Дисперсно-упрочненный материал для электродов контактной сварки

 

Целью изобретения является создание для электросварочного производства материала с высокими значениями электропроводности и температуры рекристаллизации, а также ресурса работы электродов контактной сварки из него. Дисперсно-упрочненный материал для электродов контактной сварки содержит следующие компоненты, мас.%: алюминий 0,15-0,25; углерод 0,1-0,25; титан 0,2-0,5; медь остальное. 10 ил., 3 табл.

Изобретение относится к электросварочному производству, в частности к составам материалов для электродов контактной сварки.

Известны медные сплавы, в частности бронзы, для электродов контактной сварки, содержащие в качестве легирующих элементов хром, титан, цирконий, бериллий, никель, кобальт и другие вещества, повышающие прочностные характеристики меди и незначительно снижающие ее электропроводность. Упрочнение указанных сплавов осуществляется мелкодисперсными выделениями легирующих элементов или интерметаллидов на их основе, которые образуются в процессе термодеформационной обработки, включающей закалку, холодную деформацию и старение.

Однако, существование упрочняющей фазы в бронзах зависит от температуры: при высоких температурах легирующие элементы образуют твердый раствор с медью, что полностью снимает эффект дисперсного упрочнения и резко снижает электропроводность сплава. Например, температура рекристаллизации дисперсно-упрочненной бронзы БрХЦр (Cr 0,4-1,0 мас.%; Zr 0,02-0,15 мас.%) не превышает 500^oC, тогда как рабочие поверхности электродов контактной сварки разогреваются до 600-800^oC. Это обусловливает низкую стойкость электродов из указанных материалов.

Известны также дисперсно-упрочненные материалы на медной основе для электродов контактной сварки, в которых упрочняющей фазой являются ультрадисперсные частицы тугоплавких соединений, не взаимодействующих с медью и не растворяющихся в ней вплоть до температуры ее плавления. Благодаря этому дисперсно-упрочненные материалы, имея хорошую электропроводность, обладают также высокими прочностными характеристиками не только при комнатной, но и при повышенной температуре. Например, известный дисперсно-упрочненный материал Cu-Al₂О₃, получаемый методом реакционного размола смеси порошков меди и алюминия, обладает твердостью по Виккерсу (HV) 1700 МПа и электропроводностью около 70% от электропроводности меди.

В указанном материале упрочняющей фазой является ультрадисперсные частицы оксида алюминия Al₂О₃, размер которых в горячепрессованном прутке составляет 0,02-0,05 мкм. При нагреве же за счет коагуляции происходит увеличение размеров Al₂О₃, что отрицательно сказывается на прочностных свойствах материала: температура рекристаллизации не превышает 650-700^oC, что во многих случаях недостаточно для обеспечения высокого ресурса электродам контактной сварки.

Наиболее близким к предлагаемому является дисперсно-упрочненный материал, который содержит упрочняющие частицы оксида Al₂О₃ и карбида Al₄C₃ алюминия, образующиеся в процессе обработки порошков меди, алюминия и углерода путем размола в аттриторе, холодного компактирования полученного продукта в брикеты и их горячей экструзии в пруток или профиль. Кроме оксидов и карбидов алюминия материал содержит также и свободный ультрадисперсный углерод, который дополнительно упрочняет материал и повышает его противоадгезионные и антифрикционные свойства.

Благодаря наличию разнородных фаз-упрочнителей, в значительно меньшей степени подверженных процессам коагуляции, чем однородные упрочняющие фазы, материал имеет температуру рекристаллизации, которая составляет 650-800^oC.

Однако, относительно низкая электропроводность материала не позволяет существенно увеличить стойкость электродов контактной сварки. Например, материал Cu - 0,5 мас.% Al -0,25 мас.% С, обладающий твердостью по Виккерсу (HV) 1600-1800 МПа, имеет электропроводность 45-50% от электропроводности чистой меди.

Целью изобретения является создание материала с более высокими значениями электропроводности, температуры рекристаллизации, ресурса работы электродов контактной сварки из него, а также расширение ассортимента материалов для изготовления электродов контактной сварки.

Заявляемый материал, содержащий медь, алюминий и углерод, дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов в шихте, мас.%: Алюминий - 0,15-0,25 Углерод - 0,10-0,25 Титан - 0,2-0,5 Медь - Остальное Материал изготавливается из смеси порошков указанных компонентов обработкой в шаровой мельнице, холодным компактированием полученного продукта (гранул) в брикеты и последующей их экструзией в пруток или профиль при температуре до 880^oC.

Отличием заявляемого материала от прототипа является дополнительное введение в него титана с одновременным уменьшением содержания алюминия. Как показали исследования, это позволяет практически исключить вхождение алюминия в твердый раствор с медью, который существенно снижает электропроводность материала, полностью связав его с кислородом и углеродом. Титан, благодаря незначительной его растворимости в меди и в результате интенсивного измельчения и механо-химической активации в шаровой мельнице, также практически весь вовлекается в твердофазные реакции с углеродом и кислородом с образованием карбида TiC и оксида TiO₂ титана.

Конечная структура материала представляет собой, как показали металлографический, стереологический и рентгенофазовый анализы, медную матрицу, содержащую в себе мелкодисперсные частицы TiC, TiO₂, Al₂О₃, Al₄C₃ и С. Наличие в заявляемом материале пяти разнородных упрочняющих фаз в большей степени, чем в материале-прототипе, затрудняет процесс их коагуляции, что придает материалу более высокие температуру рекристаллизации и электропроводность, обеспечивая тем самым также и более высокий ресурс электродов контактной сварки, изготовленных из заявляемого материала, в сравнении с ресурсом электродов из материала, выбранного в качестве прототипа.

