Композитный провод

Изобретение относится к металлургии и электротехнике и может быть использовано при изготовлении контактных и троллейных проводов с повышенной стойкостью к истиранию в условиях протекания электрического тока через провод. Композитный провод содержит коррозионностойкий слой из материала, выполненного из сплава на основе меди, содержащего элементы, выбранные из группы Hf, Zr, Y, подавляющие искрообразование при скользящем контакте провода и токосъемника. Сердцевина провода содержит высокоэлектропроводные элементы из электротехнической меди или низколегированного сплава на ее основе и наноструктурные высокопрочные элементы в виде высокопрочных проводов, состоящих из высокопрочного матричного сплава на основе меди с легирующими компонентами, не образующими с медью интерметаллических соединений, и расположенными в ней в виде ленточных волокон из Nb, Mo, Cr, V, Та, Fe, содержание которых составляет 5-30 мас.% в составе каждого наноструктурного элемента. Высокоэлектропроводные элементы окружают наноструктурные элементы, далее расположен наружный коррозионностойкий слой. Наноструктурные элементы выполнены в виде проволок, одна из которых размещена вдоль продольной оси провода, а остальные размещены вокруг нее в виде скрутки, состоящей по крайней мере из двух спирально закрученных слоев. Спирально закрученный слой высокопрочных проволок, прилегающий изнутри к наружной оболочке провода имеет шаг от 10 диаметров провода до 40 диаметров провода. Провод содержит две пары спирально по отношению к продольной оси провода размещенных изолированных сигнальных проводов, причем одна из пар сигнальных проволок расположена между наружной оболочкой провода и прилегающим к ней слоем высокопрочных проволок, а остальные пары сигнальных проволок расположены между концентрическими слоями высокопрочных проволок. 6 з.п., 5 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к металлургии и электротехнике, и может быть использовано при получении высокопрочных проводов для токопередающих контактных и троллейных проводов в системе железнодорожного и городского высокоскоростного троллейного транспорта. Предлагаемая конструкция композиционного провода позволяет изготовить высокопрочный контактный провод, обладающий высокой прочностью, недостижимой в обычных не наноструктурных проводах, повышенной электропроводностью по сравнению с обычными монометаллическими и макрокомпозиционными проводами с повышенной прочностью, одновременно высокой устойчивостью к истиранию, пониженным дугообразованием при скольжении по его поверхности токосъемных устройств, высокой коррозионной стойкостью и элементами интеллектуальной способности провода к осуществлению диагностики состояния сети, в составе которой он эксплуатируется.

Уровень техники

Известные конструкции высокопрочных проводов реализуются на основе использования монометаллических сплавов на основе меди (Захаров A.M. Промышленные сплавы цветных металлов. Фазовый состав и структуные составляющиею М.: Металлургия, 1980 г. - 256 с.), в которых повышение механической прочности достигается путем модификации микроструктуры введением большого количества линейных дефектов в виде краевых и винтовых дислокации вплоть до достижения плотности 10¹⁰-10¹² см^-1, что возможно при большой пластической деформации сплава обычными методами обработки металлов давлением. Известны также конструкции высокопрочных проводов, которые реализуются на основе использования монометаллических сплавов на основе меди, в которых повышение механической прочности достигается путем введения в состав матричного сплава на основе меди дисперсных выделений интерметаллических либо оксидных частиц. При этом оба типа конструкций не обеспечивают необходимого уровня сочетания прочностных и электропроводящих свойств получаемого таким образом проводникового материала, а именно - от уровня прочности (временного сопротивления разрушению при растяжении) 800-900 МПа при электропроводности на уровне 80-85% IACS (IACS - Международный Стандарт Отожженной Меди, где 100% IACS=1,7241 мкм Ом*см) до уровня прочности 1000-1300 МПа при электропроводности на уровне 60-75% IACS.

Величина предела прочности (_max) холоднотянутой сильно деформированной электротехнической меди, обычно используемой для изготовления электротехнических проводов различного назначения, в частности в виде контактных проводов для железнодорожного транспорта, составляет 250-350 МПа (Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки. Справочник. - М.: Машиностроение, 2004. - 336 с.).

