Коллекторная полоса из сплава меди с серебром

Полезная модель относится к металлургии, конкретно - к электротехническим профилям из медносеребряного сплава МСО,1 трапециевидного поперечного сечения, применяемым для изготовления коллекторов электрических машин ответственного назначения. Задачей предлагаемого технического решения является повышение потребительских свойств продукции, а именно повышение электропроводности коллекторной полосы. Поставленная задача решается тем, что материал коллекторной полосы имеет параметр удельного электросопротивления не выше 0,01748 Ом мм²/м, а также высокостабильные механические свойства. Строгое соблюдение технологических режимов плавки и разливки и применение специальных шихтовых материалов приближают состав сплава по содержанию примесей к оптимальному с точки зрения сочетания механических и электротехнических характеристик. Достигнутый уровень эксплуатационных свойств в полной мере отвечает требованиям нормативных документов, что позволяет сократить производственные издержки у изготовителя при соответствующем заявленному уровню повышении электротехнических характеристик коллекторных полос.

Заявляемая полезная модель относится к металлургии, конкретно - к электротехническим профилям трапециевидного поперечного сечения из медносеребряного сплава МСО, 1, применяемым для изготовления коллекторов электрических машин ответственного назначения.

Известны полосовые полуфабрикаты электротехнического назначения, выполняемые из меди и медных сплавов, в частности коллекторные полосы и шины прямоугольного сечения [1]. Легирование меди серебром даже в небольших количествах (не более 0,25% по массе) приводит к значительному по сравнению с чистой медью повышению эксплуатационных характеристик изделий, изготовленных из этих сплавов [2, 3]. Они обладают высокой электропроводностью, высоким порогом рекристаллизации, хорошей длительной прочностью. Дополнительным достоинством является то, что небольшие (до 0,12%) добавки серебра к меди резко повышают температуру размягчения нагартованных полуфабрикатов и уменьшают их ползучесть при повышенных температурах.

Из уровня техники известно, что одними из наиболее ответственных изделий являются полосы с трапецеидальной формой поперечного сечения, применяемые в конструкциях коллекторов электрических машин [4] и выполняемые из сплава меди с серебром марки МС 0,1; эти полосы приняты в качестве прототипа. Для профилей по прототипу характерен весьма высокий базовый уровень их прочностных характеристик, в частности твердости по Бринеллю, составляющий не менее 95 НВ [4, табл.4]. Следует отметить, что использование в качестве материала коллекторных полос широко применяемой в России кадмиевой бронзы БрКд1, при достаточно высоком уровне ее механических и удовлетворительном - электротехнических характеристик, является нежелательным вследствие возникающих проблем экологического характера.

Высокий уровень твердости коллекторных полос обусловлен тяжелыми условиями эксплуатации определенных типов электрических машин. Широко известно, что как в процессе работы, так и особенно при сборке (формовке) коллектора - важнейшего узла электрической машины - он подвергается значительным механическим нагрузкам и многократным циклам нагрева-охлаждения [5, с.88; 6, с.55-56], а именно:

- при запрессовке в специальном приспособлении коллекторных и миканитовых (изоляционных) пластин коллектор дважды нагревают до температуры 180-200°С;

- после механической обработки коллектора в сборе его снова дважды нагревают до температуры 150-160°С и вновь подпрессовывают;

- далее коллектор дважды подвергают разгону при испытательной скорости вращения (n=1,25 n_mах) с одновременным нагревом до 130-150°С;

- в случае использования якорей с кремнийорганической изоляцией применяемая в процессе формовки температура составляет 180-200°С;

- наконец, при пайке в ванне с расплавом припоя, правда, в течение относительно короткого промежутка времени выступающие части коллектора (петушки) сильно разогреваются.

Однако, при достаточно высоком общем уровне электропроводности (удельное электросопротивление холоднотянутых полос из сплава МС 0,1 0,01850 Ом мм²/м), в ряде случаев, в частности при тяжелых условиях нагружения электрической машины указанный уровень электропроводности становится явно недостаточным, поэтому потребители предъявляют дополнительные требования к существенному снижению электросопротивления коллекторных полос. Например, такие требования предъявляет предприятие ОАО "Силовые машины", г. Санкт-Петербург, выпускающее электрические машины, работающие, в ряде случаев, в исключительно тяжелых условиях.

