочный провод с повышенной электропроводностью содержит концентрично размещенные сердечник из электротехнической меди, наружную оболочку из сплава на основе меди и кольцевой слой между сердечником и наружной оболочкой, выполненный из высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами, не образующими с медью интерметаллических соединений, в виде волокон из Nb или Ag, или Сr, или V, или Та, или Fe, содержание которых составляет 15-30 об.%, причем наружная оболочка выполнена из коррозионностойкого материала, содержащего элементы, подавляющие искрообразование, площадь поперечного сечения наружной оболочки составляет 15-20% от площади сечения провода, а площадь поперечного сечения сердечника составляет 30 - 40% от площади сечения провода.To solve the technical problem, a composite high-strength wire with increased electrical conductivity contains concentrically placed core made of electrotechnical copper, an outer shell of a copper-based alloy and an annular layer between the core and the outer shell made of a high-strength copper-based alloy with alloying components that do not form copper intermetallic compounds in the form of fibers of Nb or Ag, or Cr, or V, or Ta, or Fe, the content of which is 15-30 vol.%, and the outer shell is made ene-corrosive material containing elements, which suppress sparking, the cross sectional area of the outer shell amounts to 15-20% of the sectional area of the wire, and the core cross-sectional area is 30 - 40% of the sectional area of the wire.
В частном варианте наружная оболочка из коррозионностойкого материала содержит элементы, выбранные из ряда: Hf и/или Zr, и/или Y при их суммарном содержании 0,1-0,3 мас.%.In a particular embodiment, the outer shell of the corrosion-resistant material contains elements selected from the range: Hf and / or Zr, and / or Y with a total content of 0.1-0.3 wt.%.
В другом частном варианте наружная оболочка из коррозионностойкого материала содержит Hf, Zr и Y при следующем соотношении компонентов, мас.%:In another particular embodiment, the outer shell of a corrosion-resistant material contains Hf, Zr and Y in the following ratio of components, wt.%:
При площади поперечного сечения наружной оболочки менее 15% от площади поперечного сечения провода не достигается необходимая долговечность провода вследствие механического износа.When the cross-sectional area of the outer sheath is less than 15% of the cross-sectional area of the wire, the required wire durability is not achieved due to mechanical wear.
При площади поперечного сечения наружной оболочки более 20% не достигается необходимая прочность контактного провода (>900 МПа).When the cross-sectional area of the outer shell is more than 20%, the required contact wire strength (> 900 MPa) is not achieved.
При площади поперечного сечения сердечника, занимающего в проводе менее 30%, не достигается достаточный уровень электропроводности (>55% IACS).With a core cross-sectional area of less than 30% in the wire, a sufficient level of electrical conductivity is not achieved (> 55% IACS).
При площади поперечного сечения сердечника, занимающего в проводе более 40%, не достигается достаточный уровень прочности (>900 МПа).With a cross-sectional area of the core occupying more than 40% in the wire, a sufficient level of strength (> 900 MPa) is not achieved.
Экспериментально было установлено, что наилучшее сочетание электропроводности, прочности и повышения температуры рекристаллизации достигается при совместном легировании материала наружной оболочки элементами, выбранные из ряда: Hf и/или Zr, и/или Y при их суммарном содержании 0,1-0,3 мас.%. При этом цирконий, находясь при данной концентрации в твердом растворе, значительно снижает коэффициент объемной диффузии других легирующих компонентов, что приводит к повышению прочности и температуры рекристаллизации сложно легированного сплава. Увеличение концентрации легирующих компонентов свыше 0,3 мас.% приводит к уменьшению электропроводности композиционного провода. Уменьшение концентрации легирующих компонентов до менее 0,1 мас.% не обеспечивает достаточного повышения температуры рекристаллизации (>300°С) и достаточной твердости, и, следовательно, долговечности работы композиционного провода.It was experimentally established that the best combination of electrical conductivity, strength, and an increase in the temperature of recrystallization is achieved by jointly alloying the material of the outer shell with elements selected from the series: Hf and / or Zr and / or Y with their total content of 0.1-0.3 wt. % In this case, zirconium, being at a given concentration in a solid solution, significantly reduces the coefficient of volume diffusion of other alloying components, which leads to an increase in the strength and temperature of recrystallization of a complex alloyed alloy. An increase in the concentration of alloying components in excess of 0.3 wt.% Leads to a decrease in the conductivity of the composite wire. A decrease in the concentration of alloying components to less than 0.1 wt.% Does not provide a sufficient increase in the temperature of recrystallization (> 300 ° C) and sufficient hardness, and, therefore, the durability of the composite wire.
