Способ изготовления композиционного материала на основе меди и композиционный материал, изготовленный этим способом

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к разработке технологии изготовления жаропрочных и износостойких электротехнических композиционных материалов на основе меди путем механического легирования, и может быть использовано в производстве силовых разрывных и дугогасительных контактов. Задачей изобретения является снижение трудоемкости процесса, увеличение прочностных свойств материала при комнатной и повышенных температурах. Данный способ включает получение порошковой смеси, содержащей частицы меди в виде предварительно измельченной стружки, и по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, содержащей хром, вольфрам, NbCr₂ и карбид кремния в количестве, не превышающем 50 мас.%, с исходной дисперсностью 10-40 мкм, размол ее в высокоэнергетической мельнице в течение 30-180 мин, последующее холодное компактирование в брикеты, нагрев до температуры, не превышающей температуру начала рекристаллизации медного твердого раствора, и прессование при этой температуре. Композиционный материал на основе меди, изготовленный в соответствии с данным способом, дополнительно содержит по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, включающей хром, вольфрам, NbCr₂ и карбид кремния в количестве, не превышающем 50 мас.%, характеризующееся длительной твердостью при 400^oС, превышающей длительную твердость внутреннеокисленной меди не менее чем в 1,5 раза. Техническим результатом изобретения является то, что композиционный материал, полученный заявленным способом, обладает термической стабильностью, высокими значениями твердости при сохранении на достаточно высоком уровне значений электропроводности. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 2 табл., 4 ил.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к разработке технологии изготовления жаропрочных и износостойких электротехнических композиционных материалов на основе меди путем механического легирования, и может быть использовано в производстве силовых разрывных и дугогасительных контактов.

Из патента Российской Федерации 2088682 известен способ изготовления композиционного материала. Данный способ предусматривает следующие операции: смешение частиц графита, плакированных карбидами металлов IV-VI групп Периодической таблицы с порошком меди или ее сплавов, последующее смешение смеси с пластификатором, одноосное прессование, спекание в защитной атмосфере или вакууме и последующее насыщение пироуглеродом. В соответствии с этим получают спеченный медно-графитовый композиционный материал, содержащий, % мас. : частицы графита 6,3-60,0, по крайней мере один карбид металла IV-VI групп Периодической системы 15-60, медь или сплав на основе меди остальное. Материал, полученный данным способом, обладает электросопротивлением до 14 мОм•м, коэффициентом трения 0,16-0,19, твердостью по Шору 28-45 HS, прочностью на сжатие 48-110 МПа и износостойкостью под действием тока 0,27-1,9 мм на 1000 проходов токоприемника, однако его получение связано с большой трудоемкостью.

Наиболее близким способом получения композиционного материала на основе меди, обладающего высокими жаропрочными и жаростойкими свойствами, является способ, описанный в патенте Российской Федерации 2117063.

В соответствии с данньм способом осуществляют приготовление смеси, состоящей из порошков меди и оксидов металлов, оксидо- и карбидообразующих элементов и углерода, взятого в количестве, превышающем не более чем на 0,5 мас. % стехиометрически необходимое его количество для полной карбидизации оксидо- и карбидообразующих элементов упрочнителей, размол ее в течение 60 - 80 мин в высокоэнергетической мельнице, в качестве которой используют аттритор с шарами для размола со скоростью вращения ротора аттритора 600 - 700 об/мин и отношением массы мелющих шаров к массе порошковой смеси (15 - 25), последующее холодное компактирование в брикеты до относительной плотности 70 - 80%, нагревание до температуры 750 - 850^oС с выдержкой при этой температуре 0,8 - 1,2 мин на каждый миллиметр диаметра брикета и термодеформационную обработку путем горячей экструзии брикетов с температуры их нагрева при коэффициенте вытяжки 10 - 25. В описании патента также раскрыт получаемый данным способом материал.

Получение материала в соответствии с данным способом связано с определенными трудностями, в частности обработка давлением осуществляется при высоких температурах и больших нагрузках, что приводит к росту трудоемкости процесса. Материал, полученный данным способом, обладает высокой пористостью, что обусловливает низкие прочностные свойства материала при комнатной и повышенных температурах. Низкие свойства этих материалов не позволяет использовать их в производстве дугогасительных контактов.

Задачей изобретения является устранение всех вышеперечисленных недостатков.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления композиционного материала на основе меди, включающем получение порошковой смеси, содержащей частицы меди и упрочнителя, размол ее в высокоэнергетической мельнице, последующее холодное компактирование в брикеты, нагрев до определенной температуры и прессование при этой температуре с получением материала, состоящего из матрицы на основе медного твердого раствора и распределенного в ней упрочнителя, в качестве упрочнителя используют по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, содержащей хром, вольфрам, NbCr₂ и карбид кремния в количестве, не превышающем 50 мас.%, с исходной дисперсностью 10-40 мкм, в качестве частиц меди используют ее предварительно измельченную стружку, размол проводят в течение 30-180 минут, а нагрев осуществляют до температуры, не превышающей температуру начала рекристаллизации медного твердого раствора.

Поставленная задача в частных случаях воплощения изобретения решается также тем, что размол смеси проводят в планетарном активаторе. Размол и компактирование осуществляют в среде аргона. Компактирование осуществляют путем холодного двухстороннего прессования до достижения по меньшей мере 80% теоретической плотности, а прессование - путем горячего двухстороннего прессования. Размол указанной смеси в высокоэнергетических мельницах осуществляют при отношении мелющего тела к массе смеси от 7:1 до 10:1.

Поставленная задача также решается композиционным материалом на основе меди, дополнительно содержащим, по меньшей мере, одно вещество, выбранное из группы, включающей хром, вольфрам, NbCr₂ и карбид кремния в количестве, не превышающем 50 мас.%, полученным по любому из предыдущих пп. формулы и характеризующимся длительной твердостью при 400^oС, превышающей длительную твердость внутреннеокисленной меди не менее чем в 1,5 раза.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Материалы на основе систем Cu-Cr, Cu-W, Cu-NbCr₂ и Сu-SiC выбраны на основе предварительных исследований, которые показали, что методом механического легирования из порошковых смесей на основе данных систем можно получить материал с высокой твердостью не ниже 180 HВ и электропроводностью на уровне 10-12 МСм/см².

В качестве исходных материалов для получения композиционных материалов Cu-Cr, Cu-W, Cu-NbCr₂ и Cu-SiC использовали токарную стружку чистой меди (99,99%) и порошки хрома, вольфрама, NbCr₂ и карбида кремния крупностью примерно от 10 до 40 мкм.

При разработке изобретения было обнаружено, что выбор измельченной стружки в качестве сырья для получения матричных частиц сплава позволяет избежать добавления каких-либо активаторов процесса высокоэнергетического измельчения, значительно сократить время обработки в мельнице, а также снизить температуру консолидации материала. Вероятно, это можно объяснить тем, что стружка, полученная на токарном станке или фрезерованием, в процессе получения подвергается значительной холодной деформации. Известно, что до 10% работы, затраченной на холодную деформацию, поглощается материалом. При этом накопленная в материале энергия "задерживается" в виде энергии дефектов кристаллической решетки. Все это позволяет начать процесс обработки материала в высокоэнергетической мельнице как бы с более высокого уровня дефектности структуры, что и позволяет привести полную обработку в более короткие сроки, а также последующую консолидацию материала при температурах ниже температуры рекристаллизации матричного сплава.

Использование стружки в качестве компонента смеси также позволит расширить сырьевую базу (включая вторичное сырье) для получения дисперсно-упрочненных материалов методом механического легирования.

Обработку исходной порошковой смеси вели в планетарном активаторе в герметичных барабанах с квазицилиндрическими мелющими телами, в атмосфере аргона в течение 30-180 мин. В использованном активаторе процесс осуществляется в поле трех сил: двух центробежных и силы Кориолиса. Центробежные силы, действующие на мелющие тела и материалы, превышают силу тяжести в 70 раз, благодаря чему энергонапряженность данной установки, достигающая 10 кВт/дм, превосходит энергонапряженность гравитационных шаровых мельниц на 2-3 порядка. Кроме того, в активаторе применяется интенсивное водяное охлаждение барабанов, что значительно увеличивает степень активации вещества из-за снижения возможности отжига дефектов.

Затем проводили компактирование путем холодного двухстороннего прессования до достижения по меньшей мере 80% теоретической плотности и прессование при температуре ниже температуры начала рекристаллизации меди путем горячего двухстороннего прессования.

Оценку твердости композиционных материалов проводили по методу Виккерса на твердомере ИТ 5010 и по Бринеллю на твердомере ТШ-2.

В качестве характеристики жаропрочности в работе оценивали длительную твердость, которую определяли на специально разработанном приборе, который состоит из пресса для оценки твердости по методу Бринелля ТШ-2 и электрической печи. Твердость оценивали при температуре 400^oС и нагрузке 200 кг, шариковый индентор диаметром d_шар= 10 мм, продолжительность выдержки под нагрузкой 60 мин.

В качестве объекта для сравнения была выбрана внутреннеокисленная медь. Выбор обусловлен тем, что внутреннее окисление является в настоящее время наиболее распространенным, альтернативным механическому легированию методом получения дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе меди.

Пример 1.

Получали композиционный материал на основе меди, содержащий 30-50% хрома. Проводили размол смеси порошка меди, полученного из стружки меди, предварительно измельченной в активаторе, и порошка хрома дисперсностью 40 мкм в течение 60 мин в планетарном активаторе в атмосфере аргона при отношении мелющего тела к массе смеси 10:1. Затем осуществляли холодное компактирование в брикеты до достижения по меньшей мере 80% относительной плотности, нагрев до 500^oС и горячее двухстороннее прессование при этой температуре.

Предварительные исследования структуры полученных материалов, которую анализировали на световом микроскопе "NEOPHOT-30", показали, что в структуре достигается сравнительно равномерное взаимное распределение хрома и меди, что позволяет ожидать требуемого сочетания свойств.

Для детального изучения структуры образцы всех композиционных материалов с хромом изучали под электронным сканирующим микроскопом. Анализ показал, что с увеличением объемной доли хрома в структуре композиционных материалов значительно повышается равномерность взаимного распределения хрома и меди. У всех материалов выявляются три структурные составляющие: 1) светлые участки, представляющие собой чистую медь; 2) темные участки, являющиеся частицами хрома; 3) участки промежуточного контраста, являющиеся, видимо, тонкодисперсной смесью меди и хрома.

Для исследования фазового состава композиционных материалов был проведен рентгеноструктурный анализ, из которого следует, что в материале присутствуют следующие фазы: - твердый раствор на основе меди; - твердый раствор на основе хрома.

Другие промежуточные фазы в данных материалах не образуются.

Из табл. 1 видно, что материалы Cu-50%Cr, Cu-45%Cr Cu-40%Cr обладают низкой пористостью и удовлетворяют предъявляемым требованиям.

Материал Cu-30%Cr имеет наибольшее из всех композиционных материалов данной системы значение электропроводности, но невысокие значения твердости, что ставит его применимость в качестве разрываемых контактов под сомнение.

Из табл. 1 следует также, что значения твердости у всех композиционных материалов системы Cu-Cr выше, чем у внутреннеокисленной меди.

Особенностью работы разрываемых контактов является то, что в момент замыкания-размыкания контакт подвергается воздействию высоких температур. В этой связи одной из важнейших характеристик электроконтактов является стабильность свойств при повышенных температурах.

Для оценки термической стабильности полученных композиционных материалов Cu-Cr были проведены отжиги в течение одного часа при температурах 700, 800, 900 и 1000^oС, а также испытания на длительную твердость при температуре 400^oС.

