Wpływ obróbki cieplnej na mikrostrukturę oraz własności drutów ze stopu CuAg5 przeznaczonych na cele elektroenergetyczne

Transkrypt

1 Logistyka 4/ Logistyka - nauka Eliza Sieja-Smaga 1, Artur Kawecki 2, Tadeusz Knych 3, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza Wpływ obróbki cieplnej na mikrostrukturę oraz własności drutów ze stopu CuAg5 przeznaczonych na cele elektroenergetyczne Wprowadzenie Powszechne jest w wielu dziedzinach życia zjawisko dążenia do zmniejszenia stratności przesyłu energii elektrycznej, miniaturyzacji urządzeń, do zmniejszania ich masy, zwłaszcza w branży energetycznej, motoryzacyjnej, medycznej, gospodarstwa domowego. To staje się inspiracją do badań nad nowymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi, materiałowymi, technologicznymi oraz logistycznymi w celu obniżenia kosztów produkcji przy jednoczesnym zapewnieniu wysokich standardów wykonania, wymogów bezpieczeństwa eksploatacji i zwiększenia efektywności wykorzystania energii elektrycznej. W pracy przedstawiono wyniki badań prowadzonych nad stopem CuAg5, który dzięki wysoko zaawansowanej technologicznie obróbce cieplno-mechanicznej, umożliwia osiągnięcie przez wyroby zespołu wysokich własności mechanicznych i elektrycznych. Stop CuAg5 może być wykorzystany do produkcji specjalistycznych drutów, wiązek i przewodów stosowanych w elektroenergetyce w liniach przesyłowych i zasilających, motoryzacji w systemach ABS, magistralach CAN, w układach zasilających i sygnałowych kolei dużej prędkości oraz w urządzeniach branży medycznej (urządzenia do rezonansu magnetycznego, tomografii komputerowej, itp.) [1 4]. Wysokie wymagania stawiane materiałom z przeznaczeniem dla każdej z wymienionych dziedzin przewidują konieczność kształtowania wysokich własności zarówno wytrzymałościowych, jak i elektrycznych, wysokiej odporności cieplnej, reologicznej, zmęczeniowej przy jednoczesnej niskiej masie jednostkowej biorąc pod uwagę zastosowanie drutów na wyroby z obszaru elektroenergetyki. Łącząc tak wiele elementów decydujących o zastosowaniu konkretnego materiału dla dedykowanej aplikacji, ich jakość musi zatem współgrać z zapewnieniem najwyższej jakości całej technologii produkcji. Dla przykładu, materiał, z których wykonane są wiązki przewodowe na potrzeby motoryzacji, powinien posiadać wysokie parametry mechaniczno-elektryczne ze względu na: konieczność zapewnienia prawidłowego funkcjonowania systemów kontroli trakcji, systemów ochrony zdrowia i życia pasażerów, możliwość cyklicznej pracy wymagana odporność na obciążenie zmęczeniowe, ze względu na możliwe ciężkie warunki pracy odporność na drgania, minimalizację zużycia energii, zmniejszenie masy wiązki, obniżenie kosztów produkcji oraz ceny produktu. W odwołaniu do badań literaturowych, zarówno publikacji jak i opisów patentowych, prowadzonych na drutach wykonanych ze stopów Cu-Ag (przy zawartości srebra z przedziału 5 24%) wynika, iż autorzy poddają analizie trzy główne parametry tych materiałów, a mianowicie przewodność elektryczną (zazwyczaj wyrażaną w skali IACS) oraz dwa parametry reprezentujące własności mechaniczne: wytrzymałość na rozciąganie oraz twardość (skala Vickersa lub Brinella). Dla przykładu, jeszcze dekadę temu branża wiązek i przewodów o specjalistycznym zastosowaniu stawiała wymagania materiałowe odnosząc się do własności wytrzymałościowych i elektrycznych, to jest, min. 800 MPa oraz min. 60 %IACS. Jednakże obserwuje się nieustanne dążenie do podnoszenia własności materiałów, gwarantując tym samym wyższe standardy pracy całych podzespołów, obniżenie kosztów produkcji, przesyłu energii 1 1 E. Sieja-Smaga 2 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie, Wydział Metali Nieżelaznych. E: esmaga@agh.edu.pl 3 2 A. Kawecki AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie, Wydział Metali Nieżelaznych. 3 T. Knych AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie, Wydział Metali Nieżelaznych.