Пример. По указанным выше технологиям были изготовлены прутки диаметром 17 мм из материала-прототипа и заявляемого материала, причем суммарное содержание легирующих элементов в шихте в обоих материалах было одинаковым (в первом - 0,5 мас.% Al и 0,25 мас.% C и во втором - 0,2 мас.% Al; 0,3 мас.% Ti и 0,25 мас.% C).

Прутки были подвергнуты рентгеноструктурному и химическому анализам. По результатам данных анализов определялись содержания легирующих металлов в твердом растворе с медью у материала-прототипа и заявляемого материала.

Результаты анализов приведены в табл.1.

Из табл. 1 видно, что у материала-прототипа более половины легирующего металла (алюминия) находится в твердом растворе с медью, тогда как у заявляемого материала, где легирующими являются алюминий и титан, их содержание в твердом растворе более чем в два раза меньше, чем у материала-прототипа. Уменьшение доли легирующих элементов в твердом растворе с медью позволяет увеличить объемную долю упрочняющих частиц, причем разнородных, которые образуются в результате взаимодействия указанных элементов с кислородом воздуха и углеродом.

Как следствие этого, у заявляемого материала существенно увеличиваются электропроводность и температура рекристаллизации (табл.2), которые составляют соответственно 67% и 950^oC против 50% и 800^oC у материала- прототипа для указанных в табл.1 композиций.

Для определения твердости и электропроводности заявляемого материала были приготовлены 180 составов порошковой смеси с содержанием в ней 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3 мас.% Al; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 мас.% Ti и 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3 мас.% C.

Для сравнения также были приготовлены 35 составов порошковой смеси материала-прототипа с содержанием в ней 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3 мас.% Al и 0; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3 мас.% C.

Порошковые смеси материала- прототипа были подвергнуты переделу, в результате чего были получены прутки диаметром 17 мм.

Порошковые смеси заявляемого материала были обработаны в аттриторе в течение 45 мин, из полученных гранул отпрессованы брикеты диаметром 54 мм и высотой 105 мм, которые затем после нагрева на воздухе до температуры 880^oC с этой температуры были экструдированы в прутки диаметром 17 мм.

Из полученных прутков изготавливались стандартные образцы для определения твердости по Виккерсу и электропроводности.

На фиг.1-10 представлены графики зависимости электропроводности и твердости материалов от содержания в шихте алюминия, титана и углерода.

Из анализа данных графиков можно заключить следующее: а) введение в материал Cu-Al-C дополнительно титана в количестве 0,1-0,5 мас. % во всех рассмотренных случаях приводит к повышению электропроводности при одновременном увеличении твердости материала; б) при содержании титана более 0,5 мас.% материал обладает большей твердостью, но имеет электропроводность, даже меньшую, чем нелегированный титаном материал (прототип), в связи с чем введение титана свыше 0,5 мас.% не является оправданным; в) наиболее целесообразно содержание титана в пределах 0,2-0,5 мас.%, причем при содержании углерода и алюминия соответственно в пределах 0,1-0,25 мас.% и 0,15-0,25 мас.%.

В указанном диапазоне содержания компонентов электропроводность материала достигает 70% от электропроводности меди, что выше электропроводности материала-прототипа. При этом твердость по Виккерсу составляет до 2100 МПа, тогда как твердость материала-прототипа не поднималась выше 1800 МПа.

Пример. Для оценки стойкости электродов контактной сварки из заявляемого материала были изготовлены электроды по ГОСТ 14111-90 из прутков БрХ, БрХЦр, материала-прототипа и заявляемого материала.

Испытания проводились на контактной точечной машине МТ-1215 при сварке стали 08Ю толщиной 0,8+0,8 мм при следующих режимах сварки: I_св=10-11 кА; P_св=230 кГс; t_св= 7 пер; темп сварки 40 точек/мин.

Критерием оценки качества материалов служило количество сваренных точек, полученных до увеличения контактной поверхности электродов на 20%, электродами, изготовленными из них.

Составы испытанных материалов и результаты испытаний электродов из них представлены в табл.3.

Приведенные в табл. 3 данные испытаний показывают, что электроды контактной сварки, изготовленные из заявляемого материала состава 0,15-0,25 мас. % Al; 0,1-0,25 мас.% C и 0,2-0,5 мас.% Ti, действительно имеют ресурс, превышающий ресурс электродов из бронзы БрХ и БрХЦр, а также материала- прототипа состава 0,4-1,0 мас.% Al и 0,15-0,3 мас.% C.

Как следует из приведенных данных, дополнительное введение титана в материал системы Cu-Al-C с одновременным уменьшением содержания в нем алюминия позволяет значительно поднять его электропроводность и температуру рекристаллизации. Благодаря указанным преимуществам заявляемого материала электроды контактной сварки, изготовленные из него, имеют более высокий ресурс работы, чем электроды из известных материалов, в том числе и прототипа.

Формула изобретения

Дисперсно-упрочненный материал для электродов контактной сварки, содержащий медь, алюминий и углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.

Алюминий 0,15 0,25
Углерод 0,1 0,25
Титан 0,2 0,5
Медь Остальноео

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13