Известны конструкции проводов на основе сплавов на основе меди, легированных серебром, при этом, например, сплавы Cu с 0,1% Ag, имеют _max=400 МПа при сохранении электропроводности на уровне 90% IACS (Патент Японии JP 2006016650, МПК В21В 1/16., опубликовано 01.19.2006 г.).

Недостатком конструкций проводов на основе этих материалов (сильнодеформированной электротехнической меди и малолегированных сплавов на основе меди) является низкая механическая прочность, что не позволяет эффективно использовать их для изготовления высокопрочных проводов контактных сетей ответственного назначения.

Известна также конструкция высокопрочного провода, состоящего из сплава меди с 2% бериллия (сплав БрБ-2), который в результате вакуумной плавки, закалки, последующих операций пластической деформации в закаленном состоянии и термообработки - старением содержит в матричной меди высокодисперсные (менее 1 мкм) выделения второй фазы в виде Cu-Be хрупкого интерметалического соединения. При этом величина предела прочности провода достигает значений 800-950 МПа (Берман С.И. Меднобериллиевые сплавы, их свойства. Применение и обработка, М. Металлургия, 1966 г.). Однако удельное электросопротивление сплава БрБ-2 составляет 0,1 Oм*мм ²/м, что в 10 раз превышает электросопротивление электротехнической меди, которое составляет при 20°С величину 0,0172 Ом*мм ²/м.

Известна также конструкция макрокомпозиционного высокопрочного электропроводящего провода, которая содержат продольно расположенный сердечник из высокоэлектропроводной меди, размещенный в оболочке из высокопрочного сплава, например из стали (H.Jones and M. Van Cleemput "Copper stainless steel macrocomposite conductor" in "High Magnetic Fields: applications, heneration, materials" ed. by H.Schneider-Muntau, World Scientific Publishing Co, 1997, pp.499-510.)

При этом прочностные свойства композиционного проводника рассчитываются по известному правилу смеси в соответствии с формулой:

_к=_сV_с+_о(1-V_с), где _к - предел прочности композиционного провода, _с - предел прочности сердечника, V_с - объемная доля сердечника в проводе, _о - предел прочности материала оболочки.

Экспериментальные значения прочности указанных макрокомпозиционных проводников обычно хорошо соответствуют рассчитанным по формуле значениям и составляют для провода, содержащего сердечник из бескислородной электротехнической меди, размещенный в оболочке из высокопрочной аустенитного типа стали SS304 величину порядка 850 МПа при электропроводности 60% от электропроводности чистой меди (J.Bevk, James P.Harbison, Joseph L. Bell "Anomalous increase in strength of in situ formed Cu-Nb multifilamentary composites" J.Appl.Phys. v.49 (12), 1978, p.6031-6038).

При этом, конструкция данного провода не может быть использована в качестве контактного провода для высокоскоростного железнодорожного транспорта ввиду высокого поперечного электросопротивления провода, что вызвано низкой (в 10 раз по сравнению с медью) электропроводностью стали. Кроме того, при контакте скользящего по стальной поверхности провода токосъемника неизбежно сильное искрообразование из-за высокого локального электросопротивления.

Известен высокопрочный проводник, содержащий продольно расположенный сердечник из высокочистой бескислородной меди, окруженный оболочкой из относительно высокопрочного сплава Cu - (25-35) % Ni, имеющего повышенную коррозионную стойкость, причем для достижения достаточно высоких электропроводных свойств при обеспечении достаточно высокой технологичности площадь оболочки выбирается не более 14% от площади проводника (Патент Японии, JP 3141505, 1991). Недостатком данного провода является недостаточно высокое достигаемое значение механической прочности (менее 800 МПа) из-за малой доли высокопрочного компонента. Повышение объемной доли высокопрочной составляющей провода приведет к сильному снижению электропроводности провода в целом.

Известны также высокопрочные провода с достаточно высокой электропроводностью, объем которых представляет собой матричный высокопроводящий материал, обычно - высокочистую медь, в которой равномерно распределены продольно ориентированные сверхмелкодисперсные дискретные волокна из хорошо деформируемого материала, не взаимодействующего с медью с образованием каких-либо интерметаллических соединений. В качестве материала волокон могут быть использованы Nb, Ag, Ta, Cr, Fe, V. Экспериментально установлено, что для достижения высоких значений прочности, существенно превышающих значения прочности, рассчитанные по правилу смеси, необходимо, чтобы размер волокон составлял в поперечном сечении 50-20 нм. При выполнении данного условия предел прочности такого наноструктурного проводника достигает величин 800 МПа для системы Cu-Fe, 1400 МПа для системы Cu-Ag и 2000 МПа для системы Cu-Nb (W.Spitzig, P.Krotz "A comparison of the strength and microstmcture of heavily cold worked Cu-20% Nb composites formed by different melting procedures" Scripta Metallurgica, v.21 (8), 1987.)

При этом электропроводность данного типа проводников имеет значения от 30 до 60% от электропроводности чистой меди. Указанный рекордно высокий уровень прочностных характеристик был достигнут только для малых диаметров проводника 0,05-0,2 мм, что сильно сужает сектор применения таких высокопрочных проводников. Особо следует отметить, что такие проводники имеют низкую технологичность, так как отсутствие внешней оболочки приводит к тому, что волокна из упрочняющего материала выходят на поверхность проводника, что приводит к различной адгезии к смазочным материалам, используемым в процессе получения провода методом пластической деформации. Это, в свою очередь, приводит к обрывам провода в ходе его изготовления. Кроме того, отсутствие наружной оболочки из медного сплава не позволяет использовать такие проводники в условиях приложения внешних механических воздействий, например в качестве контактных проводов для высокоскоростного троллейного транспорта. Такие проводники также подвержены коррозии, что снижает надежность их использования в ответственных изделиях электротехники и электроники.

Известны композитные высокопрочные проводники, в которых продольно расположенный сердечник из высокопрочного материала выполнен из наноструктурного волокнистого материала Cu-Nb, Cu-Ta, Cu-Fe, Cu-Ag, Cu-Cr или Cu-Nb-Cr а наружная оболочка выполнена из чистой меди или из корррозионностойкого материала в виде Au, Ag, Sn, Ni, Zn, Pd или сплавов Ni-Co, Sn-Zn, Sn-Bi, Sn-Ag-Cu, Ni-Co-P (Патент США 4378330 C22F 1/08, 1983) Выполнение наружной оболочки из чистой меди, вышеперечисленных коррозионностойких сплавов, не отличающихся высокой твердостью и механической прочностью не обеспечивает возможности использования таких проводников в условиях приложения сильных внешних механических воздействий, например в качестве контактных проводников. Кроме того, высокая объемная доля наноструктурного высокопрочного сплава в сечении проводника не обеспечивает достаточной электропроводности проводника, превышающей 50% от электропроводности высокочистой меди.

Известна конструкция макрокомпозиционного провода, которая содержит элементы, придающие прочность (выполненные, например, из нержавеющей аустенитного типа стали), элементы, обеспечивающие высокую электропроводность (выполненные из электротехнической меди), а также элементы, обеспечивающие возможность диагностирования состояния работоспособности контактной сети, в составе которой эксплуатируется провод (выполненные в виде продольно размещенной в проводе пары сигнальных проволок, изолированных от остальных элементов провода и расположенных в одной горизонтальной плоскости) (Патент Японии JP 2005088693, МПК B60M 1/13, опубликовано 07.04.2005 г.).

Недостатком данной конструкции провода является то, что она не обеспечивает достижения достаточно высокого сочетания механической прочности и электропроводности. Механическая прочность и электрическая проводимость рассчитываются по правилу смеси и при достижении прочности более 800 МПа электрическая проводимость становится менее 50% IACS. Данная конструкция также не обеспечивает достаточно высокую коррозионную стойкость и не обладает свойством пониженного дугообразования при высокоскоростном скольжении о поверхности провода материала токоприемника. Кроме того, существенным недостатком данной конструкции является то, что в проводе присутствует только одна пара сигнальных проволок, причем эта пара сигнальных проводов расположена параллельно продольной оси провода. Предполагается, что обе сигнальных проволоки будут находиться в одной плоскости, параллельной плоскости токосъемника. Однако, при подвешивании провода не всегда будет обеспечена строгая горизонтальная ориентация плоскости размещения сигнальных проволок в проводе. При этом, будет иметь место неравномерное (по отношению к реальной плоскости размещения сигнальных проволок) истирание контактного провода и сигнал о близости момента разрушения не поступит своевременно. Провод может оборваться до получения сигнала о критической степени износа провода.

Известна конструкция провода, содержащая сердечник из наноструктурного высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из Nb, Ag, Cr, V, Ta, Fe, объемная доля которых составляет 15-60%, продольно расположенную по всей длине провода высокоэлектропроводную вставку из электротехнической (высокочистой) меди, и наружную оболочку из меди, сплава на основе меди или стали, а толщина наружной оболочки составляет 10-20 мкм (Патент РФ 2074424 от 27.02.1997 Бюл. 6). Данный проводник принят в качестве прототипа.

Вышеуказанный провод характеризуется недостаточно высокой коррозионной стойкостью в случае применения в качестве наружной оболочки чистой меди. Кроме того, выполнение наружной оболочки из чистой меди или произвольно выбранных медных сплавов, не отличающихся высокой твердостью и механической прочностью, не обеспечивает возможности использования таких проводников в условиях приложения сильных внешних механических воздействий, например при использовании таких проводов в качестве контактных или троллейных проводов. Использование стали в качестве оболочки провода практически исключает возможность его применения в качестве контактного провода для железнодорожного транспорта, ввиду склонности к искрообразованию вследствие высокого локального электросопротивления в месте скользящего контакта с токосъемником.

В процессе эксплуатации провода в качестве контактного или троллейного провода имеет место его износ, что вызывается механическими, химическими и электрическими явлениями. Механический износ провода происходит главным образом вследствие трения контактных поверхностей. Величина механического износа обычно невелика и зависит от твердости металла. Химический износ возникает в результате окисления контактной поверхности под воздействием атмосферы при наличии высокой влажности и температуры.

Наибольшее локальное разрушение контактных или троллейных проводов происходит в результате электрической эрозии, которая возникает при разрыве цепи провод-токосъемник. Газовые разряды, в особенности дуговые, нагревают металл до высоких температур. При этом в контактных проводах, выполненных их меди, могут протекать процессы рекристаллизации, что приводит к уменьшению их механической прочности. Для предотвращения данного эффекта необходимо использовать сплавы на основе меди, имеющие повышенную температуру рекристаллизации, а также имеющие повышенную эмиссионную способность электронов проводимости. При этом легирующие элементы не должны приводить к значительному снижению электропроводящих свойств. Для применения в контактных проводах медь предлагается легировать элементами, которые значительно повышают прочность без существенного снижения электропроводности. Известны проводниковые сплавы легированные серебром, кадмием, хромом, цирконием и магнием. Так, при введении в медь 0,1-1% Zr или Cr твердость повышается в 2,5 раза, а электропроводность уменьшается всего на 2030%. Наилучшее сочетание прочности и электропроводности достигается при легировании меди не одним, а двумя или тремя элементами, причем содержание этих элементов должно быть выбрано таким образом, что снижение электропроводности при совместном легировании будет меньше, чем при введении одного компонента в том же количестве, что и в многокомпонентном сплаве. Растворное упрочнение для рассматриваемых сплавов нежелательно, так как растворение большинства легирующих элементов в количествах, достаточных для эффективного упрочнения меди, приводит к существенному повышению ее электросопротивления.

Раскрытие изобретения

Для достижения высокой прочности, высокой электропроводности и одновременно высокой коррозионной стойкости и низкой склонности к искрообразованию в случае применения провода в качестве токопроводящего элемента контактной сети предлагается конструкция провода, содержащая ориентированные вдоль продольной оси провода высокоэлектропроводные элементы из электротехнической меди или низколегированного сплава на ее основе, наружную оболочку из сплава на основе меди и наноструктурные элементы, состоящие из высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами, не образующими с медью интерметаллических соединений, и расположенные в ней в виде ленточных волокон из Nb, Mo, Cr, V, Ta, Ре, содержание которых составляет 5-30 об.%, отличающийся тем, что наружная оболочка выполнена из коррозионностойкого сплава на основе меди, содержащего элементы выбранные из группы Y, Zr, Hf, площадь поперечного сечения наружной оболочки составляет 15-25% от площади сечения провода, площадь поперечного сечения высокоэлектропроводных элементов из электротехнической меди или низколегированного сплава на ее основе составляет 10-30% от площади сечения проводника, а наноструктурные элементы, состоящие из высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами, не образующими с медью интерметаллических соединений, и расположенные в ней в виде ленточных волокон из Nb, Mo, Cr, V, Та, Fe, выполнены в виде высокопрочных проволок, одна из которых размещена вдоль продольной оси провода, а остальные размещены вокруг нее в виде скрутки, состоящей по крайней мере, из двух спирально закрученных слоев, причем каждая из высокопрочных проволок окружена высокоэлектропроводными элементами из электротехнической меди или низколегированного сплава на ее основе в виде слоев толщиной от 10 мкм до 200 мкм, причем провод содержит две пары спирально по отношению к продольной оси провода размещенных изолированных сигнальных проволок диаметром от 0.1 до 0.3 от диаметра высокопрочных проволок, причем одна из пар сигнальных проволок расположена между наружной оболочкой провода и прилегающим к ней слоем высокопрочных проволок, а другая пара сигнальных проволок расположена между слоями высокопрочных проволок. При этом наружная оболочка выполнена из коррозионного сплава, содержащего элементы, выбранные из ряда Hf, Zr, Y при их суммарном содержании 0,1-0,3 мас.%. Для обеспечения высокой точности фиксации состояния износа провода путем измерения момента одновременного нарушения целостности изоляции сигнальных проволок спирально закрученный слой высокопрочных проволок, прилегающий к наружной оболочке провода имеет шаг от 10 диаметров провода до 40 диаметров провода.

Выбор предельных значений содержания Nb, Mo, Cr, V, Ta, Fe, в наноструктурных высокопрочных проволоках обусловлен тем, что при их содержании менее 5 объемных процентов не достигается наноструктурного аномально высокого повышения механической прочности проволоки, а при объемном содержании волокон вышеперечисленных металлов, превышающем 30%, имеет место резкое снижение технологичности процессов получения проволок, выражающееся в массовых обрывах.

Экспериментально установлено, что для достижения высоких эксплуатационных свойств (прочность, электропроводность, коррозионная стойкость, долговечность) площадь поперечного сечения наружной оболочки должна составлять 15-25% от площади поперечного сечения всего провода. При площади сечения наружной оболочки менее 15% не достигается необходимая долговечность провода вследствие механического износа. При площади поперечного сечения наружной оболочки более 25% не достигается необходимая прочность контактного провода (>900 МПа).

Экспериментально показано, что окружение наноструктурных высокопрочных проволок высокоэлектропроводными элементами из электротехнической меди или низколегированного сплава на ее основе в виде слоев толщиной от 10 мкм до 200 мкм необходимо для достижения требуемого оптимального сочетания механической прочности и достаточной электропроводности контактного или троллейного провода. При толщине слоев высокоэлектропроводных элементов менее 10 мкм не достигается достаточный уровень электропроводности (>60% IACS). При толщине слоев высокоэлектропроводных элементов более 200 мкм не достигается достаточный уровень прочности (>900 МПа).

Также экспериментально было установлено, что наилучшее сочетание электропроводности, прочности и высокой температуры рекристаллизации наружного слоя провода достигается при совместном легировании материала наружной оболочки металлами, выбранными из ряда Hf, Zr, Y, при их суммарном содержании 0,1-0,3 мас.%. При этом, цирконий, находясь при данной концентрации в твердом растворе меди, значительно снижает коэффициент объемной диффузии других легирующих компонентов, что приводит к повышению прочности и температуры рекристаллизации сложно-легированного сплава. Увеличение концентрации легирующих компонентов свыше 0,3 мас.% приводит к уменьшению электропроводности композиционного провода. Уменьшение концентрации легирующих компонентов до менее 0,1 мас.% не обеспечивает достаточного повышения температуры рекристаллизации (>300°С) и достаточной твердости, и, следовательно, долговечности работы композиционного провода. Экспериментально установлено, что максимальное сочетание эксплуатационных свойств композитного высокопрочного провода достигается при введении в состав материала наружной оболочки Hf количестве 0,033-0,1 мас.%, Zr в количестве 0,033-0,1 мас.%, Y в количестве 0,033-0,1 мас.%.

Краткое описание чертежей

Конструкции высокопрочных проводов с повышенной электропроводностью приведены на Фиг.1-Фиг.5.

На Фиг.1 изображен продольный вид внутренней части провода (без его наружной оболочки). 1 - внешний слой высокопрочных проволок, расположенных под наружной оболочкой провода. 2 - Сигнальные провода в виде пары.

На Фиг.2 изображена схема поперечного сечения одного из возможных вариантов выполнения провода. 1 - высокопрочные наноструктурные проволоки, содержащие в матрице на основе меди волокна из металла, не образующего с медью интерметаллических соединений, например из Nb, Cr, V, Та, Pe, Mo, локальная объемная доля которых составляет 5÷30%; 2 - высокоэлектропроводные элементы из низколегированного сплава на основе меди, в виде расположенных коаксиально с высокопрочными наноструктурными проволоками цилиндрических слоев толщиной от 10 мкм до 200 мкм, что обеспечивает повышенную гибкость проводника; 3 - сигнальные электроизолированные проволоки; 4 - наружная оболочка из коррозионностойкого сплава, содержащего элементы, выбранные из ряда Hf, Zr, Y при их суммарном содержании 0,1÷0,3 мас.%.

На Фиг.3 изображена схема поперечного сечения одного из возможных вариантов выполнения провода. 1 - высокопрочные наноструктурные проволоки, содержащие в матрице на основе меди волокна из металла, не образующего с медью интерметаллических соединений, например из Nb, Cr, V, Ta, Fe, Mo, локальная объемная доля которых составляет 5-30%; 2 - сигнальные электроизолированные проволоки; 3 - наружная оболочка из коррозионного сплава, содержащего элементы, выбранные из ряда Hf, Zr, Y при их суммарном содержании 0,1÷0,3 мас.%.

На Фиг.4 изображена схема поперечного сечения одного из возможных вариантов выполнения провода (коррозионнностойкий сплав). 1 высокопрочные наноструктурные проволоки, содержащие в матрице на основе меди волокна из металла, не образующего с медью интерметаллических соединений, например из Nb, Cr, V, Та, Fe, Мо, локальная объемная доля которых составляет 5-30%; 2 - высокоэлектропроводные элементы из объемной электротехнической меди или низколегированного сплава на ее основе в виде слоев толщиной от 10 мкм до 200 мкм (визуально выявляются только в результате прецезионного травления); 3 - сигнальные электроизолированные проволоки; 4 - наружная оболочка из коррозионного сплава, содержащего элементы, выбранные из ряда Hf, Zr, Y при их суммарном содержании 0,1÷0,3 мас.%.

На Фиг.5 представлена схема поперечного сечения одного из возможных вариантов выполнения провода. 1 - высокопрочные наноструктурные проволоки, содержащие в матрице на основе меди волокна из металла, не образующего с медью интерметаллических соединений, например из Nb, Cr, V, Ta, Fe, Mo, локальная объемная "доля которых составляет 5-30%; 2 - высокоэлектропроводные элементы из электротехнической меди или низколегированного сплава на ее основе в виде слоев толщиной от 10 мкм до 200 мкм; 3 - наружная оболочка из коррозионного сплава, содержащего элементы, выбранные из ряда Hf, Zr, Y, при их суммарном содержании 0,1-0,3 мас.%. Провод, не содержащий сигнальных проволок, обладает высоким комплексом прочностных и электропроводящих свойств, достаточным для его использования в качестве контактного или троллейного провода, но не обеспечивает возможности получения своевременной информации о степени его износа, с целью обеспечения планово-предупредительных работ для безаварийной эксплуатации сети железнодорожного и городского троллейного транспорта.

Использование предложенного технического решения позволяет получать композиционные высокопрочные провода с повышенной электропроводностью и высокой коррозионной стойкостью, а также способные работать в условиях скользящего контакта с пониженной склонностью к искрообразованию. При этом провод имеет элементы интеллектуальной способности к осуществлению диагностики состояния сети, в составе которой он эксплуатируется.

В качестве основных исходных материалов для изготовления предложенных проводов использовали медь марки MOB ГОСТ 859-75 и ниобий марки НБ-1 ГОСТ 16099-80. В качестве легирующих компонентов использовали высокочистые металлы (99,9 мас.%).

Подробное описание варианта осуществления

При изготовлении провода была использована технология «сборных проводов», при которой собирают составную многожильную заготовку из прутков сплава медь-ниобий (железо, молибден, хром, тантал, ванадий). Прутки получали пластической деформацией исходных слитков сплава (например, сплава медь-18% ниобия) диаметром 130 мм, которые получали дуговой вакуумной плавкой с расходуемым электродом. Деформацию слитка проводили методом выдавливания до получения прутка диаметром 30 мм, с последующей пластической деформацией волочением до получения прутка нужного сечения (например, в виде шестигранного прутка с размером поперечного сечения «под ключ» S=10,8 мм). Шестигранный пруток разрезали на мерные длины, равные длине составной многожильной заготовки. Корпус для получения составной заготовки представлял собой отрезок цилиндрической трубы, изготовленной из сплава, содержащего Hf, Zr и/или Y с суммарным содержанием 0,1-0,3 мас.%. Для формирования расположенного вдоль продольной оси сердечника из электротехнической меди в центральной части составной заготовки размещали один сплошной элемент или составной из шестигранных прутков элемент из электротехнической (чистой) меди. Размеры шестигранных прутков, их количество, Толщину корпуса для формирования составной заготовки, а также размеры сплошного элемента или составного из шестигранных прутков элемента из электротехнической (чистой) меди выбирали таким образом (Фиг.5), чтобы соотношение площадей составляло: 1 (высокопрочный наноструктурный элемент (сердечник), содержащий в матрице на основе меди волокна из металла, не образующего с медью интерметаллических соединений, например, из Nb, Mo, Cr, V, Ta, Fe, объемная доля которых составляет 5-30%) - 75%-45%; 2 (расположенные вдоль продольной оси провода слои из электротехнической меди) - суммарным объемом 10%-30%; 3 (наружная оболочка из коррозионностойкого материала, содержащего элементы, подавляющие искрообразование) - 15%-25%.

Пример 1.

Конструкция композиционного высокопрочного провода диаметром 11,2 мм (площадь поперечного сечения 100 мм ²) состояла из: - наружная оболочка из легированного медного сплава (Cu - 0,2% Zr) при объемной доле 15%. - высокопрочные наноструктурные проволоки из сплава Cu - 18% Nb, расположенные в виде двух слоев спирально закрученных по отношению к центральной проволоке и разделенные слоями высокоэлектропроводной меди или малолегированного сплава на ее основе, причем суммарная объемная доля высокопрочных проволок составляет 75%. Шаг скрутки спирали слоя высокопрочных проволок, прилегающего к наружной оболочке провода равен 10 диаметрам провода. Провод содержит две пары изолированных проводников меньшего диаметра (менее 1/3 от диаметра высокопрочных проволок), одна из которых размещена между наружной оболочкой провода и прилегающим к ней слоем высокопрочных проволок, а другая пара изолированных проволок размещена между слоями высокопрочных проволок.

Пример 2.

Конструкция композиционного высокопрочного провода диаметром 11,2 мм (площадь поперечного сечения 100 мм²) состояла из - Наружная оболочка из легированного медного сплава (Cu - 0,2% Zr) при объемной доле 25%. Высокопрочные наноструктурные проволоки из сплава Cu - 18% Nb, расположенные в виде двух слоев, спирально закрученных по отношению к центральной проволоке и разделенных слоями высокоэлектропроводной меди или малолегированного сплава на ее основе, причем суммарная объемная доля высокопрочных проволок составляет 45%. Шаг скрутки спирали слоя высокопрочных проволок, прилегающего к наружной оболочке провода равен 20 диаметрам провода. Провод содержит две пары изолированных проволок меньшего диаметра (1/3 от диаметра высокопрочных проволок), одна из которых размещена между наружной оболочкой провода и прилегающим к ней слоем высокопрочных проволок, а другая пара изолированных проволок размещена между слоем высокопрочных проволок.

Электропроводность и прочность полученных проводов составила:

для проводника из Примера 1 - предел прочности 1200 МПа, электропроводность - 60% IACS;

для проводника из Примера 2 - предел прочности 850 МПа, электропроводность - 85% IACS;

Достигнутый уровень свойств позволяет получать проводники для контактных сетей скоростного железнодорожного и городского троллейного транспорта.

1. Композитный провод, содержащий ориентированные вдоль продольной оси провода высокоэлектропроводные элементы из электротехнической меди или низколегированного сплава на ее основе, наружную оболочку из сплава на основе меди и наноструктурные элементы, состоящие из высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами, не образующими с медью интерметаллических соединений, и расположенные в ней в виде ленточных волокон, отличающийся тем, что наружная оболочка выполнена из коррозионно-стойкого материала, содержащего элементы, выбранные из группы Hf, Zr, Y, а наноструктурные элементы, состоящие из высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами, не образующими с медью интерметаллических соединений, и расположенные в ней в виде ленточных волокон, выбраны из группы Nb, Mo, Cr, V, Та, Fe и выполнены в виде высокопрочных проволок, одна из которых размещена вдоль продольной оси провода, а остальные размещены вокруг нее в виде по меньшей мере двух спирально закрученных слоев, причем каждая из высокопрочных проволок окружена высокоэлектропроводными элементами из электротехнической меди или низколегированного сплава на ее основе, причем провод содержит две пары спирально размещенных по отношению к продольной оси провода изолированных сигнальных проводников, одна пара которых расположена между наружной оболочкой провода и прилегающим к ней слоем высокопрочных проволок, а другая пара изолированных проводов расположена между слоями высокопрочных проволок.

2. Композитный провод по п.1, отличающийся тем, что наружная оболочка выполнена из коррозионного сплава, содержащего Hf в количестве 0,033-0,1 мас.%, Zr в количестве 0,033-0,1 мас.%, Y в количестве 0,033-0,1 мас.%.

3. Композитный провод по п.1, отличающийся тем, что наноструктурные элементы состоят из сплава меди с металлом, выбранным из группы Nb, Mo, Cr, V, Та, Fe, при его суммарном содержании 15-30 мас.%.

4. Композитный проводник по п.1, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения наружной оболочки составляет 15-25% от площади сечения провода.

5. Композитный провод по п.1, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения спирального закрученного спирального слоя составляет 10-30% от площади сечения провода.

6. Композитный провод по п.1, отличающийся тем, что спирально закрученный слой высокопрочных проволок, прилегающий к наружной оболочке провода, имеет шаг от 10 до 30 диаметров провода.

7. Композитный провод по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде троллейного провода.