Экспериментально установлено, что максимальное сочетание эксплуатационных свойств композитного высокопрочного провода достигается при введении в состав материала наружной оболочки Hf в количестве 0,033-0,1 мас.%, Zr в количестве 0,033-0,1 мас.%, Y в количестве 0,033-0,1 мас.%.It was experimentally established that the maximum combination of the operational properties of a composite high-strength wire is achieved by introducing Hf in the composition of the outer sheath material in an amount of 0.033-0.1 wt.%, Zr in an amount of 0.033-0.1 wt.%, Y in an amount of 0.033-0, 1 wt.%.
На чертеже представлена принципиальная схема поперечного сечения высокопрочных проводов с повышенной электропроводностью, гдеThe drawing shows a schematic diagram of a cross section of high-strength wires with high conductivity, where
1 - расположенный вдоль продольной оси провода сердечник из электротехнической меди, площадь поперечного сечения которого (S1) составляет 30-40% от площади поперечного сечения провода;1 - an electrotechnical copper core located along the longitudinal axis of the wire, the cross-sectional area of which (S 1 ) is 30-40% of the cross-sectional area of the wire;
2 - кольцевой слой между сердечником и наружной оболочкой, площадь поперечного сечения которого (S2) составляет 55-40% от площади поперечного сечения провода; кольцевой слой состоит из высокопрочного двухфазного сплава на основе меди, содержащего волокна из металла, не образующего с медью интерметаллических соединений, например из Nb или Ag, или Сr, или V, или Та, или Fe, объемная доля которых в медном двухфазном сплаве составляет 15-30%;2 - an annular layer between the core and the outer sheath, the cross-sectional area of which (S 2 ) is 55-40% of the cross-sectional area of the wire; the annular layer consists of a high-strength two-phase copper-based alloy containing fibers of a metal that does not form intermetallic compounds with copper, for example, Nb or Ag, or Cr, or V, or Ta, or Fe, the volume fraction of which in a copper two-phase alloy is 15 -thirty%;
3 - наружная оболочка, выполненная из коррозионностойкого материала, содержащего элементы, подавляющие искрообразование, площадь поперечного сечения которой (S3) составляет 15-20% от площади поперечного сечения провода.3 - an outer sheath made of a corrosion-resistant material containing spark suppressing elements, the cross-sectional area of which (S 3 ) is 15-20% of the cross-sectional area of the wire.
В качестве основных исходных материалов использовали медь марки MOB ГОСТ 859-75 и ниобий марки НБ-1 ГОСТ 16099-80. В качестве легирующих добавок использовали высокочистые металлы (99,9 мас.%).As the main starting materials used copper grade MOB GOST 859-75 and niobium grade NB-1 GOST 16099-80. High alloy metals (99.9 wt.%) Were used as alloying additives.
При изготовлении провода была использована технология «сборных проводов», при которой собирают составную многожильную заготовку из прутков сплава медь - ниобий (железо, серебро, тантал, ванадий). Прутки получали пластической деформацией исходных слитков сплава (например, сплава медь-18% ниобия) диаметром 130 мм, которые получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом. Деформацию слитка проводили методом выдавливания до получения прутка диаметром 30 мм, с последующей пластической деформацией волочением до получения прутка нужного сечения (например, в виде шестигранного прутка с размером поперечного сечения «под ключ» d=10,8 мм). Шестигранный пруток разрезали на мерные длины, равные длине составной многожильной заготовки. Корпус для получения составной заготовки представлял собой отрезок цилиндрической трубы, изготовленной из сплава, содержащего Hf, и/или Zr, и/или Y с суммарным содержанием 0,1-0,3 мас.%.In the manufacture of the wire, the technology of "prefabricated wires" was used, in which a composite stranded billet was assembled from bars of an alloy of copper - niobium (iron, silver, tantalum, vanadium). The rods were obtained by plastic deformation of the initial ingots of the alloy (for example, copper-18% niobium alloy) with a diameter of 130 mm, which were obtained by vacuum arc melting with a consumable electrode. The deformation of the ingot was carried out by extrusion to obtain a bar with a diameter of 30 mm, followed by plastic deformation by drawing to obtain a bar of the desired cross section (for example, in the form of a hexagonal bar with a turnkey cross-sectional size d = 10.8 mm). The hexagonal bar was cut into measured lengths equal to the length of the composite stranded workpiece. The body for producing a composite billet was a segment of a cylindrical pipe made of an alloy containing Hf and / or Zr and / or Y with a total content of 0.1-0.3 wt.%.
