RU2781701C2

RU2781701C2 - Low alloy based on copper and its melting method

Info

Publication number: RU2781701C2
Application number: RU2018143424A
Authority: RU
Inventors: Константин Геннадьевич Семенов; Константин Александрович Батышев; Мирослав Георгиевич Георгиевский; Сергей Николаевич Панкратов; Сергей Владимирович Колосков; Юрий Алексеевич Свинороев
Original assignee: Константин Геннадьевич Семенов
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2022-10-17

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, in particular to the production of low copper alloys; it can be used for the manufacture of parts of electric propulsion systems. A method for the production of a low alloy based on copper, containing iron in amount of 2.6-2.85 wt.%, includes melting of copper of M0 or M1 grade in a high-frequency induction furnace under the coverage of a fine-dispersed coke or graphite layer with a thickness of 15-20 mm in a forced mode, then increase in a melt temperature for 1200°C, diffuse deoxidation for 30-40 min, and introduction of technologically pure electrotechnical iron into the melt. In this case, before introduction of iron, the melt temperature is increased for 1280-1300°C, and, before pouring, a melt mirror is purified from slag cover.

EFFECT: invention is aimed at the obtainment of a melt with high electroconductivity, while saving a level of strength properties corresponding to aluminum bronze.

4 cl, 1 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к цветной металлургии и литейному производству, в частности металлургии машиностроительных технологий из низколегированных сплавов на основе меди, и может быть использовано для производства отливок и заготовок из тепло- и электропроводных жаропрочных и износостойких сплавов для применения в изделиях двигательных систем на электрической тяге, частью которых являются медные компоненты. Области применения включают использование медных деталей в силовой электронике, в цепях с большой силой тока и в системах терморегуляции, а также в системах зарядки аккумуляторных батарей электромобилей, в двигательных системах на основе использования эффекта сверхпроводимости, включая изготовление сверхкрупных корабельных двигательных установок (токосъемных элементов, переходников, преобразователей).The invention relates to non-ferrous metallurgy and foundry production, in particular the metallurgy of machine-building technologies from low-alloy copper-based alloys, and can be used for the production of castings and blanks from heat- and electrically conductive heat-resistant and wear-resistant alloys for use in products of propulsion systems for electric traction, partly which are copper components. Applications include the use of copper parts in power electronics, high current circuits and thermal control systems, as well as in electric vehicle battery charging systems, in propulsion systems based on the use of the superconductivity effect, including the manufacture of ultra-large ship propulsion systems (current collectors, adapters , converters).

Определение сплавов как низколегированные, указывает на ограничение суммарного количества легирующих элементов некоторым условным пределом содержания до 5% по массе. Низколегированные сплавы меди в основном относятся к классу деформируемых сплавов (листы, ленты, полосы, прутки, трубки, проволока и др.). Значительно меньше объем производства изделий из литейных сплавов для производства фасонных отливок для электротехнических отраслей (контакты, щеткодержатели, фасонные электроды, теплообменники, фурмы и др.).The definition of alloys as low-alloyed points to the limitation of the total amount of alloying elements by some conditional content limit of up to 5% by weight. Low-alloy copper alloys mainly belong to the class of wrought alloys (sheets, strips, strips, rods, tubes, wire, etc.). The volume of production of products from cast alloys for the production of shaped castings for the electrical industries (contacts, brush holders, shaped electrodes, heat exchangers, tuyeres, etc.) is significantly less.

В современном машиностроении используется сплавы на основе системы медь - железо с легирующими добавками. Железистые бронзы в зависимости от термообработки обеспечивают значения σ_b от 275 до 550 МПа и δ₅=18%. Группа сплавов медь-железо характеризуется, как материалы с высокими показателями по электропроводности, а железистые бронзы (дисперсионно-твердеющие сплавы), как заменители хромовых бронз. Стоимость железа, при этом, значительно ниже стоимости других традиционных легирующих в низколегированных сплавах меди. Железо используется, как основной легирующий элемент, а для выплавки сплавов медь - железо с использованием меди промышленной чистоты, т.е. допускается более высокое исходное содержание кислорода.In modern engineering, alloys based on the copper-iron system with alloying additives are used. Iron bronzes, depending on the heat treatment, provide values of σ _b from 275 to 550 MPa and δ ₅ =18%. The group of copper-iron alloys is characterized as materials with high electrical conductivity, and ferruginous bronzes (precision hardening alloys) as substitutes for chromium bronzes. The cost of iron, at the same time, is significantly lower than the cost of other traditional alloying materials in low-alloy copper alloys. Iron is used as the main alloying element, and for smelting copper-iron alloys using industrial grade copper, i.e. higher initial oxygen content is allowed.

