CC BY
43
УДК 621.745: 669.3
РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ МЕДНЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Семенов Константин Геннадьевич, к.т.н., доцент, (e-mail: kgslpmgvmi@mail.ru) Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана, г. Москва, Россия Батышев Константин Александрович, д.т.н., профессор (e-mail: konstbat63@mail.ru) Московский политехнический университет, г. Москва, Россия Чернов Владимир Викторович, к.т.н., доцент, (e-mail: vvchernov@mail.ru) Московский государственный технический университет имени. Н.Э. Баумана, г. Москва, Россия Панкратов Сергей Николаевич, ст. преподаватель, (e-mail: pankratov-@mail.ru) Московский политехнический университет, г.Москва, Россия
В работе рассмотрены вопросы синтеза низколегированных сплавов меди для современных машиностроительных технологий. Изучены литейные свойства низколегированной меди, а также процессы пленообразова-ния на расплавах низколегированной меди с добавками никеля, кремния, олова, железа, хрома и других элементов. Проведена оптимизация состава сплава с помощью математических моделей. Рассмотрены перспективы синтеза новых групп низколегированных сплавов меди.
Ключевые слова: низколегированная медь, новые технологии, легирующие элементы, системы сплавов, литейные свойства, математическая модель, оптимизация составов.
Медь продолжает оставаться основным токопроводящим материалом в электротехнике и в новых технологиях. До сих пор примерно 70% чистой меди, производимой в мире, потребляется для изготовления токопроводя-щих изделий. Развитие новых технологий требует создания (а так же оптимизацию известных) сплавов на основе меди, от которых требуются повышенные электро- и теплопроводность в сочетании повышенными механическими и литейными свойствами. За последние годы основными объектами синтеза новых сплавов на основе меди являются низколегированные сплавы. Наиболее известны сплавы систем Cu-Cr, Cu-Zr, Cu-Ni-Si и ряд других, которые входят в число сплавов, где требуются одновременно высокие электро- и теплопроводность и повышенная жаропрочность [1].
В работах [2-5], в период с 1980 по 2005 г.г. проводились исследования по определению рациональных составов ряда наиболее перспективных низколегированных сплавов для получения из них фасонных отливок об-
ладающих повышенными литейными и механическими свойствами, ока-линостойкостью в сочетании с достаточно высокими значениями теплопроводности [4].
Литейные свойства низколегированной меди.
Систематически изучены литейные свойства [5] низколегированной меди и пленкообразование [6] на расплавах низколегированной меди с добавками никеля, кремния, олова, железа, хрома и др. (всего изучено влияние 16 элементов). Эти исследования позволили более обоснованно подходить к выбору легирующих добавок к меди, в зависимости от эксплуатационных требований к фасонным отливкам различного назначения.
При легировании меди оловом, кремнием, никелем до 0,1% жидкотеку-честь увеличивается, что связано с более полным раскислением расплава. Дальнейшее увеличение содержания этих элементов приводит к снижению жидкотекучести меди в 1,5 - 2 раза за счет расширения интервала кристаллизации. Легирование меди железом до 0,3 % повышает жидкотекучесть, а дальнейшее повышение содержанияжелеза до 1,0 % снижает жидкотекучесть до значений этого свойства меди. Одновременно изучалась электропроводность литых образцов низколегированной меди с добавками N1, Би, Бе, Никель до 1,0 % снижает электропроводность до 80 % от значений для чистой меди. Электропроводность литой меди при легировании Бе и Бп до 0,5 % составляет 80% от показателей для чистой меди. Увеличение Бе и Би до 1,0% понижает элекропроводность до 50-60 %. Наиболее значительно влияние на электропроводность литой меди. При содержании 0,5 % в меди ее электропроводность составляет 35 % от чистой меди.
Оптимизация состава окалиностойкого сплава системы Си-$>п-2п-РЪ.
