МЕДНЫЙ СПЛАВ

Название	МЕДНЫЙ СПЛАВ
Разработчик (Авторы)	Беленко И.А., Беленко В.А., Денисов С.Г., Камышанченко Н.В., Лопата Александр Трофимович, Неклюдов Иван Матвеевич, Повышев В.И., Шевченко Сергей Васильевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2241776
Дата регистрации	19.01.2004
Правообладатель	Белгородский государственный университет
Область применения (класс МПК)	C22C 9/04 (2000.01) C22C 9/08 (2000.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и сплавов, содержащих в основе медь с различным содержанием легирующих и примесных элементов, и может быть использовано в атомной и термоядерной энергетике, а также в электротехнической, электровакуумной и криогенной отраслях промышленности.

Известны медные сплавы, применяемые в данных областях техники (например, медные сплавы марок МO, M1, M2, МЗ), а также другие аналоги, обнаруженные при изучении научно-технической и патентной литературы [1-5]. Однако известные материалы не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных физико-механических и служебных свойств в условиях длительной эксплуатации, что снижает надежность и срок службы конструкционных материалов.

Наиболее близкой к заявляемой композиции по назначению и составу компонентов является техническая медь под марочным обозначением M1 по ГОСТ 859-78 [1], содержащая в своем составе следующие элементы, маc.%:

Свинец ≤0,005

Цинк ≤0,004

Олово ≤0,002

Сурьма ≤0,002

Висмут ≤0,001

Кислород ≤0,05

Сера ≤0,005

Медь Остальное

Данную марку медного сплава в соответствии с требованиями ГОСТ рекомендуется использовать в различных отраслях промышленности и народного хозяйства при производстве серийного электротехнического (токоподводы, выключатели, электропроводящие шины и т.д.) и теплообменного (трубные системы, котлы, водоохлаждаемые изложницы и др.) оборудования. При этом известный материал характеризуется широким разбросом и нестабильностью физико-механических и служебных свойств, что не отвечает предъявляемым требованиям, определяющим заданную работоспособность и эксплуатационную надежность облицовки 1-й стенки приемных пластин и элементов дивертора термоядерного реактора [6-9].

Задачей настоящего изобретения является создание медного сплава, обладающего повышенной структурной стабильностью, улучшенными прочностными и пластическими характеристиками, что достигается за счет формирования устойчивой дислокационной структуры. Получение сплава с более высоким уровнем основных физико-механических, технологических и служебных свойств обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы защитных систем термоядерного реактора. Поставленная в заявке задача решается в отличие от ранее известных способов решения изменением соотношения легирующих элементов и введением в состав заявляемой композиции оптимального количества иттрия с ограничением содержания нерастворимых в твердом растворе меди некоторых примесных элементов, вызывающих образование в приграничных областях легкоплавких эвтектик.

Предлагается медный сплав, содержащий, мас.%:

Олово 0,0005-0,002

Цинк 0,001-0,004

Свинец 0,001-0,004

Сурьма 0,0005-0,002

Висмут 0,0005-0,001

Иттрий 0,005-0,02

Кислород 0,01-0,038

Сера 0,001-0,005

Медь Остальное

При этом введено ограничение суммарного содержания некоторых элементов, существенно влияющих на формирование заданного структурного состояния сплава и во многом определяющих требуемый уровень основных физико-механических, технологических и служебных свойств заявляемого материала, в частности: суммарное содержание свинца и висмута не должно превышать 0,0045%, а общее содержание кислорода и серы не должно превышать 0,04%.

В таблице 1 приведены варианты предлагаемого сплава в сравнении с известным аналогом.

Соотношение указанных элементов выбрано таким, чтобы сплав после соответствующей термической обработки обеспечивал требуемый уровень и стабильность важнейших физико-механических свойств, определяющих высокую работоспособность материала в сложных условиях эксплуатации термоядерного реактора.

Результаты проведенных исследований показали (табл.2, 3), что введение в заявляемую композицию микролегирующих добавок иттрия в указанном соотношении с растворимыми в меди оловом и цинком повышает структурную стабильность в области рабочих температур, приводит к улучшению прочностных и пластических характеристик материала, а также способствует росту деформационной способности и технологичности сплава на стадии металлургического передела при производстве полуфабрикатов сложного профиля. Это объясняется тем, что иттрий, являясь весьма сильным модификатором и обладая рафинирующим действием на твердый раствор, способствует снижению химической и структурной неоднородности литого металла. При этом, как показали наши исследования, происходит более равномерное перераспределение легирующих элементов и неметаллических включений по сечению слитка, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, тоньше и чище становятся границы зерна, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом приводит к повышению прочностных и пластических характеристик сплава. Введение иттрия в заявляемую композицию вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность его положительного влияния на весь комплекс важнейших свойств материала, что приводит к общему снижению эксплуатационных характеристик изделия.