В соответствии с диаграммой состояния Cu-Fe железо практически не растворяется в меди и не оказывает существенного влияния на ее теплопроводность. При переплаве меди с повышенным содержанием кислорода, в первую очередь окисляется железо с образованием оксидов (главным образом Fe₃O₄), которые так же не снижают существенно физико-механические свойства меди. Железо в промышленных сортах рафинированной меди находится только в виде инертного окисла Fe₃O₄, или содержится в твердом растворе с медью. Таким образом, на свойства промышленной меди всегда содержащей кислород, железо влияет несущественно, так как в такой меди оно находится в виде механически взвешенных частиц Fe₃O₄.In accordance with the state diagram of Cu-Fe, iron practically does not dissolve in copper and does not significantly affect its thermal conductivity. During the remelting of copper with a high oxygen content, iron is first oxidized to form oxides (mainly Fe ₃ O ₄ ), which also do not significantly reduce the physical and mechanical properties of copper. Iron in industrial grades of refined copper is found only in the form of an inert oxide Fe ₃ O ₄ , or is contained in a solid solution with copper. Thus, the properties of industrial copper, which always contains oxygen, are not significantly affected by iron, since in such copper it is in the form of mechanically suspended Fe ₃ O ₄ particles.

В стандарты США ASTMB 465-16 включены 4 сплава (С19200-С19600) с содержанием железа от 0,8 до 2,6% и выпускается различная продукция в виде листов, полос, лент, прутков для различных отраслей энергомашиностроения. Известен сплав меди и железа от 2,1 до 2,6% Германия (DEU), используемый в электротехнических целях для производства продукции, получаемой методами пластической деформации (обработка давлением).The US ASTMB 465-16 standards include 4 alloys (C19200-C19600) with an iron content of 0.8 to 2.6% and various products are produced in the form of sheets, strips, tapes, rods for various branches of power engineering. Known alloy of copper and iron from 2.1 to 2.6% Germany (DEU), used for electrical purposes for the production of products obtained by plastic deformation methods (pressure treatment).

Наиболее близкие аналоги: сплав по стандарту ASTMB 465-16 марки С19400, который содержит легирующие элементы: железо 2,1…2,6%, фосфор 0,015…0,15%, цинк 0,05…0,2%, свинец до 0,03%, меди более 94%, и сплав по стандарту DEU DIN 17666:1983-12 марки CuFe2P, который имеет следующий химический состав: железо 2,1…2,6%, фосфор 0,015…0,15%, цинк 0,05…0,2%, свинец до 0,03%, медь остальное. Эти аналоги содержат в своем составе фосфор (до 0,15%), который используется для раскисления меди. Фосфор, при содержании, до 0,15% значительно снижает тепло- и электропроводность меди (до 30%).The closest analogues: an alloy according to the ASTMB 465-16 standard of grade C19400, which contains alloying elements: iron 2.1 ... 2.6%, phosphorus 0.015 ... 0.15%, zinc 0.05 ... 0.2%, lead up to 0 03%, copper over 94%, and an alloy according to DEU DIN 17666:1983-12 grade CuFe2P, which has the following chemical composition: iron 2.1 ... 2.6%, phosphorus 0.015 ... 0.15%, zinc 0, 05 ... 0.2%, lead up to 0.03%, copper the rest. These analogues contain phosphorus (up to 0.15%), which is used to deoxidize copper. Phosphorus, at a content of up to 0.15%, significantly reduces the thermal and electrical conductivity of copper (up to 30%).

Плавку низколегированных сплавов меди с железом проводят в индукционной высокочастотной печи в графитошамотном тигле, и проводится с учетом физико-химических особенностей металлургических процессов. Различные физико-химические свойства образующихся продуктов окисления меди и железа затрудняют последующее рафинирование медного расплава.The melting of low-alloy copper-iron alloys is carried out in a high-frequency induction furnace in a graphite-chamotte crucible, and is carried out taking into account the physicochemical characteristics of metallurgical processes. Various physicochemical properties of the resulting oxidation products of copper and iron hinder the subsequent refining of the copper melt.