Сплав системы Си-8п-7п-РЬ отрабатывался для уточнения оптимальных литейных и физико-механических свойств при освоении технологии изготовления металлургической арматуры (водоохлаждаемые наконечники фурм кислородных сталеплавильных конверторов, рыльца доменных фурм и др.).Состав сплава системы Си-Сг-Б исследовался для получения фасонных отливок типа корпусов, скоб и других токопроводных деталей электрических аппаратов с электропроводностью не ниже 80 % от чистой меди. Определение оптимальных составов этих систем производилось методом планируемого эксперимента. Для систем Си-Бп^п-РЬ была реализована матрица полного факторного эксперимента 2 . Верхний уровень каждой легирующей добавки - 1,25 %; нижний 0 % с интервалом варьирования 0,62 %. В итоге были получены следующие зависимости: Ж = 0,38 - 0,063Х2 - 0,58Х1Х3 + 0,085Х1Х2Х3; Еу = 5,82 - 0,91Х1 - 0,34X2 + 0,38Х3; 1/р = 36,48 - 15,01X1 - 3,56X2; НВ= 69,125 + 2,875Х1 - 1,125Х3
где, Ж - жидкотекучесть, м;
Еу - объемная усадка, %;
1/р- электропроводность, МСм/м;
НВ- твердость;
Х1,Х2,Х3 - кодированное содержание в Си соответственно Бп, РЬ, 7п.
Результаты проведения экспериментов позволяют сделать следующие выводы. С помощью изменения концентрации легирующих добавок можно в широком диапазоне (~ в 1,5 раза) изменять жидкотекучесть. Наибольшей жидкотекучестью обладают низколегированные сплавы, в которых отсутствует свинец. Объемная усадка может уменьшаться на 40 % при содержании олова равном 1,25 %, что положительно. Добавки 7п и РЬ в таких же количествах не влияют на объемную усадку. Электро- и теплопроводность понижаются при легировании оловом и свинцом (примерно до 50-60 % от значений для чистой меди). Цинк слабее влияет на теплофизические свойства сплава. Прочность и твердость повышаются при присутствии Бп и 7п, снижается при добавлении свинца. В исследованных пределах все легирующие добавки измельчали структуру меди. Из сплава, содержащего оптимальные присадки Бп (1 %) и 7п (0,5 %) была отлита опытная партия пяти сопловых наконечников водоохлаждаемых фурм сталеплавильных конверторов (емкстью 150 т. и 300 т.), имеющих следующие параметры 0219 мм и 0426 мм и опробованы на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК). Стойкость литых фурм в 2 раза выше сварных вариантов.
Оптимизация состава низколегированного литейного сплава медь-хром-бор.
Сплав системы Си-Сг-Б исследовался для возможности получения фасонных отливок типа корпусов, скоб и других токопроводных деталей электрических аппаратов с электропроводностью не ниже 87 % от чистой меди.
При исследовании литейных и теплофизических свойств низколегиро-
5 2
ванных сплавов системы Си-Сг-Б была реализована матрица типа 2 ; факторами, влияющими на параметры оптимизации были выбраны: Х1 - содержание бора,%; Х2 - содержание хрома,%; Х3 - температура заливки сплава, оС. По рассчитанным коэффициентам регрессии получены следующие адекватные математические модели для параметров оптимизации следующих свойств: Ж - жидкотекучесть, м; Ел - линейная усадка, %; р -удельное электрическое сопротивление;^- временное сопротивление разрыву, МПа; 5 - удлинение, %.
Ж = 0,577 + 0,034Х1 - 0,022Х2 + 0,03Х3 - 0,037Х12; Ел= 1,85 - 0,08Х1 - 0,03Х2; р = 0,023 + 0,003Х1 + 0,001Х2; аь= 323 + 17,4X1 + 30,2X2; 5 = 28,14 - 6,^2 - 2,25X12 + 2,31^ X2
Из приведенных уравнений следует, что жидкотекучесть повышается от добавок бора и температур заливки сплава и понижается с увеличением хрома, относительное удлинение снижается от добавок бора и хрома, а со-
вместное влияние бора и хрома в меди увеличивает прочность. Плотность меди незначительно изменяется от добавок бора т хрома.