2 elektrycznej materiału, co sprzyja ograniczeniu emisyjności CO 2 do atmosfery oraz poprawy ochrony środowiska. Program badań Stop o kompozycji chemicznej Cu-5%wag.Ag w postaci prętów został otrzymany w laboratoryjnej instalacji do ciągłego topienia i odlewania zlokalizowanej na Wydziale Metali Nieżelaznych AGH [5]. Stanowisko składa się z pieca indukcyjnego, generatora, elektronicznego układu sterowania procesem nagrzewania i odlewania oraz układu wyciągającego odlewane pręty. Temperatura ciekłego metalu w tyglu topielnym osiągała C, a proces topienia i odlewania prowadzono przy zastosowaniu atmosfery ochronnej, którą stanowił azot. W celu maksymalnego odtlenienia stopu zastosowano zasypkę grafitową do pokrycia ciekłego metalu. Tygle oraz krystalizatory wykorzystane do odlewów wykonane były z grafitu wysokiej czystości. Stopy zostały odlane w postaci prętów o średnicy 9,5 mm z prędkością 10 mm/s. Rys. 1. Laboratoryjna instalacja do ciągłego topienia i odlewania stopów metali nieżelaznych, WMN AGH. Materiał, w postaci prętów, uzyskany w linii CTiO (rysunek 1) został przeciągnięty na druty o sumarycznym odkształceniu rzeczywistym 9. Podczas ciągnienia, realizowanego na laboratoryjnej ciągarce ławowej, rejestrowane były parametry siłowe procesu. Stop CuAg5 poddano różnym sekwencjom obróbki cieplno-mechanicznej, na odrębnych etapach przetwarzania odlewu na druty (wstępna obróbka cieplna przed ciągnieniem, międzyoperacyjna obróbka cieplna, finalna obróbka cieplna wyrobu). Przeprowadzone zostały badania wpływu obróbki cieplno-mechanicznej stopu oraz wielkości odkształcenia na zmianę parametrów siłowych procesu ciągnienia, a także własności wytrzymałościowych i przewodności elektrycznej drutów. Badania przewodności wykonywane były na wysokiej klasy mostku do pomiaru rezystancji drutów Burster RESISTOMAT model 2304, natomiast badania wytrzymałości przy wykorzystaniu maszyny wytrzymałościowej firmy Zwick Z020 o dopuszczalnym obciążeniu 20kN. Rys. 2. Laboratoryjne stanowisko ciągarki ławowej do realizacji procesu ciągnienia wraz z oprzyrządowaniem pomiarowym. Źródło: [6]. Na każdym etapie obróbki cieplno-mechanicznej stopu CuAg5 obserwowana była ewolucja mikrostruktury z wykorzystaniem elektronowego mikroskopu skaningowego oraz elektronowego mikroskopu transmisyjnego. 510 Logistyka 4/2013

3 Wyniki badań i ich analiza Pręty o średnicy 9,5mm we wstępnej fazie badań, poddane zostały badaniu własności fizykochemicznych (tablica 1), tj. gęstości, twardości, wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności oraz przewodności elektrycznej. Tablica 1. Własności wyjściowe odlewu. Materiał, g/cm 3 Twardość, HB R m, MPa R 0,2, MPa, MS/m %IACS CuAg5 8, ,5 51,2 87,2 88,3 Dodatkowym elementem badań były obserwacje mikrostruktur odlewniczych przy wykorzystaniu elektronowego mikroskopu skaningowego Hitachi SU70. Analiza uzyskanych mikrostruktur, pokazanych na rysunku 3, przedstawia białe obszary wzbogacone w srebro na tle osnowy (ciemny kolor), którą stanowi niemal czysta miedź (w osnowie miedzi znajduje się nie wydzielona niewielka ilość srebra). Rys. 3. Mikrostruktury stopu CuAg5 w stanie po odlaniu. Poprzez umiejętne wykorzystanie właściwości układu fazowego z przemianą eutektyczną, o obustronnej ograniczonej rozpuszczalności składników stopowych w stanie stałym, możliwe jest poprzez odpowiednio dobraną sekwencję