Ограничение суммарного содержания нерастворимых в меди примесных элементов Рb и Bi в указанных в формуле изобретения пределах также направлено на повышение структурной стабильности и получение требуемого комплекса механических характеристик заявляемого сплава. При этом обеспечение требуемого уровня прочностных и пластических свойств сплава в термообработанном состоянии достигается за счет формирования устойчивой дислокационной структуры, в значительной мере определяющей число активных плоскостей скольжения {111} в процессе пластической деформации и отражающей вклад дислокационной неупругости в процессы внутреннего трения. Увеличение содержания указанных примесей свыше заявляемых пределов вызывает образование в процессе технологических нагревов легкоплавких эвтектик, располагающихся по границам зерен основной фазы, что существенно повышает чувствительность меди к процессам красноломкости.

Выбор системы комплексного легирования заявляемой композиции предусматривает ограничение содержания также таких химически активных в меди элементов, как кислорода и серы, образующих промежуточные фазы типа Сu₂О и Сu₂S и усиливающих структурную гетерогенность в приграничных областях в виде эвтектик. Учитывая также, что защитные элементы термоядерного реактора работают в условиях длительного контакта с водородосодержащими средами и что указанные примесные элементы повышают склонность медных сплавов к водородной хрупкости (“водородная болезнь”) с вытекающими отсюда нежелательными последствиями, целесообразно ограничить общее содержание кислорода и серы в металле до 0,04%.

Таким образом, полученный более высокий уровень основных физико-механических, технологических и служебных свойств заявляемой композиции обеспечивается комплексным легированием сплава в указанном соотношении с другими элементами. При этом ограничение суммарного содержания свинца и висмута до 0,0045%, а также кислорода и серы до 0,04% обусловлено тем, что эти элементы оказывают негативное воздействие на процессы структурообразования в условиях длительных эксплуатационных нагревов. Повышение чистоты металла по указанным примесным элементам в сочетании с микролегированием иттрием способствует формированию более однородной структуры, существенно снижает анизотропию свойств и склонность сплава к хрупкому разрушению. Такое структурное состояние обеспечивает наиболее полную рекомбинацию радиационных точечных дефектов в условиях нейтронного облучения, тем самым повышая стойкость сплава к вакансионному распуханию.

На кафедре общей физики Белгородского государственного университета совместно с Харьковским физико-техническим институтом и ЦНИИ конструкционных материалов “Прометей” (г.Санкт-Петербург) выполнен комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам заявляемой марки сплава. Металл выплавлялся в 100 кг индукционной электропечи экспериментального металлургического производства ЦНИИ КМ “Прометей” с последующей разливкой в слитки массой до 25 и 50 кг. В дальнейшем слитки подвергались обработке давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании с целью получения необходимых полуфабрикатов требуемого сортамента.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения необходимых физико-механических и служебных свойств представлены в табл.1-3. Результаты механических испытаний усреднены по 3 образцам на точку. Определение логарифмического декремента колебаний как показателя внутреннего трения металла и оценка его структурного состояния проводилось на установке Д-6М с последующей компьютерной обработкой. Оценка сопротивляемости исследуемых материалов против вакансионного распухания проводилась методом моделирования радиационных повреждений на ускорителе заряженных частиц

Ожидаемый технико-экономический эффект от использования заявляемого материала, например, в атомном энергомашиностроении выразится в повышении эксплуатационной надежности, безопасности и общего ресурса работы защитных систем термоядерных реакторов. Новое техническое решение может быть использовано также в других отраслях промышленности при производстве современной высоконадежной техники.

Формула изобретения

Медный сплав, содержащий олово, цинк, свинец, сурьму, висмут, кислород, серу и медь, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Олово 0,0005-0,002

Цинк 0,001-0,004

Свинец 0,001-0,004

Сурьма 0,0005-0,002

Висмут 0,0005-0,001

Иттрий 0,005-0,02

Кислород 0,01-0,038

Сера 0,001-0,005

Медь Остальное

при этом суммарное содержание свинца и висмута не превышает 0,0045%, содержание кислорода и серы не превышает 0,04%.

Изобретение "МЕДНЫЙ СПЛАВ" (Беленко И.А., Беленко В.А., Денисов С.Г., Камышанченко Н.В., Лопата Александр Трофимович, Неклюдов Иван Матвеевич, Повышев В.И., Шевченко Сергей Васильевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога