Программы, проекты

Разработка экономно легированного медного сплава и технологии производства из него трапецеидальных профилей с наноструктурой для изготовления коллекторных пластин


Резюме проекта, полученные результаты: Загрузить / Загрузить / Загрузить

Номер Соглашения о предоставлении субсидии: 14.575.21.0005

Руководитель: д.ф-м.н., Р.О. Кайбышев

Приоритетное направление: Индустрия наносистем

Критическая технология: Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов

Период выполнения: 17.06.2014 – 31.12.2015

Плановое финансирование проекта:

  • Бюджетные средства 10 млн. руб.,
  • Внебюджетные средства 1,765 млн. руб.

Получатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» (НИУ «БелГУ»)

Индустриальный партнер: Общество с ограниченной ответственностью «Оборудование и Технологии» (ООО «Оборудование и Технологии»)

Ключевые слова: медные сплавы, редкоземельные элементы, механические свойства, электропроводность, интенсивная пластическая деформация, субмикрокристаллическая структура, плотность дислокаций.

Основные результаты:

  • выбрана система легирования сплава на основе меди с применением редкоземельных металлов;
  • исследован фазовый состав разработанного сплава на основе меди с применением редкоземельных элементов;
  • экспериментальные образцы экономно легированного медного сплава с использованием редкоземельных элементов;
  • разработана программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов экономно легированного медного сплава с использованием редкоземельных элементов и экспериментальных образцов трапецеидальных профилей из медного сплава методом интенсивной пластической деформации по определению твердости, временного сопротивления, относительного удлинения и электропроводности.

1 этап:

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от от «17» июня 2014 г. № 14.575.21.0005 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 17 июня по 31 декабря выполнялись следующие работы:

  • проведение аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих научных (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты.
  • проведение патентных исследований.
  • выбор системы легирования нового сплава на основе меди с применением редкоземельных металлов.
  • изготовление экспериментальных образцов экономно легированного медного сплава с использованием редкоземельных элементов.
  • исследование фазового состава разработанного сплава на основе меди с применением редкоземельных элементов.
  • разработка программы и методик исследовательских испытаний экспериментальных образцов экономно легированного медного сплава с использованием редкоземельных элементов и экспериментальных образцов трапецеидальных профилей из медного сплава методом интенсивной пластической деформации по определению твердости, временного сопротивления, относительного удлинения и электропроводности.

При этом были получены следующие результаты:

1) краткое описание основных полученных результатов (основные теоретические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности) с указанием работ, в рамках которых они были получены);

  • аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, который показал, что наиболее перспективным является направление, сочетающее как легирование медных сплавов, то есть разработку новых систем легирования, так и термомеханическую обработку для получения оптимального сочетания механических и физических свойств в медных полуфабрикатах для производства трапецеидальных профилей.
  • выбрана система легирования нового сплава на основе меди с применением редкоземельных металлов. Исходя из анализа существующих на сегодняшний день систем легирования видно, что наиболее перспективной системой легирования, на сегодняшний день, является система Cu – Cr – Zr – Y. Использование выбранной системы легирования позволит не только повысить электропроводность медного сплава за счет выделения частиц второй фазы в процессе предварительной термической обработки, а также позволит существенно повысить прочностные свойства медного сплава в процессе интенсивной пластической деформации без существенного уменьшения электропроводности.
  • исследован фазовый состав разработанного сплава на основе меди с применением редкоземельных элементов. Исследование показало, что в медном сплаве в литом состоянии происходит выделение первичных частиц, средний размер которых составляет от 100 до 250 нм.
  • проведены патентные исследования, которые показали, что разработанный экономно легированный медный сплав и получение трапецеидальных профилей методом равноканального углового прессования являются охраноспособными.
  • разработана методика изготовления экспериментальных образцов экономно легированного медного сплава с использованием редкоземельных элементов. Получены экспериментальные образцы экономно легированного медного сплава с добавлением редкоземельных элементов.
  • разработана программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов экономно легированного медного сплава с использованием редкоземельных элементов и экспериментальных образцов трапецеидальных профилей из медного сплава методом интенсивной пластической деформации по определению твердости, временного сопротивления, относительного удлинения и электропроводности.

2) оценку элементов новизны научных, конструкторских и технологических решений, информацию о полученных на отчетном этапе охраноспособных РИД;

  • разработан новый экономно легированный медный сплав на основе системы Cu – Cr – Zr с добавлением редкоземельных металлов;
  • полученные в ходе выполнения работ результаты на сегодняшний день не имеют аналогов в мире.

3) оценку соответствия полученных результатов техническим требованиям к выполняемому проекту и перспектив продолжения работ по проекту.

  • полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту.
  • работы в рамках выполнения Соглашения о предоставлении субсидии могут быть продолжены с целью разработки технологии производства трапецеидальных профилей для изготовления коллекторных пластин.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

2 этап:

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от «17» июня 2014 г. № 14.575.21.0005 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с 01 января по 30 июня 2015 г. выполнялись следующие работы:

  • проведение исследование комплекса физико-механических свойств, включающий измерение твердости, определение временного сопротивления, относительного удлинения и определение электропроводности разработанного сплава на основе меди.
  • разработка технологии производства профилей трапецеидальной формы для изготовления коллекторных пластин из экономно легированного медного сплава с использованием редкоземельных элементов методом интенсивной пластической деформации.
  • получение экспериментальных образцов трапецеидальных профилей с наноструктурой для изготовления коллекторных пластин из медного сплава методом интенсивной пластической деформации.

При этом были получены следующие результаты:

1) краткое описание основных полученных результатов (основные теоретические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности) с указанием работ, в рамках которых они были получены);

  • исследован комплекс физико-механических свойств, включающий измерение твердости, определение временного сопротивления, относительного удлинения и определение электропроводности разработанного сплава на основе меди. Исследование комплекса физико-механических свойств показало, что все три разработанных медных сплава, с использованием редкоземельных элементов, демонстрируют твердость, превышающую заданное минимальное значение твердости равное 60 HB в ТЗ. Анализ механических свойств, включающих временное сопротивление и относительное удлинение, и электропроводности показал, что все сплавы характеризуются более высокими значениями указанных физико-механических свойств по сравнению со значениями заданными в ТЗ.
  • разработана технология производства профилей трапецеидальной формы для изготовления коллекторных пластин из экономно легированного медного сплава с использованием редкоземельных элементов методом интенсивной пластической деформации. Главным преимуществом разработанной технологии перед существующими в настоящее время аналогами является проведение непрерывного равноканального прессования при температуре близкой к температуре пикового старения, что позволит ускорить выпадение из пересыщенного твердого раствора мелкодисперсных частиц второй фазы, как результат произойдет ускорение кинетики формирования субмикрокристаллической и/или нанокристаллической структуры в процессе интенсивной пластической деформации.
  • получены экспериментальные образцы трапецеидальных профилей с наноструктурой для изготовления коллекторных пластин из медного сплава методом интенсивной пластической деформации.

2) оценку элементов новизны научных, конструкторских и технологических решений, информацию о полученных на отчетном этапе охраноспособных РИД;

  • разработана технология производства профилей трапецеидальной формы для изготовления коллекторных пластин из экономно легированного медного сплава с использованием редкоземельных элементов методом интенсивной пластической деформации;
  • полученные в ходе выполнения работ результаты на сегодняшний день не имеют аналогов в мире.

3) оценку соответствия полученных результатов техническим требованиям к выполняемому проекту и перспектив продолжения работ по проекту.

  • полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

3 этап:

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от «17» июня 2014 г. № 14.575.21.0005 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 3 в период с 01 июля по 31 декабря 2015 г. выполняли следующие работы:

  • Изучено влияние режимов деформационно-термической обработки, включая влияние температуры и времени предварительной обработки, степени пластической деформации при равноканальном угловом прессовании и прокатки/волочении на формирование структуры в процессе деформационно-термической обработки;
  • Проведено исследование комплекса физико-механических свойств, включающего измерение твердости, определение временного сопротивления, относительного удлинения, и определение электропроводности экспериментальных образцов из медного сплава полученных методом интенсивной пластической деформации;
  • Разработаны рекомендации по использованию полученных результатов в реальном секторе экономики;
  • Проведено обобщение и оценка полученных результатов;
  • Проведена технико-экономическая оценка результативности ПНИ;
  • Разработан проект ТЗ на ОТР по теме «Разработка технологии производства трапецеидальных профилей из экономно легированного медного сплава».

При этом были получены следующие результаты:

1) краткое описание основных полученных результатов (основные теоретические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности) с указанием работ, в рамках которых они были получены);