obróbki cieplnej oraz przeróbki plastycznej na zimno, wpływanie na mikrostrukturę oraz kształtowanie zespołu wysokich własności mechanicznych i elektrycznych. Miedź i srebro należące do grupy miedziowców, posiadające sieć krystaliczną o strukturze A1, o zbliżonych parametrach sieci, promieni atomowych, są metalami o najwyższej przewodności elektrycznej i stosunkowo wysokiej plastyczności Stop CuAg5, położony w układzie równowagi podwójnej miedź-srebro z eutektyką w temperaturze 779,1 C, znajduje się w zakresie linii solvus- linii granicznej rozpuszczalności. Kształtowanie własności wytrzymałościowych i elektrycznych będzie możliwe poprzez wykorzystanie mechanizmów utwardzania wydzieleniowego (przesycanie oraz starzenie) oraz umocnienia odkształceniowego na drodze przeróbki plastycznej. W wyniku wcześniej przeprowadzonych analiz, schematy technologii łączących obróbkę cieplną z przeróbką plastyczną prętów i drutów aż do otrzymania końcowego wyrobu, prezentują ścisłą korelację odpowiednio dobranego czasu poszczególnych obróbek oraz ich sekwencyjności. Kolejność poszczególnych operacji dla każdego z wariantów wynika z opcji kształtowania struktury, przy której osiągnięty zostaje najkorzystniejszy zespół własności wytrzymałościowych i elektrycznych. Program badań każdego z trzech przedstawionych odrębnych wariantów obróbki cieplno-mechanicznej przewidywał przeprowadzenie procesu przesycania oraz starzenia w dwóch etapach: starzenia pierwotnego oraz wtórnego. Każdy z wariantów zakończony został przeróbką plastyczną na drodze ciągnienia z maksymalnym odkształceniem rzeczywistym na poziomie 9. Niewielkie odkształcenie poprzedziło również proces przesycania oraz starzenia pierwotnego wykorzystanego w ramach wariantów 2 i 3 (rysunek 5, 6). Logistyka 4/

4 Temperatura obróbki [ C] Temperatura obróbki [ C] Temperatura obróbki [ C] Logistyka - nauka Odlew Przesycanie Starzenie I Starzenie II Ciągnienie Rys. 4. Schemat obróbki cieplno-mechanicznej stopu CuAg5 wariant 1. Źródło: opracowanie własne [7]. Czas [h] Odlew Ciągnienie Przesycanie Starzenie I Starzenie II Ciągnienie Czas [h] Rys. 5. Schemat obróbki cieplno-mechanicznej stopu CuAg5 wariant 2. Odlew Przesycanie Ciągnienie Starzenie I Starzenie II Ciągnienie Rys. 6. Schemat obróbki cieplno-mechanicznej stopu CuAg5 wariant 3. Czas [h] Każdy z przedstawionych wariantów miał za zadanie nadać odrębną historię obróbki cieplnomechanicznej, wpływającej na zmianę mikrostruktury oraz badanych własności. Pierwszy z nich (rysunek 4) przewidywał obróbkę cieplną samego odlewu zakończoną procesem ciągnienia do maksymalnego stopnia odkształcenia. Kolejny (rysunek 5) przewidywał kształtowanie odlewu przed zasadniczymi procesami obróbki cieplnej w procesie ciągnienia z niewielkim odkształceniem na poziomie 0,2 0,6 w skali logarytmicznej. Trzeci spośród przedstawionych wariantów (rysunek 6) przewidywał odkształcenie przesyconego uprzednio odlewu również do poziomu 0,2 0,6 odkształcenia rzeczywistego, a następnie jego dalszą obróbkę w procesie starzenia oraz umocnienia na drodze przeróbki plastycznej. Zamieszczone różne schematy obróbki cieplno-mechanicznej pozwoliły wytypować wariant o możliwie najkrótszym czasie każdej z operacji, przyczyniający się w efekcie do osiągnięcia zespołu najwyższych własności wytrzymałościowych i elektrycznych. 512 Logistyka 4/2013