Недостатки известных сплавов. Наиболее известны низколегированные сплавы меди: хромовые бронзы (0,1-1,0% хрома) с добавками Zr, Ti, Са, Cd и других легирующие. Эти сплавы относятся к группе дисперсионно твердеющих сплавов, т.е. повышенные свойства у них приобретаются в результате термомеханической обработки. эти сплавы имеют недостаточно высокие технологические свойства: невысокие литейные свойства, затрудняющие различные виды деформации (прокатку, волочение и др.) или получение качественных полуфабрикатов (слитков) в процессе литья из-за низких литейных свойств (недостаточная жидкотекучесть, склонность к пленообразованию, горячеломкость), а наиболее высокие технологические свойства у них реализуются при вакуумной плавке и заливке.Disadvantages of Known Alloys. The best known low-alloy copper alloys: chromium bronze (0.1-1.0% chromium) with the addition of Zr, Ti, Ca, Cd and other alloying. These alloys belong to the group of precipitation hardening alloys, i.e. their enhanced properties are acquired as a result of thermomechanical treatment. these alloys have insufficiently high technological properties: low casting properties, which impede various types of deformation (rolling, drawing, etc.) or obtaining high-quality semi-finished products (ingots) in the casting process due to low casting properties (insufficient fluidity, tendency to film formation, hot brittleness) , and their highest technological properties are realized during vacuum melting and pouring.

Техническим результатом является создание сплава обладающего высокой электропроводимостью (до 80% от проводимости чистой меди), при сохранении уровня прочностных свойств алюминиевой бронзы σ_b 500-550 МПа и δ₅=18%.The technical result is the creation of an alloy with high electrical conductivity (up to 80% of the conductivity of pure copper), while maintaining the level of strength properties of aluminum bronze σ _b 500-550 MPa and δ ₅ =18%.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что низколегированный сплав меди и железа содержит медь и железо при следующих соотношениях компонентов, в мас. %:The technical result of the claimed invention is achieved in that the low alloy of copper and iron contains copper and iron in the following ratios, in wt. %:

Железо - 2,6-2,85Iron - 2.6-2.85

Медь - остальное,Copper - the rest

при этом данный низколегированный сплава на основе меди получают путем расплавления меди марки М0 и M1 в высокочастотной индукционной печи под покровом мелкодисперсного кокса или графита, под слоем толщиной 15…20 мм в форсированном режиме, поднятия температуры расплава до 1200°С и проведения периода диффузионного раскисления, длительностью 30…40 мин, ввода в расплав технически чистого электротехнического железа, очищения зеркала расплава от шлакового покрова графитовой ложкой перед разливкой.at the same time, this low-alloyed copper-based alloy is obtained by melting copper grades M0 and M1 in a high-frequency induction furnace under the cover of fine coke or graphite, under a layer 15 ... , lasting 30 ... 40 min, introducing commercially pure electrical iron into the melt, cleaning the melt mirror from the slag cover with a graphite spoon before pouring.

На фиг. 1 представлено электронное изображение структуры, полученного сплава.In FIG. 1 shows an electronic image of the structure of the resulting alloy.

На фиг. 2 - электронное изображение сплава и спектральный анализ, полученного сплава.In FIG. 2 - electronic image of the alloy and spectral analysis of the resulting alloy.

Заявленное изобретение осуществляется следующим образом.The claimed invention is carried out as follows.

В условиях открытой плавки меди марки М0 по ГОСТ 859-2002 в индукционной печи колебания содержания кислорода в расплавах меди составляет 0,008 до 0,1% по массе, при относительно небольших перегревах меди 1120…1150°С. Для удаления кислорода из расплава, применяются элементы, окисел которого обладает более низкой упругостью диссоциации. Для раскисления расплавов применяются поверхностные (углерод) и растворимые (фосфор) раскислители, остаточное содержание которого может достигать до 0, 6% по массе. Для выплавки сплава применялся метод диффузионного раскисления с помощью мелкодисперсного кокса (коксовая мелочь - каменноугольный кокс крупностью 0…10 мм) или графита измельченного, крупностью 0,1…5 мм. Электромагнитное перемешивание расплава при плавке в высокочастотной индукционной печи обеспечивает равномерность температуры и состав сплава. Плавка в этих печах позволяет интенсифицировать процессы диффузионного раскисления расплава, которое снижается до 30…40 мин и обеспечивает увеличение скорости растворения железа в медном расплаве.In conditions of open melting of copper grade M0 according to GOST 859-2002 in an induction furnace, fluctuations in the oxygen content in copper melts are 0.008 to 0.1% by weight, with relatively small overheating of copper 1120 ... 1150 ° C. To remove oxygen from the melt, elements are used whose oxide has a lower dissociation elasticity. To deoxidize melts, surface (carbon) and soluble (phosphorus) deoxidizers are used, the residual content of which can reach up to 0.6% by weight. For alloy smelting, the method of diffusion deoxidation was used with the help of finely dispersed coke (coke breeze - coal coke with a particle size of 0 ... 10 mm) or crushed graphite, with a particle size of 0.1 ... 5 mm. Electromagnetic stirring of the melt during melting in a high-frequency induction furnace ensures temperature uniformity and alloy composition. Melting in these furnaces allows to intensify the processes of diffusion deoxidation of the melt, which is reduced to 30...40 min and provides an increase in the rate of dissolution of iron in the copper melt.