Для формирования расположенного вдоль продольной оси сердечника из электротехнической меди в центральной части составной заготовки размещали один сплошной элемент или составной из шестигранных прутков элемент из электротехнической (чистой) меди. Размеры шестигранных прутков, их количество, толщину корпуса для формирования составной заготовки, а также размеры сплошного элемента или составного из шестигранных прутков элемента из электротехнической (чистой) меди выбирали таким образом, чтобы соотношение площадей составляло: 1 - расположенный вдоль продольной оси провода сердечник из электротехнической меди - 30%÷40%; 2 - высокопрочный наноструктурный элемент (сердечник), содержащий в матрице на основе меди волокна из металла, не образующего с медью интерметаллических соединений, например из Nb, Ag, Cr, V, Та, Fe, объемная доля которых в медном сплаве составляет 15÷30% - 55%÷40%; 3 - наружная оболочка из коррозионностойкого материала, содержащего элементы, подавляющие искрообразование, 15% - 20% от площади поперечного сечения провода.To form a core made of electrotechnical copper located along the longitudinal axis in the central part of the composite billet, one continuous element or an element of electrical (pure) copper composed of hexagonal rods was placed. The dimensions of the hexagonal rods, their number, the thickness of the body for forming a composite blank, as well as the dimensions of a solid element or a composite of hexagonal rods of an element of electrical (pure) copper, were chosen so that the area ratio was: 1 - the core of electrical copper - 30% ÷ 40%; 2 - a high-strength nanostructured element (core) containing fibers from a metal in a matrix based on copper that does not form intermetallic compounds with copper, for example, from Nb, Ag, Cr, V, Ta, Fe, the volume fraction of which in a copper alloy is 15–30 % - 55% ÷ 40%; 3 - the outer sheath of a corrosion-resistant material containing elements that suppress spark formation, 15% - 20% of the cross-sectional area of the wire.
В примерах 1 и 2 отражены крайние значения предлагаемых конструкций композитного высокопрочного провода с повышенной электропроводностью.In examples 1 and 2, the extreme values of the proposed designs of a composite high-strength wire with increased electrical conductivity are reflected.
Пример 1.Example 1
Для создания провода, в котором площадь наружной оболочки из коррозионностойкого материала составляет 15% от площади сечения провода, сердечник из электротехнической меди, площадь которого составляет 30% от площади сечения провода и кольцевой слой между сердечником и наружной оболочкой, состоящий из высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами, площадь которого составляет 55% от площади сечения проводника, шестигранные прутки из меди электротехнической размером под «ключ» 5,4 мм, в количестве 157 штук и шестигранные прутки из сплава Сu-18%Nb, полученные горячей и холодной деформацией под «ключ» 5,4 мм в количестве 289 штук помещали в трубную заготовку из легированного медного сплава (Сu-0,2% Zr) с внешним диаметром 130 мм и толщиной стенки 5 мм. Композиционную заготовку вакуумировали, заваривали и подвергали горячей и холодной деформации до ⌀10 мм.To create a wire in which the area of the outer sheath of corrosion-resistant material is 15% of the cross-sectional area of the wire, the core is made of electrotechnical copper, the area of which is 30% of the cross-sectional area of the wire and the annular layer between the core and the outer sheath, consisting of a high-strength alloy based on copper with alloying components, the area of which is 55% of the cross-sectional area of the conductor, hexagonal rods of copper, electrotechnical size under the key, 5.4 mm, in the amount of 157 pieces and hexagonal rods of Cu-18% Nb alloy, obtained by hot and cold turnkey deformation of 5.4 mm in the amount of 289 pieces were placed in a tube billet of alloyed copper alloy (Cu-0.2% Zr) with an external diameter of 130 mm and wall thickness 5 mm. The composite billet was evacuated, welded and subjected to hot and cold deformation to ⌀10 mm.
