Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка экономно легированного медного сплава и технологии производства из него трапецеидальных профилей с наноструктурой для изготовления коллекторных пластин

Номер контракта: 14.575.21.0005

Руководитель: Кайбышев Рустам Оскарович

Должность: Руководитель лаборатории

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
сплавы на основе меди, функциональные материалы, субмикрокристаллическая и нанокристаллическая структура, механические и физические свойства

Цель проекта:
Цель проекта: Разработка нового экономно легированного сплава с применением редкоземельных элементов и разработка технологии производства из экономно легированного медного сплава трапецеидальных профилей с наноструктурой для изготовления коллекторных пластин методом интенсивной пластической деформации; Задачи проекта: разработка нового медного на основе меди с использованием редкоземельных металлов для получения оптимального сочетания механических свойств, разработка способа получения трапецеидальных профилей методом непрерывного равноканального углового прессования.

Основные планируемые результаты проекта:
В рамках проекта будет разработан новый сплав с добавками редкоземельных металлов, а также будет разработана технология получения профилей трапецеидальной формы для изготовления коллекторных пластин, с комплексом механических и физических свойств, удовлетворяющих следующим требованиям:
- при комнатной температуре твердость по Бриннелю (HB) не менее 95, временное сопротивление (σВ) не менее 294 МПа, относительное удлинение (δ) не менее 5%,
- после нагревания полуфабрикатов до температуры 300 С и выдержки в течение 1 ч. твердость по Бриннелю (HB) не менее 90, временное сопротивление (σВ) после нагревания полуфабрикатов до температуры 300 С не менее 274 МПа, относительное удлинение (δ) не менее 7%,
- удельное сопротивление сплава должно быть в пределах 0,02±1*10-6 Ом*м (IACS~85%).
Будут получены новые научные данные по механизмам формирования субмикрокристаллической и/или нанокристаллической структуры во время деформации при комнатной температуре и последующего отжига в дисперсно-упрочненных сплавах меди, механизмах структурного, деформационного и дисперсионного упрочнения, закономерностях фазовых превращений в пересыщенных твердых растворах в Cu-Cr-Zr бронзах с добавками редкоземельных металлов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом является новый экономно легированный медный сплав с применением редкоземельных элементов и технология производства из экономно легированного медного сплава трапецеидальных профилей с наноструктурой для изготовления коллекторных пластин методом интенсивной пластической деформации.
Разработанный медных сплав с добавлением редкоземельных элементов, обработанный по разработанной технологии будет удовлетворять следующим требованиям:
- при комнатной температуре твердость по Бриннелю (HB) не менее 95, временное сопротивление (σВ) не менее 294 МПа, относительное удлинение (δ) не менее 5%,
- после нагревания полуфабрикатов до температуры 300 С и выдержки в течение 1 ч. твердость по Бриннелю (HB) не менее 90, временное сопротивление (σВ) после нагревания полуфабрикатов до температуры 300 С не менее 274 МПа, относительное удлинение (δ) не менее 7%,
- удельное сопротивление сплава должно быть в пределах 0,02±1*10-6 Ом*м (IACS~85%).
Для определения заданных характеристик были проведены микроструктурные исследования, с использованием просвечивающей электронной микроскопии. Проведение непрерывного равноканального углового прессования, в качестве метода интенсивной пластической деформации, является новейшим технологическим решением, поскольку это относительно новый метод интенсивной пластической деформации.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты, полученные в рамках выполнения ПНИ будут использованы для производства профилей трапецеидальной формы, которые применяют при изготовлении пластин коллекторов электрических машин. Кроме того, они найдут применение в производстве других полуфабрикатов из высокопрочных Cu-Cr-Zr бронз с добавками редкоземельных металлов. Основным преимуществом нового сплава, который планируется разработать, будет его низкая себестоимость, при этом комплекс физико-механических свойств сохранится на высоком уровне, что позволит заменить им сплавы системы Cu-Ag, что существенно расширит область применения медных сплавов высокой прочности и электропроводности. Отметим, что полученные результаты не будут узконаправленными, а могут быть применены также и в других отраслях промышленности, использующих медные сплавы, таких как электронной, электротехнической, ускорительной и криогенной энергетике и др.
Полученные результаты по закономерностям формирования структуры в медных сплавах в процессе интенсивной пластической деформации и последующего отжига, а также по фазовым превращениям в Cu-Cr-Zr бронз с добавками редкоземельных металлов, закономерности влияния деформированной структуры и фазового состава этих сплавов на механические и физические свойства, представляют самостоятельный научный интерес, и будут использованы как при последующей разработке новых медных сплавов, а также других аналогичных материалов, например, новых алюминиевых сплавов электротехнического назначения, а также в образовательном процессе подготовки бакалавров по материаловедческим специальностям.

Текущие результаты проекта:
В рамках выполнения работ второго этапа провели исследование комплекса физико-механических свойств экономного легированного медного сплава, установили, что из трех разработанных медных сплавов с добавлением редкоземельных элементов один сплав, со следующим химическим составом БрХ0,3Цр0,06И0,1 (вес. %), удовлетворяет заданным требованиям ТЗ к медному сплаву в исходном состоянии в части значений твердости 65 НВ, предела прочности 195 МПа, относительного удлинения 32% и электропроводности 96% IACS. Провели исследование фазового состава медного сплава с добавлением редкоземельных элементов. Установили, что старение сплава при температуре 550 С в течение 4 ч приводит к выделению дисперсных частиц второй фазы со средним размером около 15 нм. Анализ электроннограмм выявил, что частицы представляют собой чистый хром. Однако, отсутствие специфического контраста между частицами хрома и медной матрицей указывает на отсутствие когерентности между частицей и медной матрицей, что в свою очередь подтверждается размером частиц хрома более 10 нм, который является предельным для сохранения когерентности между матрицей и частицей.
При исследовании влияния степени деформации на формирование субмикрокристаллической структуры в рамках выполнения работ третьего этапа выявили, что механизмом ответственным за формирование наноструктуры в медном сплава является непрерывная динамическая рекристаллизация. Проведение непрервыного равноканального прессования при температуре 400 С сопровождается значительным упрочнением медного сплава. Так, после проведения 2 проходов непрерывного равноканального углового прессования предел прочности составил 310 МПа, а относительное удлинение на уровне 10%. Также, необходимо отметить, что электропроводность сохраняется на достаточно высоком уровне 87% IACS. Дальнейшее увеличение степени деформации приводит к росту прочностных характеристик, однако, одновременно с этим происходит падение электропроводности. Таким образом, оптимальной степенью деформации выбрали 2 прохода непрерывного равноканального углового прессования, для получения оптимального сочетания механических и физических свойств. Для проведения последующей прокатки выбрали образцы после 2 проходов непрерывного равноканального углового прессования. Проведение прокатки незначительно повлияет на комплекс свойств , поэтому, полученные образцы трапецеидальных профилей будут обладать более высоким комплексом свойств, чем задано в ТЗ.