RU2714499C1

RU2714499C1 - Composite wire

Info

Publication number: RU2714499C1
Application number: RU2019119114A
Authority: RU
Inventors: Олег Юрьевич Исаев; Андрей Юрьевич Тихомиров; Игорь Михайлович Шенкман; Александр Олегович Исаев
Original assignee: Олег Юрьевич Исаев; Андрей Юрьевич Тихомиров; Игорь Михайлович Шенкман; Александр Олегович Исаев
Priority date: 2019-06-18
Filing date: 2019-06-18
Publication date: 2020-02-18

Abstract

FIELD: manufacturing technology.

SUBSTANCE: invention relates to production of composite wire with special physical properties and can be used in designs of grids and boxes, multiwire bearing ropes and ropes, as well as articles having high anticorrosive, strength properties with low specific weight. Composite wire comprises a steel sheath and a composite reinforcing core. Core is made of composite, twisted or twisted material based on thermally expanded graphite, continuously reinforced with carbon and / or basalt fibers and / or glass fiber. Volumetric fraction of reinforcing fibers in composite material based on thermally expanded graphite is 20–90 %.

EFFECT: improving strength characteristics and improving operating reliability of wire and articles made from it.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к композиционным проволокам, которые могут быть использованы при производстве сеток и коробов, многопроволочных несущих тросов и канатов, и других изделий с повышенными прочностными свойствами при низком удельном весе.The invention relates to composite wires, which can be used in the manufacture of nets and ducts, multi-wire carrier cables and ropes, and other products with high strength properties with low specific gravity.

В настоящее время широко используются конструкции биметаллических проволок, представляющих собой сочетание двух разнородных металлов с четкой границей раздела (соединения) между ними [например, патенты РФ №№2214311, 2628232]. Вне зависимости от способа производства главным недостатком биметаллической проволоки является наличие границы или переходной зоны между сердечником и оболочкой, а, следовательно, градиента прочностных свойств, что приводит к ее расслоению и возникновению в ней очагов разрушения. Другим существенным недостатком биметаллической проволоки является ее высокий удельный вес.Currently, designs of bimetallic wires are widely used, which are a combination of two dissimilar metals with a clear interface (connection) between them [for example, RF patents Nos. 2214311, 2628232]. Regardless of the production method, the main disadvantage of a bimetallic wire is the presence of a boundary or transition zone between the core and the sheath, and, consequently, a gradient of strength properties, which leads to its delamination and the appearance of foci of destruction in it. Another significant drawback of bimetallic wire is its high specific gravity.

Известна композиционная проволока [патент РФ №2387035], содержащая упрочняющий сердечник, покрытый слоем металлического проводникового материала высокой проводимости. Сердечник выполнен из композиционного материала с матрицей из синтетической смолы, модифицированной углеродными нанокластерами фуллероидного типа, концентрация которых равна 0,001-2,0 мас. %. В качестве металлического проводникового материала высокой проводимости могут быть использованы медь и/или алюминий или сталь или их сплавы с другими веществами. В качестве синтетической смолы использована термореактивная смола, например, эпоксидная, или термостойкая термопластичная смола с температурой плавления выше 150°С, а в качестве углеродных нанокластеров - фуллерены и/или нанотрубки, и/или астралены.Known composite wire [RF patent No. 2387035] containing a reinforcing core coated with a layer of metallic conductive material of high conductivity. The core is made of a composite material with a synthetic resin matrix modified with carbon nanoclusters of the fulleroid type, the concentration of which is 0.001-2.0 wt. % As the metallic conductive material of high conductivity, copper and / or aluminum or steel or their alloys with other substances can be used. As a synthetic resin, a thermosetting resin, for example, epoxy, or heat-resistant thermoplastic resin with a melting point above 150 ° C is used, and fullerenes and / or nanotubes, and / or astrained as carbon nanoclusters.

Недостатками данной проволоки являются: невозможность ее использования при высоких температурах, невысокий рабочий ресурс проволоки в условиях действия изгибающих и растягивающих статических и динамических нагрузок. Это связано с тем, что модифицированная матрица, принимающая на себя все действующие нагрузки, имеет недостаточные прочностные свойства для обеспечения целостности, сердечника при длительно действующих растягивающих нагрузках на весь срок эксплуатации.The disadvantages of this wire are: the inability to use it at high temperatures, the low working life of the wire under the action of bending and tensile static and dynamic loads. This is due to the fact that the modified matrix, which assumes all the acting loads, has insufficient strength properties to ensure the integrity of the core with long-acting tensile loads for the entire period of operation.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является композиционная проволока с упрочняющим сердечником, покрытым слоем металлического проводникового материала высокой проводимости, в которой сердечник выполнен, по крайней мере, из одного вида высокопрочных волокон с низкой плотностью, в том числе арамидных, углеродных и наноуглеродных, а на поверхности сердечника выполнено шлихтующее покрытие. В. качестве металлического проводникового материала высокой проводимости использованы медь и/или алюминий или сталь или их сплавы с другими веществами [Патент РФ №86345, Н01В 5/10, 2009].Closest to the technical nature of the claimed invention is a composite wire with a reinforcing core coated with a layer of metallic conductive material of high conductivity, in which the core is made of at least one type of high-strength fibers with low density, including aramid, carbon and nanocarbon, and a sizing coating is made on the surface of the core. C. Copper and / or aluminum or steel or their alloys with other substances are used as a metal conductive material of high conductivity [RF Patent No. 86345, НВВ 5/10, 2009].