По результатам рекомендуются сплавы системы Си-Сг-Б для получения фасонных отливок с содержанием хрома 0,07 - 0,12 % и бора 0,02 - 0,06 % или сплав с 0,3 - 0,9 % хрома и 0,03 - 0,09 % бора. При получении фасонных отливок из этих сплавов электротехнического назначения рекомендуются оболочковые литейные формы.
Оптимизация состава низколегированного литейного сплава медь-железо-фосфор.
Согласно диаграмме состояния Си-Бе железо практически не растворяется в меди и не оказывает существенного влияния на ее теплопроводность. При переплаве лома меди загрязненного железом последнее окисляется в первую очередь с образованием оксидов железа (главным образом Бе3О4), которые так же не снижают существенно физико-механические свойства меди. В присутствии небольших добавок фосфора сплавы этой системы имеют относительно высокие литейные свойства и их можно рекомендовать для получения фасонных отливок, от которых не требуется повышенных коррозионных свойств, в частности, для литых пресс-форм ЛПД (литье под давлением). Литые пресс-формы работает в условиях «нагрев - охлаждение».
Повышенные окалиностойкость и жаропрочность.
Основные свойства системы Си-Бе-Р и оптимизация состава сплава [5] проведена методом планируемого эксперимента путем реализации матрицы полного двухфакторного эксперимента типа 22. Верхний и нижний уровни варьирования по железу Х1 составляли -0,08 и +0,16 % (основной уровень 0,12 %), а по фосфору Х2 соответственно -0,03 и +0,08 % (основной уровень 0,04 %). В качестве параметров оптимизации определены: электропроводность - 1/р (м/ом мм ); временное сопротивление разрыву-оь (Мпа); относительное удлинение - 5 (%); твердость - НВ; горячелом-кость - Г (мм); жидкотекучесть Ж (м). В результате обработки опытных данных получены следующие уравнения регрессии:
Р = 45,55 - 0,65Х1 - 0,65Х2 - 0,6Х1Х2
НВ=566- 160Х1 + 25Х2 + 25Х1Х2;
оь=273,7 + 2,12Х1 - 1,12X2 + 1,62Х1.Х2;
5 =33,5 - 1X1 - 0,5Х24;
Ж =0,42 + 0,11Х1 + 0,3Х2 + 0,6Х1Х2;
Г =31,5 - 9Х1 + 11Х2 + 11Х1Х2
Наиболее высокие значения электропроводности имел сплав, содержащий Бе - 0,08 %; Р - 0,03 %. Механические свойства всех сплавов, т.е. содержащих Бе от 0,08 до 0,15 % и Р в пределах 0,03 - 0,05 % характеризуются следующими значениями оь = 280-300 МПа и 5 =30-35%, т.е. достаточно высокими значениями. Литейные свойства (жидкотекучесть и горя-челомкость) удовлетворительные.
Всего в работах [2-5], разработаны и подтверждены авторскими свидетельствами 25 низколегированных медных сплавов (без разрешения на публикацию).
Для получения разнообразных отливок рекомендуются сплавы системы Cu-Al, но эта система вряд ли может быть отнесена к низколегированным медным сплавам, т.к. содержит до 6 % алюминия и скорее может быть отнесена к алюминиевым бронзам, но с нетрадиционными для стандартов на эти бронзы сочетаниями легирующих компонентов. При наличии хороших литейных свойств сплавы этой группы имеют низкую (менее 30 % от меди) теплопроводность.
Выводы: Повышение литейных свойств наиболее употребляемых износостойких, жаропрочных низколегированных медных сплавов систем Cu-Cr, Cu-Cr-Zr и некоторых других сплавов возможно в их сочетании с традиционными легирующими компонентами литейных медных сплавов -олово, цинк и др. в присутствии эффективных раскислителей: фосфор, бор, литий. Для фасонных отливок перспективны также системы Cu-Fe-P; Cu-Si-Ni; Cu-Cr-B.
Список литературы
1. Николаев А.К., Розенберг В.М. Сплавы для электродов контактной сварки. М., Металлургия, 1978, 80 с.