Вначале расплавляется медь марки М0 и M1 под покровом мелкодисперсного кокса или графита измельченного, под слоем толщиной 15…20 мм в форсированном режиме, затем температура расплава поднималась до 1200°С и проводился период диффузионного раскисления, длительностью 30…40 мин. Затем в расплав вводится технически чистое электротехническое железо АРМКО по ГОСТ 11036-75, в котором суммарное содержание примесей составляет до 0,08-0,1%, в том числе углерода до 0,02%, которое исключает попадание в сплав других примесных элементов, таких как фосфора, цинка, свинца. Количество вводимого количества железа проводится с учетом возможного угара железа до 0,3%. Железо вводится в расплав в виде заготовки сечением 6 на 6 мм и длинной до 100 мм, подогретой до 200°С. Перед растворением железа температура расплава поднималась до температуры 1280…1300°С. Перед разливкой расплава, зеркало очищается от шлакового покрова графитовой ложкой. Температура заливки сплава составляет 1220…1240°С. Заливка проводится в формы для изготовления фасонных отливок методом литья в кокиль, литьем с кристаллизацией под давлением, по выплавляемым моделям на этилсиликатном связующем.First, copper grades M0 and M1 are melted under the cover of finely dispersed coke or crushed graphite, under a layer 15–20 mm thick in forced mode, then the melt temperature rises to 1200°C and a period of diffusion deoxidation is carried out, lasting 30–40 min. Then commercially pure electrical iron ARMKO according to GOST 11036-75 is introduced into the melt, in which the total content of impurities is up to 0.08-0.1%, including carbon up to 0.02%, which excludes the ingress of other impurity elements into the alloy, such as phosphorus, zinc, lead. The amount of the input amount of iron is carried out taking into account the possible waste of iron up to 0.3%. Iron is introduced into the melt in the form of a billet with a cross section of 6 by 6 mm and a length of up to 100 mm, heated to 200°C. Before the dissolution of iron, the temperature of the melt rose to a temperature of 1280...1300°C. Before pouring the melt, the mirror is cleaned from the slag cover with a graphite spoon. The pouring temperature of the alloy is 1220...1240°C. Pouring is carried out in molds for the manufacture of shaped castings by casting into a mold, casting with crystallization under pressure, according to investment patterns on an ethyl silicate binder.

Claims

1. A method for producing a low-alloy copper-based alloy containing iron in an amount of 2.6-2.85 wt.%, including melting copper grade M0 or M1 in a high-frequency induction furnace under the cover of a layer of fine coke or graphite 15-20 mm thick in forced mode, then raising the temperature of the melt to 1200°C, holding a period of diffusion deoxidation lasting 30-40 min and introducing commercially pure electrical iron into the melt, while before introducing iron, the melt temperature is raised to a temperature of 1280-1300°C, and before pouring the mirror of the melt cleaned from the slag cover with a graphite spoon.

2. The method according to p. 1, characterized in that the input of the amount of iron is carried out taking into account the possible waste of iron up to 0.3%.

3. The method according to p. 1, characterized in that iron is introduced into the melt in the form of a billet with a cross section of 6 by 6 mm and a length of up to 100 mm, heated to 200°C.

4. The method according to p. 1, characterized in that when melting the alloy, commercially pure ARMCO electrical iron is used, in which the total impurity content is up to 0.08-0.1 wt.%, including carbon up to 0.02 wt. %.