Пример 2.Example 2
Для создания провода, в котором наружная оболочка из коррозионностойкого материала составляет 20% от площади сечения провода, сердечник из электротехнической меди, площадь которого составляет 40% от площади сечения провода и кольцевой слой между сердечником и наружным слоем, состоящий из высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами, площадь которого составляет 40% от площади сечения провода, шестигранные прутки из меди электротехнической размером под «ключ» 5,4 мм в количестве 210 штук и шестигранные прутки из сплава Cu-18%Nb, полученные горячей и холодной деформацией под «ключ» 5,4 мм, в количестве 210 штук помещали в трубную заготовку из легированного медного сплава (Cu-0,2% Zr) с внешним диаметром 130 мм и толщиной стенки 6,5 мм. Композиционную заготовку вакуумировали, заваривали и подвергали горячей и холодной деформации до ⌀10 мм.To create a wire in which the outer sheath of corrosion-resistant material is 20% of the cross-sectional area of the wire, the core is made of electrical copper, whose area is 40% of the cross-sectional area of the wire and the annular layer between the core and the outer layer, consisting of a high-strength copper-based alloy with alloying components, the area of which is 40% of the cross-sectional area of the wire, hexagonal rods of copper with an electrotechnical turnkey size of 5.4 mm in the amount of 210 pieces and hexagonal rods of Cu-18% Nb alloy, obtained by hot and cold “turn-key” deformation of 5.4 mm, in an amount of 210 pieces, were placed in a pipe billet of alloyed copper alloy (Cu-0.2% Zr) with an external diameter of 130 mm and a wall thickness of 6.5 mm. The composite billet was evacuated, welded and subjected to hot and cold deformation to ⌀10 mm.
Электропроводность и прочность полученных проводов составилаThe electrical conductivity and strength of the wires was
для проводника из примера 1 - предел прочности 1200 МПа, электропроводность 57% IACS;for the conductor of example 1 - ultimate strength 1200 MPa, electrical conductivity 57% IACS;
для проводника из примера 2 - предел прочности 950 МПа, электропроводность 66% IACS;for the conductor of example 2 - ultimate strength 950 MPa, electrical conductivity 66% IACS;
Использование предложенного технического решения позволяет получать композитные высокопрочные провода с повышенной электропроводностью и высокой коррозионной стойкостью, а также способные работать в условиях скользящего контакта с пониженной склонностью к искрообразованию для контактных сетей скоростного железнодорожного транспорта, а также для тяжело нагруженных линий электропередач.Using the proposed technical solution, it is possible to obtain composite high-strength wires with increased electrical conductivity and high corrosion resistance, as well as those capable of working under conditions of sliding contact with a reduced tendency to sparking for contact networks of high-speed railway transport, as well as for heavily loaded power lines.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010102475/07A RU2417468C1 (en) | 2010-01-27 | 2010-01-27 | Composite high-strength wire with higher electroconductivity |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010102475/07A RU2417468C1 (en) | 2010-01-27 | 2010-01-27 | Composite high-strength wire with higher electroconductivity |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2417468C1 true RU2417468C1 (en) | 2011-04-27 |
Family
ID=44731670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010102475/07A RU2417468C1 (en) | 2010-01-27 | 2010-01-27 | Composite high-strength wire with higher electroconductivity |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2417468C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU167949U1 (en) * | 2016-05-25 | 2017-01-13 | Акционерное общество "Завод "Чувашкабель" | ON-BOARD AVIATION ELECTRIC WIRES |
| RU2655113C1 (en) * | 2017-03-20 | 2018-05-23 | Петр Ксенофонтович Васильев | Device for ensuring electricity of the multi-flight vehicle unit through the towed external source of energy |