2. Панкратов С.Н., Чурсин В.М., Ковригин В.А., Кунин М.Д. Литейные свойства низколегированных медных сплавов// Известия вузов «Цветная металлургия». 1994 г., № 2, с. 63 - 66.
3. Чурсин В.М., Семенов К.Г. Рациональное использование отходов меди «загряз-ненных»железом //Известия вузов «Цветная металлургия», 2000 г. № 2, с. 37 - 40.
4. Семенов К.Г., Батышев К.А., Панкратов С.Н., Колосков С.В. Низколегированные сплавы меди для новых технологий //Металлургия машиностроения. 2015. № 5. С.22-24.
5. Панкратов С.Н., Семенов К.Г., Батышев К.А. Влияние микролегирования на литейные свойства меди //Заготовительные производства в машиностроении, 2014, № 9, с.18-20.
6. Панкратов С.Н., Семенов К.Г., Батышев К.А. Влияние малых легирующих элементов на литейные свойства меди // Литейщик России, 2014, №. 10, с. 37-39.
7. Семенов К.Г., Батышев К.А., Панкратов С.Н., Колосков С.В. Разработка современных низколегированных медных сплавов для машиностроения // Металлургия машиностроения. 2015. № 4. с. 19-21.
Semenov Konstantin Gennadievich, PhD., associate professor,
(e-mail: kgslpmgvmi@mail.ru)
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia Batyshev Konstantin Aleksandrovich, PhD, professor (E-mail: konstbat63@mail.ru) Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia Chernov Vladimir Victorovich, PhD., associate professor, (e-mail: vvchernov@mail.ru)
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia Pankratov Sergey Nikolaevich, Art. teacher, (E-mail: pankratov-@mail.ru)
Moscow Polytechnic University,Moscow, Russia
DEVELOPMENT OF LOW ALLOY COMPOSITION FOR COPPER ALLOYS INGIENNEERING TECHNOLOLOGIES
Abstract. The paper deals with the synthesis of low-alloyed copper alloys for advanced engineering technologies. Studied copper low alloy castability and film formation processes on alloyed molten copper with additions of nickel, silicon, tin, iron, chromium and other elements. The optimization of the alloy composition by means of mathematical models. The prospects for the synthesis of new groups of low alloyed copper alloys.
Keywords: low alloy copper, new technology, alloying elements of alloys, casting properties, mathematical model, optimization of formulations.
УДК 621.791.313.3-034.2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗНО-ВОДНЫХ АППАРАТОВ ПРИ ПАЙКЕ РАДИАТОРОВ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВС Семешин Александр Леонидович, к.т.н., доцент (e-mail:as200261@yandex.ru) Буравцов Сергей Александрович, магистрант (e-mail: buryi0223@yandex.ru) Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина,
г. Орел, Россия
В данной работе даны понятия о газопламенной обработке металлов и области её применения в ремонтном производстве. Даны рекомендации по применению электролизно-водных генераторов при восстановлении радиаторов системы охлаждения ДВС пайкой. Приведены основные технические характеристики современных электролизно-водных генераторов. Продукты сгорания водородно-кислородного пламени являются практически экологически чистыми - это пары воды, водорода и некоторого количества СО. Применение водородно-кислородного пламени при восстановлении радиаторов пайкой по своим механическим свойствам не отличается, от пайки ацетилено-кислородного пламени.
Ключевые слова: восстановлении радиаторов, пайка, газопламенная обработка, пламя.
Газопламенная обработка металлов является одним из основных производственных процессов в большинстве промышленных и ремонтных предприятий. Она характеризуется значительной гибкостью технологических процессов и поэтому, несмотря на производственные преимущества электрических способов обработки, находит все большее применение [3].
К газопламенной обработке относят совокупность технологических процессов обработки материалов газокислородным и газовоздушным пламенем с целью соединения, разделения, изменения формы и физико-механических свойств, а также получения локальных покрытий с заданными свойствами. В настоящее время газопламенная обработка объединяет более 30 методов.