Недостатком данной проволоки, несмотря на использование в качестве сердечника высокопрочных волокон, является невысокая в целом ее эксплуатационная прочность. Волокна в проволоке связаны между собой лишь механически с помощью скрутки, а шлихтующее покрытие, нанесенное на поверхность сердечника, играет роль только защитного покрытия. Такая конструкция сердечника при эксплуатации не обеспечивает равномерного распределения статических и динамических нагрузок между всеми волокнами, что может привести к разрыву отдельных волокон и, как следствие, к снижению прочностных свойств сердечника проволоки в целом.The disadvantage of this wire, despite the use of high-strength fibers as the core, is its low overall strength. The fibers in the wire are only mechanically interconnected by twisting, and the sizing coating applied to the core surface plays the role of only a protective coating. This design of the core during operation does not provide a uniform distribution of static and dynamic loads between all fibers, which can lead to rupture of individual fibers and, as a result, to a decrease in the strength properties of the core of the wire as a whole.

Задачей заявляемого изобретения является создание композиционной проволоки с повышенными прочностными характеристиками, с низким удельным весом, и обладающей повышенной эксплуатационной надежностью.The task of the invention is the creation of a composite wire with high strength characteristics, low specific gravity, and with increased operational reliability.

Указанный технический результат достигается тем, что в композиционной проволоке, содержащей стальную оболочку и упрочняющий сердечник, включающий высокопрочные волокна, согласно изобретению, сердечник выполнен из композиционного материала (скрученного или без скрутки) на основе терморасширенного графита (ТРГ), непрерывно армированного углеродными и/или базальтовыми волокнами и/или стекловолокном, при этом объемная доля армирующих волокон в композиционном материале на основе терморасширенного графита составляет 20-90%.This technical result is achieved in that in a composite wire containing a steel sheath and a reinforcing core comprising high-strength fibers, according to the invention, the core is made of composite material (twisted or without twisting) based on thermally expanded graphite (TEG), continuously reinforced with carbon and / or basalt fibers and / or fiberglass, while the volume fraction of reinforcing fibers in a composite material based on thermally expanded graphite is 20-90%.

Композиционный материал на основе ТРГ, непрерывно армированный углеродными и/или базальтовыми волокнами и/или стекловолокном, предлагаемый для использования в виде сердечника в данной композиционной проволоке, практически не имеет ограничений по изгибающим нагрузкам и позволяет выдерживать проволоке в целом, механические нагрузки на сжатие и разрыв более высокие, чем обычная стальная проволока соответствующего диаметра. Кроме того, такой композиционный материал, находясь в сжатом состоянии, обладает большой силой упругого последействия, которая обеспечивает связь сердечника с оболочкой из стали во всем интервале температур и нагрузок при эксплуатации.Composite material based on TEG, continuously reinforced with carbon and / or basalt fibers and / or fiberglass, proposed for use as a core in this composite wire, has practically no restrictions on bending loads and can withstand the wire as a whole, mechanical compressive and tensile loads higher than ordinary steel wire of the corresponding diameter. In addition, such a composite material, being in a compressed state, has a large elastic aftereffect, which provides a bond between the core and the steel shell in the entire range of temperatures and loads during operation.

Объемная доля армирующих углеродных и/или базальтовых волокон и/или стекловолокон в композиционном материале на основе ТРГ варьируется в пределах 20-90% в зависимости от требований к механическим свойствам проволоки и номинального сечения стальной оболочки. Рабочая температура предлагаемого композиционного материала находится в пределах от -150°С до 500°С и обеспечивает температуру эксплуатации проволоки в целом в требуемых технической документацией рабочих диапазонах температур.The volume fraction of reinforcing carbon and / or basalt fibers and / or glass fibers in the composite material based on TEG varies in the range of 20-90% depending on the requirements for the mechanical properties of the wire and the nominal section of the steel sheath. The operating temperature of the proposed composite material ranges from -150 ° C to 500 ° C and provides the operating temperature of the wire as a whole in the operating temperature ranges required by the technical documentation.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена заявляемая композиционная проволока с упрочняющим композиционным сердечником, поперечное сечение.The invention is illustrated in the drawing, which shows the inventive composite wire with a reinforcing composite core, cross section.