| RU2703564C1 (en) * | 2018-09-18 | 2019-10-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" | Composite contact wire |
| RU2747274C2 (en) * | 2015-12-11 | 2021-05-04 | СиТиСи ГЛОБАЛ КОРПОРЕЙШН | Carrier cables for electric trains, manufacturing methods and installation methods |
| RU204344U1 (en) * | 2020-12-23 | 2021-05-21 | Акционерное общество "Завод "Чувашкабель" | ONBOARD AIRCRAFT ELECTRIC WIRE |
| RU2772800C1 (en) * | 2021-10-12 | 2022-05-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)" | Composite high-strength heat-resistant wire based on aluminum |
-
2010
- 2010-01-27 RU RU2010102475/07A patent/RU2417468C1/en active
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2747274C2 (en) * | 2015-12-11 | 2021-05-04 | СиТиСи ГЛОБАЛ КОРПОРЕЙШН | Carrier cables for electric trains, manufacturing methods and installation methods |
| US11745624B2 (en) | 2015-12-11 | 2023-09-05 | Ctc Global Corporation | Messenger wires for electric trains, methods for making and methods for installation |
| RU167949U1 (en) * | 2016-05-25 | 2017-01-13 | Акционерное общество "Завод "Чувашкабель" | ON-BOARD AVIATION ELECTRIC WIRES |
| RU2655113C1 (en) * | 2017-03-20 | 2018-05-23 | Петр Ксенофонтович Васильев | Device for ensuring electricity of the multi-flight vehicle unit through the towed external source of energy |
| RU2703564C1 (en) * | 2018-09-18 | 2019-10-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" | Composite contact wire |
| RU204344U1 (en) * | 2020-12-23 | 2021-05-21 | Акционерное общество "Завод "Чувашкабель" | ONBOARD AIRCRAFT ELECTRIC WIRE |
| RU2772800C1 (en) * | 2021-10-12 | 2022-05-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)" | Composite high-strength heat-resistant wire based on aluminum |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5006405B2 (en) | Conductor wire for electronic equipment and wiring wire using the same | |
| US8017869B2 (en) | Conductor of an electric wire, and an insulated wire | |
| KR101213801B1 (en) | High strength and high conductivity copper alloy pipe, rod, or wire | |
| JP4143086B2 (en) | Extra-fine copper alloy wire, extra-fine copper alloy twisted wire, and manufacturing method thereof | |
| EP1973120B1 (en) | Electrical wire conductor for wiring, electrical wire for wiring, and their production methods | |
| JP6155253B2 (en) | Compound superconducting wire and manufacturing method thereof | |
| RU2417468C1 (en) | Composite high-strength wire with higher electroconductivity | |
| US20160254074A1 (en) | Copper alloy wire, copper alloy stranded wire, coated electric wire, wire harness, and method for producing copper alloy wire | |
| US10741309B2 (en) | Diffusion barriers for metallic superconducting wires | |
| JP6240424B2 (en) | Method for producing Al alloy conductive wire | |
| JP2009289746A (en) | Metal compound wire with at least two metal layers | |
| EP2646586B1 (en) | High strength, high conductivity copper alloys and electrical conductors made therefrom | |
| RU108205U1 (en) | COMPOSITE WIRE | |
| US11404181B2 (en) | Copper alloy wire, plated wire, electrical wire and cable | |
| RU2703564C1 (en) | Composite contact wire | |
| US20140138120A1 (en) | Conductor for electric wire | |
| JP2007197764A (en) | Trolley wire of copper alloy and manufacturing method therefor | |
| JP6853872B2 (en) | Manufacturing method of aluminum alloy conductive wire, aluminum alloy conductive wire, electric wire and wire harness using this | |
| RU2666752C1 (en) | High-strength wire and method of its production | |
| JP3906852B2 (en) | High conductivity high strength trolley wire manufacturing method and high conductivity high strength trolley wire | |
| US20220051833A1 (en) | Diffusion barriers for metallic superconducting wires | |
| CN110711792A (en) | Silver-copper-iron composite conductive wire and preparation method thereof | |
| JPH08127830A (en) | Production of copper alloy for wire conductor and wire conductor |