5 Tablica 2. Własności drutów po obróbce cieplnej i maksymalnym stopniu odkształcenia. Stop Wariant rz R m, MPa, MS/m %IACS ,7 65 CuAg , ,9 74 Wyniki badań własności drutów po każdym wariancie obróbki cieplno-mechanicznej (tablica 2) wskazują na istotny wpływ chronologii poszczególnych sekwencji na uzyskane finalne własności wytrzymałościowe i elektryczne. Wariant 1, przewidujący jedynie obróbkę cieplną z wyróżnieniem dwustopniowego starzenia odlewu zakończoną procesem ciągnienia do maksymalnego odkształcenia logarytmicznego 9, pozwolił osiągnąć najwyższy spośród uzyskanych zespół własności. Rys. 7. Mikrostruktury stopu CuAg5 po procesie przesycania, starzenia pierwotnego oraz starzenia wtórnego odlewu, a) po przesyceniu w temperaturze 650 C b) po przesyceniu w temperaturze 750 C. Źródło: [8]. Logistyka 4/

6 Wytrzymałość na rozciąganie przekroczyła wartość 1500 MPa, przy przewodności elektrycznej na równie wysokim poziomie 65 %IACS. Dwa kolejne warianty pozwoliły utrzymać wartość przewodności elektrycznej w zakresie %IACS przy wytrzymałości na rozciąganie 1380 MPa dla 66%IACS oraz 1220 MPa dla 74%IACS. Wytypowany wariant, który ze względu na czas trwania poszczególnych operacji (wariant 1, o najmniejszej ilości sekwencji) osiągnął najbardziej pożądany zespół własności, poddany został dodatkowej weryfikacji. Analizą objęta została temperatura pierwszego z trzech etapów obróbki cieplnej, to jest procesu przesycania. Jak widać na załączonych mikrostrukturach (rysunek 7) posiada ona znaczny wpływ na zmianę intensywności mechanizmu utwardzania wydzieleniowego. Przedstawione rysunki prezentują następstwa kształtowania mikrostruktury materiału, w którym proces przesycania przeprowadzony został w temperaturze tuż poniżej linii solvus, tzn C (rysunek 7a) oraz w temperaturze niewiele niższej od temperatury eutektycznej, tj C (rysunek 7b). Podniesienie temperatury przesycania umożliwiło zwiększenie efektywności procesu, wprowadzając drugi składnik do roztworu (rysunek 7b). Przesycony roztwór stały poddany został starzeniu pierwotnemu, dzięki któremu zainicjowane zostało wydzielanie bardzo licznych i drobnych wydzieleń srebra z osnowy miedzi. Podczas starzenia wtórnego nastąpił zdecydowany rozrost pierwotnych oraz pojawienie się nowych wydzieleń. Średnia wielkość wydzieleń zawierała się w przedziale nm. Tak ukształtowana mikrostruktura materiału po obróbce cieplnej stanowi doskonały materiał wyjściowy do procesu ciągnienia, w którym to liczne, drobne wydzielenia srebra, zostały poddane silnemu wydłużeniu z całkowitym współczynnikiem wydłużenia równym Wydzielenia wytworzone po etapie obróbki cieplnej, przyjmują postać silnie wydłużonych włókien o średnicy kilku nm (rysunek 8), bardzo silnie umacniających stop, tworząc jednocześnie wynikowo sieć równoległych połączeń elektrycznych o stosunkowo wysokiej przewodności elektrycznej i wytrzymałości na rozciąganie. Jak wynika z uzyskanych danych doświadczalnych, podwyższenie temperatury przesycania o 100 C (z 650 na 750), powoduje diametralny wzrost zespołu własności wytrzymałościowych przy stosunkowo wysokiej przewodności elektrycznej. Rys. 8. Mikrostruktura na przekroju wzdłużnym drutów ze stopu CuAg15 po odkształceniu rzeczywistym 9. Wnioski Przedstawione w artykule wyniki stanowią element składowy badań nad opracowaniem nowej zintegrowanej technologii obejmującej proces ciągłego