PL235280B1 - Zastosowanie stopu miedzi - Google Patents

Abstract

Zastosowanie stopu miedzi do wytwarzania elementów urządzeń i osprzętu elektrycznego, zwłaszcza trakcji elektrycznej, zawierającego miedź i cynk przez odlewanie ciągłe i następną obróbkę mechaniczną charakteryzuje się tym, że zawiera od 30 - 39% wagowych cynku, od 0,5 - 3,5% wagowych niklu, od 0,1 - 1,2% wagowych krzemu i od 55,8 - 69,4% wagowych miedzi oraz do 0,5% zanieczyszczeń innymi pierwiastkami. Sposób wytwarzania elementów urządzeń i osprzętu elektrycznego, zwłaszcza trakcji elektrycznej, ze stopu na bazie mosiądzu (CuZn) charakteryzuje się tym, że proces topienia i krystalizacji/odlewania prowadzony jest w temperaturze od 950° do 1400°C, po czym elementy w postaci wlewków lub prętów są poddawane procesom obróbki cieplnej, procesom obróbki ubytkowej i/lub przeróbki plastycznej. W zakresie procesu obróbki cieplnej wytworzone wlewki lub pręty poddaje się procesom przesycania i starzenia z wydzieleniem fazy umacniającej Ni - Si.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zastosowanie stopu miedzi do wytwarzania elementów urządzeń i osprzętu elektrycznego, zwłaszcza trakcji elektrycznej.

Tramwajowa i kolejowa górna sieć trakcyjna składa się z urządzeń, osprzętu oraz przewodów, których zadaniem jest zapewnienie ciągłego i niezakłóconego przepływu energii elektrycznej. Osprzęt górnej sieci trakcyjnej powinien zapewnić zarówno stabilność mechaniczną konstrukcji, przenoszącą obciążenia mechaniczne, jak również przepływ prądu elektrycznego z szyny zasilającej do przewodu jezdnego, gdzie następnie jest on odbierany w wyniku kontaktu ślizgowego nakładki stykowej odbieraka i przekazywany do silnika pojazdu.

W elementach tych występują zarówno obciążenia mechaniczne jak i obciążenia termiczne, które determinują bezpieczeństwo użytkowania oraz wielkość strat prądowych. Obciążenia te wynikają z natężenia przepływającego prądu, warunków montażu elementów, siły naciągu sieci czy też czynników otoczenia takich jak wiatr, nasłonecznienie, deszcz, zanieczyszczenie środowiska itp.

Obecnie na elementy górnej sieci trakcyjnej wykorzystuje się różne stopy na bazie miedzi np. mosiądze; CuZn40Pb2, CuZn39Pb2, CuZn35A11 czy CuZn16Si4, a także brązy: CuA110Fe5Ni5, CuA119Fe3, CuA110Ni, CuSi3Zn3Mn, CuA110Fe3Mn2 i CuSn10P.

Dotychczas stosowane rozwiązania materiałowe cechują się jednak dość niską przewodnością elektryczną, generując tym samym znaczne straty prądowe przesyłanej energii elektrycznej. Ponadto elementy osprzętu wytwarzane są metodą odlewania, co często prowadzi do porowatości i niejednorodności uzyskanej struktury, a także niskiej estetyki wyrobów. Istotnym ograniczeniem znanych rozwiązań jest fakt, że nie obejmują one otrzymywania wyrobów na bazie złomów, co niesie ze sobą znaczne ograniczenie kosztów produkcji jak również korzyści środowiskowe.

Celem wynalazku jest nowe zastosowanie w zasadzie znanego stopu miedzi do wytwarzania elementów urządzeń i osprzętu elektrycznego, dzięki czemu możliwe jest osiągnięcie znacząco wyższych własności mechanicznych tych elementów, a zatem zmniejszenie ich wymiarów i masy oraz uzyskanie dużo wyższej niż dotychczasowa przewodności elektrycznej tychże elementów. Mniejsza masa osprzętu ma korzystny wpływ na parametry sieci trakcyjnej, w tym mniejsze zróżnicowania jej elastyczności, natomiast zwiększona przewodność elektryczna pozwala na dostarczenie do pojazdu szynowego znacznie wyższych prądów trakcyjnych z jednoczesnym obniżeniem temperatury pracy elementów sieci, co zmniejsza ryzyko degradacji własności materiałowych na skutek zbyt dużych różnic temperatury.

Przedmiotem rozwiązania jest zastosowanie stopu miedzi zawierającego w % wagowych: 30-39% cynku, 0,5-3,5% niklu, 0,1-1,2% krzemu, 55,8-69,4% miedzi oraz maks. 0,5% wagowych zanieczyszczeń innymi pierwiastkami do wytwarzania, poprzez odlewanie ciągłe z następującą po nim obróbką mechaniczną, elementów urządzeń i osprzętu elektrycznego, zwłaszcza trakcji elektrycznej.

Jednoczesna obecność w stopie niklu i krzemu pozwała na uzyskanie materiału, którego własności kształtować można na drodze obróbki cieplnej wyrobów. Zapewnienie odpowiednich warunków temperaturowych powoduje dążenie układu do równowagi termodynamicznej, a zatem powoduje reakcję atomów niklu oraz krzemu tworzących odrębną fazę 5-Ni2Si. Nagrzanie stopu do temperatury powyżej granicznej linii rozpuszczalności prowadzi do rozpuszczenia wybranych dodatków stopowych w miedzianej osnowie, natomiast gwałtowne ochłodzenie takiego materiału powoduje zatrzymanie tych rozpuszczonych dodatków w osnowie. Brak równowagi układu prowadzi do ich wydzielenia w postaci dyspersji cząstek fazy δ, które powodują umocnienie materiału oraz wzrost przewodności elektrycznej. Nikiel obniża podatność stopu na korozję naprężeniową, zwiększając przy tym własności wytrzymałościowe, plastyczne oraz odporność termiczną, natomiast krzem poprawia własności odlewnicze stopu, zwiększając lejność oraz zmniejszając skurcz odlewniczy.

P r z y k ł a d

Stopów o składach jakościowo-ilościowych:

CUZn30Ni0,5Si0,1, CuZn30Ni2Si1 oraz CuZn39Ni3Si1,2 użyto do wytworzenia odkuwek z otworami montażowymi. Po procesie odlewania ciągłego przeprowadzono operację kucia matrycowego odlewów z zabiegiem przesycania w wodzie na wybiegu prasy, następnie odkuwki poddano obróbce ubytkowej poprzez okrawanie, usunięcie wypływki i wykonanie otworów, po czym przeprowadzono obróbkę cieplną w postaci starzenia, i tak otrzymane wyroby poddano badaniom twardości oraz przewodności elektrycznej metodą prądów wirowych w temperaturze pokojowej. Zastosowanie

PL 235 280 B1 przedmiotowych stopów pozwoliło uzyskać wyroby o twardości minimalnej 50HV10 oraz przewodności elektrycznej minimalnej 9 Ms/m.

Dodatkowo przeprowadzono badanie podatności na korozję naprężeniową, z wykorzystaniem próby amoniakalnej wg normy PN-EN 14977:2007, na stopie CuZn37Ni2Si1 i stopie CuZn37 (mosiądz M63) w stanie po umocnieniu odkształceniowym, które to badanie wykazało (p. rysunek), że dodatek niklu oraz krzemu do stopu CuZn37 zmniejsza jego podatność na korozję naprężeniową.

Claims (1)

1. Zastosowanie stopu miedzi zawierającego w % wagowych: 30-39% cynku, 0,5-3,5% niklu, 0,1-1,2% krzemu, 55,8-69,4% miedzi oraz maks. 0,5% zanieczyszczeń innymi pierwiastkami do wytwarzania, poprzez odlewanie ciągłe z następującą po nim obróbką mechaniczną, elementów urządzeń i osprzętu elektrycznego, zwłaszcza trakcji elektrycznej.