  • изучено влияние режимов деформационно-термической обработки, включая влияние температуры и времени предварительной обработки, степени пластической деформации при равноканальном угловом прессовании и прокатки/волочении на формирование структуры в процессе деформационно-термической обработки. Выбран оптимальный режим термической обработки, включающей обработку на твердый раствор при температуре 920 °С в течение 30 минут и последующее старения при температуре 550 °С в течение 4 часов. Показано, что непрерывное равноканальное угловое прессование приводит к значительному измельчению зерен, и степень пластической деформации в значительной мере определяет размер зерен в медном сплаве БрХ0,3Цр0,06И0,1 с добавлением редкоземельных элементов. В процессе непрерывного равноканального углового прессования при температуре 400 °С до степени деформации 2 происходит формирование субмикрокристаллической и/или нанокристаллической структуры со средним размером зерен/субзерен около 200 нм. Проведение прокатки при комнатной температуре способствует дальнейшему уменьшению размера зерен, т.е. способствует формированию субмикрокристаллической и/или нанокристаллической структуры в медном сплаве БрХ0,3Цр0,06И0,1 с добавлением редкоземельных элементов.
  • проведено исследование комплекса физико-механических свойств, включающего измерение твердости, определение временного сопротивления, относительного удлинения, и определение электропроводности экспериментальных образцов из медного сплава полученных методом интенсивной пластической деформации. Проведение исследования комплекса физико-механических свойств показало, что необходимым комплексом физико-механических свойств обладают образцы медного сплава БрХ0,3Цр0,06И0,1 с добавлением редкоземельных элементов, подвергнутые следующей деформационно-термической обработке: обработка на твердый раствор при температуре 920 °С в течение 30 минут и последующее старения при температуре 550 °С в течение 4 часов, непрерывному равноканальному угловому прессованию при температуре 400 °С до степени деформации 2 и последующей прокатке при комнатной температуре до степени деформации 1. Определенные свойства при этом составляют: твердость по Бринеллю составляет 95,3 НВ, временное сопротивление – 332 МПа, относительное удлинение – 10,9%, электропроводность при этом составляет 86% IACS. Для определения термической стабильности, сформировавшейся структуры в процессе интенсивной пластической деформации, провели последеформационный отжиг при температуре 300 °С в течение 1 часа и провели исследование комплекса физико-механических свойств. Комплекс физико-механических свойств равен – твердость по Бринеллю составляет 92,6 НВ, временное сопротивление – 318 МПа, относительное удлинение – 12,25%, электропроводность при этом составляет 87% IACS. Таким образом, экспериментальные образцы медного сплава БрХ0,3Цр0,06И0,1 с добавлением редкоземельных элементов, полученные методом интенсивной пластической деформации, а также подвергнутые последеформационному отжигу удовлетворяют требованиям пункта 4.1 ТЗ Соглашения о предоставлении субсидии.
  • разработаны рекомендации по использованию полученных результатов в реальном секторе экономики. Основное внимание при разработке рекомендаций по использованию полученных результатов в реальном секторе экономики было уделено тому, что и разработанный медный сплав с добавлением редкоземельных элементов и технология получения трапецеидальных профилей обладают значительными перспективами по применению в любой из отраслей электротехнической промышленности Российской Федерации.
  • проведено обобщение и оценка полученных результатов. Основным выводом, который можно сделать на основании проведения обобщения и оценки полученных результатов при выполнении теоретических и экспериментальных работ по Соглашению о предоставлении субсидии заключается в следующем, полученные результаты обладают новизной, поскольку позволят дополнить существующую, на сегодняшний день, теоретическую базу по изучению закономерностей и механизмов формирования субмикрокристаллической и/или нанокристаллической структуры в металлических материалах в процессе интенсивной пластической деформации. Также, необходимо отметить, что разработанная технология обладает некоторой универсальностью и может быть применена не только для изготовления трапецеидальных профилей, но и для получения полуфабрикатов из медных сплавов, с улучшенным комплексом физико-механических свойств, для применения в электротехнической промышленности.
  • проведена технико-экономическая оценка результативности ПНИ. Проведенная оценка показывает, что полученные результаты в рамках выполнения ПНИ обладают высоким потенциалом по применению не только для производства трапецеидальных профилей для изготовления коллекторных пластин для электротехнической промышленности, но и для применения в других отраслях электротехнической промышленности. Например, для производства контактного провода для железнодорожного транспорта.
  • Разработан проект ТЗ на ОТР по теме «Разработка технологии производства трапецеидальных профилей из экономно легированного медного сплава».

2) оценку элементов новизны научных, конструкторских и технологических решений, информацию о полученных на отчетном этапе охраноспособных РИД;

  • разработан новый экономно легированный медный сплав на основе системы Cu – Cr – Zr с добавлением редкоземельных металлов;
  • разработана технология производства профилей трапецеидальной формы для изготовления коллекторных пластин из экономно легированного медного сплава с использованием редкоземель-ных элементов методом интенсивной пластической деформации;
  • полученные в ходе выполнения работ результаты на сегодняшний день не имеют аналогов в мире.

3) оценку соответствия полученных результатов техническим требованиям к выполняемому проекту и перспектив продолжения работ по проекту.

  • полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.