Таким образом, коллекторные полосы из сплава МС 0,1 должны удовлетворять двум противоречивым требованиям: с одной стороны, обладать высокими прочностными свойствами (пределом прочности и твердостью по Бринеллю, в том числе при температурах до 300°С), обеспечиваемыми, наряду с другими факторами, повышением количественных показателей содержания примесей в сплаве, а с другой стороны - повышенной элетропроводностью, достигаемой снижением их процентного содержания. В частности, согласно действующим ТУ [4] холоднодеформированные коллекторные профили, испытанные при комнатной температуре, должны иметь предел прочности при разрыве _в не менее 294 МПа, твердость по Бринеллю - не менее 95 НВ, относительное удлинение - не менее 5%; после нагревания профилей до температуры 300°С, выдержки в течение 1 часа и последующего охлаждения до температуры окружающей среды _в, НВ, должны быть не менее 274 МПа, 90 НВ и 7% соответственно. При этом электропроводность должна оставаться на ранее достигнутом уровне, т.е. удельное электросопротивление должно быть не более 0,01850 Ом мм² /м [10].

В таблице приведены химические составы: меди марки М0к согласно ГОСТ 859-2001 [8]; сплава МС 0,1, отвечающий требованиям ТУ 48-21-137-76 [7] (эти ТУ в настоящее время отменены, но на них, тем не менее, приведены ссылки в действующих ТУ 16-501.033-87 [4]); а также химический состав сплава МС 0,1 согласно германскому стандарту DIN17666 [9]. Из анализа табличных данных следует вывод о весьма жестких требованиях по общей сумме примесей, предъявляемых как российскими ТУ, так и стандартом DIN (не более 0,05% по массе).

С учетом перечисленных особенностей формовки и эксплуатации коллектора, а также для достижения стабильно высоких параметров электрических машин, зависящих от состояния материала коллекторных пластин, складывается тенденция к более полному использованию физико-механических свойств сплава при ограничении общей суммы примесей в сплаве, из которого они изготовлены.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение потребительских свойств продукции, а именно повышение электропроводности коллекторной полосы. Поставленная задача решается тем, что материал коллекторной полосы имеет параметр удельного сопротивления не выше 0,01748 Ом мм²/м при соблюдении стабильно высоких механических свойств продукции.

При изготовлении коллекторных полос, предназначенных для коллекторов электрических машин ответственного назначения, из сплава МС 0,1 с использованием в качестве основы сплава катодной меди марки М0к по ГОСТ 859-2001 и специальных шихтовых материалов реализуется как стабилизация прочностных и пластических свойств изделий, так и повышение их электропроводности, т.е. решается задача повышения потребительских свойств продукции. В частности, повышение процентного содержания одних примесных элементов и снижение содержания других при соблюдении их общей суммы не более 0,05% по массе приводят к толерантной компенсации их влияния на свойства сплава и приближению его состава к оптимальному - с точки зрения сочетания механических и электрических характеристик.

Дополнительно, повышение уровня электропроводности материала коллекторных полос достигается соблюдением строго установленного технологического регламента плавки и разливки, осуществленного в производственных условиях и приведенного ниже - в примере конкретной реализации предлагаемого технического решения. В отличие от известной технологии (реализованной, в частности, на Балхашском заводе ОЦМ, Казахстан), предусматривающей при получении сплава МС 0,1 высокой чистоты применение специализированного плавильно-литейного агрегата с использованием в качестве защитной среды генераторного газа, согласно заявляемому техническому решению получение сплава МС 0,1 повышенной электропроводности осуществлено на типовой печи ИЛК 1,6.

Конкретные оптимальные значения пределов процентного содержания примесных элементов были установлены практическим путем в производственных условиях при выпуске опытно-промышленных партий коллекторных профилей из сплава МС 0,1. Анализ влияния примесей на свойства сплава и на некоторые особенности технологии производства изделий из него, проведенный на основании лабораторных исследований, а также по библиографической информации [2, 3], показывает, что наиболее существенно пластические и прочностные свойства, в том числе в области повышенных до 300°С температур, возрастают при введении в медносеребряные сплавы никеля, алюминия и марганца. Поскольку алюминий и марганец в значимых для практики количествах в катодной меди марки М0к, используемой в качестве основы для приготовления сплава МС 0,1, не присутствуют, то основным элементом, наиболее существенно повышающим эксплуатационные характеристики изделий, следует признать никель, поэтому его содержание в сплаве по сравнению с катодной медью существенно повысили (таблица).