topienia i odlewania prętów oraz proces ciągnienia ich na druty przy wykorzystaniu wstępnej, międzyoperacyjnej oraz finalnej obróbki cieplnej w celu podwyższenia własności wytrzymałościowych i elektrycznych wyrobu. Uzyskane wyniki badań są użyteczne w projektowaniu, optymalizowaniu i obniżaniu kosztów przemysłowej technologii produkcji drutów, wiązek i przewodów ze stopów Cu-Ag. Poprzez zastosowanie drutów ze stopu CuAg5 dla opracowanej koncepcji produkcji napowietrznych przewodów elektroenergetycznych możliwym staje się: 514 Logistyka 4/2013

7 zmniejszenie stratności przesyłu energii elektrycznej, zmniejszenie przez elektrownie emisji CO 2 do atmosfery, obniżenie kosztów wytwarzania energii. Zakres przeprowadzonych badań obejmował proces technologiczny otrzymywania stopów, optymalizację parametrów wstępnej obróbki cieplnej, odkształcenia w procesie ciągnienia oraz dodatkowych operacji międzyoperacyjnej obróbki cieplnej. W ramach pracy wytypowano optymalny wariant obróbki cieplno-mechanicznej, kształtującej korzystną strukturę stopu CuAg5 na każdym etapie otrzymywania oraz parametry prowadzenia poszczególnych procesów. Wielowątkowe badania zmierzały do modyfikacji struktury odlewniczej stopu CuAg5 na strukturę kompozytową bardzo licznych, silnie wydłużonych włókien srebra w osnowie miedzi. Włókna te w zależności od warunków obróbki cieplnej oraz stopnia odkształcenia posiadają średnicę od kilku do 50 nm, tworząc tym samym kompozytową fazę zbrojącą stopu stanowią elektryczny układ wysoko przewodzących równoległych połączeń z miedzią. Jak wykazały badania, ponadstandardowo duży spadek przewodności elektrycznej stopu można niwelować poprzez odpowiednio dobrany schemat obróbki cieplnej stopu oraz finalną obróbkę cieplną wyrobu gotowego. Uzyskane wyniki badań eksperymentalnych są obecnie weryfikowane w warunkach przemysłowych w celu optymalizacji technologii otrzymywania produktu finalnego poprzez dobór temperatury i czasu poszczególnych sekwencji wstępnej, międzyoperacyjnej oraz końcowej obróbki cieplnej połączonych z przeróbka plastyczną na zimno. Podziękowania The research presented in the article is co-financed by European Regional Development Fund under the Operational Program; Innovative Economy(PO IG), Priority no. 1:Research and Development of Innovative Technology; Activity 1.3 Support for B+R Projects to entrepreneurs implemented by scholarly entities; Sub-activity Developmental projects. The research is conducted under the project entitled Advanced technology of producing functional materials for conducting, processing, and storing energy, Task 1.6. entitled New types of functional alloy coppers of high durability and electrical conductivity designed for electrical engineering and electronic industry. Agreement with OPI no POIG /09-00 from September, 18th, Streszczenie Artykuł przedstawia zagadnienia związane z opracowaniem oraz optymalizacją sekwencji wchodzących w skład technologii otrzymywania drutów i mikrodrutów ze stopu CuAg5, charakteryzujących się wysokim zespołem własności elektrycznych i wytrzymałościowych. Logistyka działań zmierzających do doboru odpowiednich warunków obróbki cieplno-mechanicznej materiału, pozwala na kierunkowe kształtowanie finalnej struktury kompozytowej o wymiarach nanometrycznych, stanowiącej sieć elektrycznych połączeń miedzi i srebra, o bardzo wysokich