Композиционная проволока 1 содержит стальную оболочку 2 с упрочняющим сердечником 3, выполненным из композиционного материала на основе ТРГ 4, непрерывно армированного волокнами 5. В качестве волокон 5 могут быть использованы высокопрочные углеродные, базальтовые волокна или стекловолокно, как по отдельности, так и совместно. Для формирования сердечника 3 может быть применен как скрученный, так и нескрученный композиционный материала на основе ТРГ непрерывно армированный волокнами.Composite wire 1 contains a steel sheath 2 with a reinforcing core 3 made of a composite material based on TEG 4, continuously reinforced with fibers 5. As fibers 5, high-strength carbon, basalt fibers or fiberglass can be used, either individually or in combination. For the formation of the core 3 can be applied both twisted and non-twisted composite material based on TEG continuously reinforced with fibers.

Для изготовления композиционного материала сердечника, предварительно подготовленный ТРГ пух армируют волокнами в выбранном в соответствии с техническими и эксплуатационными требованиями соотношении с последующей прокаткой между вальцами и получением ленты заданной длины и толщины. Из ленты формируют сердечник 3 необходимого диаметра с применением скрутки или без нее. Подготовленный сердечник оборачивают стальной лентой на формообразующем оборудовании с последующей сваркой кромок, зачисткой шва и пластической деформацией волочением.For the manufacture of composite core material, pre-prepared TRG fluff is reinforced with fibers in a ratio selected in accordance with technical and operational requirements, followed by rolling between the rollers and obtaining a tape of a given length and thickness. The core 3 of the required diameter is formed from the tape using twisting or without twisting. The prepared core is wrapped with steel tape on forming equipment with subsequent welding of the edges, cleaning the seam and plastic deformation by drawing.

Полученная проволока, представляющая из себя систему из оболочки, выполненной из стали и сердечника из композиционного материала на основе ТРГ, непрерывно армированного углеродными и/или базальтовыми волокнами и/или стекловолокном, имеет высокую прочность при статических и динамических нагрузках, повышенные эксплуатационные характеристики по сравнению не только с прототипом, но и с традиционными стальными проволоками. При этом вес проволоки с сердечником из такого композиционного материала благодаря использованию легковесного ТРГ значительно ниже, чем у других известных и ранее используемых аналогов.The resulting wire, which is a system of a sheath made of steel and a core of a composite material based on TEG, continuously reinforced with carbon and / or basalt fibers and / or fiberglass, has high strength under static and dynamic loads, increased performance compared to not only with a prototype, but also with traditional steel wires. At the same time, the weight of the core wire from such a composite material is significantly lower due to the use of lightweight TWG than other known and previously used analogues.

Для формирования оболочки могут быть использованы различные виды стали в зависимости от предназначения проволоки.Various types of steel can be used to form the sheath, depending on the purpose of the wire.

Использование оболочки из нержавеющей стали или углеродистой стали с антикоррозионным покрытием обеспечит заявляемой проволоке антикоррозионные свойства не ниже чем стальные нержавеющие проволоки и стальные проволоки с антикоррозионным покрытием.The use of a sheath made of stainless steel or carbon steel with an anti-corrosion coating will provide the claimed wire with anti-corrosion properties no lower than stainless steel wires and anti-corrosion steel wires.

Таким образом, заявляемая проволока обеспечивает увеличение разрывных усилий, и в процессе эксплуатации может работать в коррозионных средах, в условиях перепада температур и высоких механических нагрузок.Thus, the inventive wire provides an increase in tensile forces, and during operation can work in corrosive environments, in conditions of temperature difference and high mechanical loads.

Изобретение обеспечивает создание проволок, со следующими повышенными эксплуатационными свойствами:The invention provides the creation of wires, with the following enhanced operational properties:

- высокая механическая прочность;- high mechanical strength;

- низкий удельный вес;- low specific gravity;

- устойчивость к высоким и низким температурам;- resistance to high and low temperatures;

- малые температурные удлинения;- low temperature elongations;

- устойчивость к старению и коррозионным воздействиям.- resistance to aging and corrosion.

Заявляемая проволока позволяет заменить традиционные проволоки в конструкциях сеток и коробов, многопроволочных несущих тросов и канатов, и других изделий, обеспечив им повышенные антикоррозионные, прочностные свойства при низком удельном весе. Многопроволочные тросы и канаты, изготовленные из предлагаемой проволоки, будут обладать повышенными механическими характеристиками и устойчивостью к провисанию. При этом стоимость такой проволоки сопоставима со стоимостью отечественных стальных проволок.The inventive wire allows you to replace traditional wires in the construction of nets and ducts, multi-wire carrier cables and ropes, and other products, providing them with increased anti-corrosion, strength properties with low specific gravity. Multiwire cables and ropes made of the proposed wire will have improved mechanical characteristics and resistance to sagging. Moreover, the cost of such a wire is comparable to the cost of domestic steel wires.

Claims

A composite wire containing a steel sheath and a reinforcing composite core comprising high-strength fibers, characterized in that the core is made of composite twisted or non-twisted material based on thermally expanded graphite continuously reinforced with carbon and / or basalt fibers and / or glass fiber, while the volume fraction reinforcing fibers in a composite material - based on thermally expanded graphite is 20-90%.