Некоторое увеличение содержания железа, как показала практика, не снижает электропроводность, но в комплексе с другими примесями повышает прочностные свойства полуфабрикатов. Значительное (более чем в 4 раза по сравнению с медью М0к) снижение содержания кислорода и ограничение содержания фосфора стабильно достигаются следующим технологическим приемом: вместо широко принятого на практике раскисления расплава фосфористой медью (приводящего обычно к повышенному содержанию фосфора в сплаве) раскисление провели за счет применения индукционной печи малой емкости с активным перемешиванием расплава, а также за счет использования прокаленного древесного угля в качестве покровного флюса в печи. Таким образом, получили целесообразно сбалансированное соотношение примесных элементов, в частности кислорода и фосфора в слитке. Что касается необходимости снижения содержания таких вредных (с позиции ухудшения пластических свойств) элементов как висмут, свинец и сера [3], то это направление оптимизации состава сплава также продиктовано вышеупомянутыми практическими соображениями, направленными на решение поставленной задачи.

В качестве примера конкретной реализации в заводских условиях предлагаемого технического решения ниже кратко изложен технологический цикл производства коллекторных трапециевидных профилей из сплава МС 0,1 двух типоразмеров: 2,05×3,70×92 мм и 2,11×4,34×102 мм.

При выплавке слитков сплава заданного химсостава, проводимой в индукционной печи ИЛК1,6, использовали катодную медь марки М0к и лигатуру медь-серебро. Литье слитков диаметром 190 мм проводили полунепрерывным методом при регламентированных температуре и скорости литья. Далее слитки резали на заготовки длиной 290 мм с обрезкой литниковой и донной частей и с отбором темплетов для контроля химсостава и изготовления макрошлифов. Химсостав сплава полностью соответствовал оптимальному содержанию примесных элементов при общей их сумме, не превышающей 0,05% по массе. После нагрева порезанных слитков на заготовки размерами 190×290 мм их прессовали на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 20 МН на заготовки трапециевидного сечения для последующего волочения. Волочение прессованных заготовок на коллекторные полосы двух указанных выше чистовых размеров проводили на цепном волочильном стане усилием 300 кН с регламентированной степенью деформации и промежуточными отжигами между проходами волочения.

Механические и электротехнические свойства полос в состоянии поставки полностью отвечали требованиям потребителя и нормативам ТУ, а именно: _в=327-334 МПа; ₅⁼8,3%, ₁₀=4,5%; твердость по Бринеллю 95,5-98 НВ; =0,01742 Ом мм²/м. Отсюда следует вывод, что указанная в формуле заявляемого технического решения цель - повышение потребительских свойств продукции - достигнута. Химический состав сплава оптимален и в полной мере отвечает требованиям нормативных документов, что позволяет сократить производственные издержки у изготовителя при соответствующем заявленному уровню повышении электротехнических характеристик коллекторных полос.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Электротехнические материалы. Справочник/В.В.Березин, Н.С.Прохоров, Г.А.Рыков и др. М.: Энергоатомиздат, 1983. 504 с.

2. Пресняков А.А., Червякова В.В. Сложные латуни и бронзы. Алма-Ата: Наука, 1974. 262 с.

3. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Металлургия, 1974. 488 с.

4. ТУ 16-501.033-87. Профили трапецеидальной формы для пластин коллекторов электротехнических машин. ОКП 184480.УДК 669.14-423. Группа В 52.

5. Иоффе А.Б. Тяговые электрические машины. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1957.247с.

6. Краново-металлургические электродвигатели/Н.М.Баталов, В.А.Белый, А.Б.Иоффе и др. Изд.2-е. М.: Энергия, 1967. 240 с.

7. ТУ 48-21-137-76. Слитки медные, легированные серебром. 1988. ОКП 173 3220500. Группа В 51.

8. ГОСТ 859-2001. Медь. Марки. М.: Изд-во стандартов. 6 с. УДК 669.3:006.354. Группа В 51.

9. Niedriglegierte Kupfer-Knetlegierungen. DIN 17666. DK 669.35.018.26-4. Dezember, 1983

Nichteisenmetalle 1. DIN Taschenbuch 26. DIN Deutsches Institut für Normung e.V, 1984. S.222-226. DEUTSCH VERLAG GMBH. BERLIN. KÖLN.

10. ТУ 48-21-188-80. Полосы прямоугольные из сплава меди с серебром. ОКП 184420. Группа В 53.

Коллекторная полоса трапециевидного поперечного сечения, выполненная из электротехнического сплава меди с серебром марки МС 0,1 с суммарным содержанием примесей в сплаве не более 0,05% по массе и с уровнем удельного электросопротивления =0,01850 Ом мм²/м, отличающаяся тем, что материал полосы имеет параметр удельного электросопротивления не выше 0,01748 Ом мм²/м.