własnościach wytrzymałościowych. Materiały o tak ukształtowanym zespole własności, znajdują szerokie zastosowanie jako, między innymi, elementy składowe konstrukcji generatorów silnych pól magnetycznych, magnesów pulsacyjnych, aparatury medycznej oraz jako wiązki i druty stosowane w branży motoryzacyjnej oraz elektroenergetycznej. Słowa kluczowe: stopy Cu-Ag, mikrokompozyty, nanostruktura, obróbka cieplno-mechaniczna, ciągnienie drutów, mikrodruty, wysokie własności wytrzymałościowe i elektryczne, optymalizacja technologii produkcji, efektywność przesyłu energii elektrycznej. Logistyka 4/

8 INFLUENCE OF HEAT TREATMENT ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF WIRE MADE FROM CuAg5 ALLOY DESIGNED FOR ELECTRIC POWER INDUSTRY Abstract In many areas of human life is well known to reduce the loss of energy transmission, miniaturization of devices, to reduce their mass, especially in the sector of energy, automotive, medical and household. It is inspired to experiment with new design solutions, in materials, technology and logistic, in order to reduce production costs while ensuring high standards of performance, safety operation and to increase the efficiency of electricity. This paper presents the results of research conducted over the CuAg5 alloy which, thanks to highly advanced technology of thermo-mechanical treatment, enables the high-band products of mechanical and electrical equipment. CuAg5 alloy can be used as for the production of specialty wire and cable harnesses used in power in transmission lines and the power supply, automotive systems ABS, CAN systems, the systems of power and signal high-speed rail and the medical devices (devices for magnetic resonance tomography, etc.). Keywords: Cu-Ag alloys, micro composites, nanostructure, thermo-mechanical treatment, drawing process, wires, mechanical and electrical properties, optimization of production technology, efficiency of electricity transmission. Literatura [1] Sakai Y., Inoue K., Maeda H.: High-strength and high-conductivity Cu-Ag alloy sheets: new promising conductor for high-field bitter coils, IEEE Transactions on Magnetics, tom 30, nr 4, [2] Sohn K.Y.: The influence of microstructure on the strength and electric al conductivity of directionally solidified Cu-Ag microcomposites, University of Florida, [3] Sakai Y., Inoue K., Asano T. Maeda H. : Development of a High Strength, High Conductivity Copper- Silver Alloy for Pulsed Magnets, IEEE Transactions on Magnetics, tom 28, nr l, [4] Sakai Y., Schneider-Muntau H.J.: Ultra high strength, high conductivity Cu Ag alloy wires, Acta Materialia, tom 45, nr 3,1997, s [5] Kwaśniewski P., Knych T., Mamala A., Kiesiewicz G., Walkowicz M., Smyrak B., Kawecki A., Uliasz P., Piwowarska M.: Sposób ciągłego odlewania materiałów krystalicznych i urządzenie do poziomego, ciągłego odlewania materiałów krystalicznych, patent PL A1, [6] Sieja-Smaga E.: Wpływ obróbki cieplno- mechanicznej na własności drutów ze stopu CuAg15 z procesu ciągłego odlewania, praca magisterska, Kraków, [7] Kawecki A., Knych T., Mamala A., Kwaśniewski P., Kiesiewicz G., Smyrak B., Sieja-Smaga E.: Zgłoszenie patentowe: Sposób wytwarzania drutów ze stopów Cu-Ag, P , [8] Pacewicz A.: Wpływ obróbki cieplno mechanicznej na własności drutów ze stopu CuAg5 z procesu ciągłego odlewania, praca magisterska, Kraków, Logistyka 4/2013