Зависимость твердости по Бринеллю композиционных материалов от температуры часового отжига приведена на фиг. Видно, что композиционные материалы системы Cu-Cr обладают высокой термической стабильностью. Снижение твердости материала Cu-Cr после отжига при температуре 1000^oС (что примерно соответствует 0,9 Т_пл меди) составляет у Cu-50%Cr - 25%, у Cu-45%Cr - 19,3%, у Cu-40%Cr - 21,2 %, у Cu-30%Cr - 14,9%. При этом твердость внутреннеокисленной меди снижается более чем на половину (51,4%). Результаты испытаний на длительную твердость представлены в табл. 2.

Зависимость электропроводности от температуры отжига представлена на фиг. 2.

Из фиг. 2 видно, что электропроводность у образцов Cu-50%Cr, Cu-45%Cr, Cu-40%Cr практически не изменяется. Увеличение содержания хрома препятствует окислению образцов, чем и обусловлено постоянство значений электропроводности у образцов с высоким содержанием хрома.

Пример 2.

В соответствии с режимами, приведенными в предыдущем примере, получали материалы с содержанием карбида кремния от 5 до 25% по массе. В качестве исходных материалов для получения композиционных материалов использовали токарную стружку чистой меди (99,99%) и частицы карбида кремния со структурой α-SiC и средним размером 10 мкм.

Исследования структуры композиционного материала на разных стадиях обработки в планетарном активаторе показали, что здесь проходят следующие процессы: 1. Частицы карбида кремния измельчаются; частицы медной матрицы деформируются, принимая форму чешуек.

2. Частицы карбида кремния внедряются в частицы медной матрицы.

3. После 10-60 мин обработки в активаторе формируется слоистая структура гранулы.

4. Оба механизма заканчиваются сваркой слоев между собой.

С увеличением времени обработки в активаторе более 30 мин слоистый характер структуры постепенно исчезает, и гранулы становятся монолитными образованиями с равномерно распределенными в них дисперсными частицами карбида кремния.

В зависимости от количества упрочняющих частиц этот процесс во временном масштабе проходит по разному - чем выше объемная доля частиц карбида кремния в композиционном материале, тем быстрее достигается однородное (равномерное) распределение частиц.

Частицы карбида кремния во всех исследованных образцах сильно измельчаются в первые 20-30 мин обработки в активаторе, а далее их размер меняется незначительно. Например, в композиционном материале Cu-20%SiC уже после 20 мин обработки в активаторе при среднем размере ~ 1 мкм больше 50% частиц имеют размер менее 0,1 мкм и, судя по интенсивности отражений от SiC на рентгенограммах, переходят в рентгеноаморфное состояние.

Следующей после обработки порошковой смеси важной операцией при получении композиционных материалов является изготовление плотных образцов из полученных гранул-полуфабрикатов. Образцы композиционных материалов получали компактированием порошковой смеси в две стадии: 1) путем холодного двухстороннего прессования до достижения, по меньшей мере, 80% теоретической плотности; 2) под постоянньм давлением при нагреве до температур ниже температуры начала рекристаллизации медной матрицы (400-600^oС).

В результате такого компактирования удавалось получать качественные образцы с плотностью не менее 95%.

Как видно из фиг. 3 и 4, образцы композиционных материалов на основе системы Cu-SiC, полученные в соответствии с предлагаемым изобретением, обладают высокими значениями твердости при сохранении на достаточно высоком уровне значений электропроводности.

Формула изобретения

1. Способ изготовления композиционного материала на основе меди, включающий получение порошковой смеси, содержащей частицы меди и упрочнителя, размол ее в высокоэнергетической мельнице, последующее холодное компактирование в брикеты, нагрев до определенной температуры и прессование при этой температуре с получением материала, состоящего из матрицы на основе медного твердого раствора и распределенного в ней упрочнителя, отличающийся тем, что в качестве упрочнителя используют по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, содержащей хром, вольфрам, NbCr₂ и карбид кремния в количестве, не превышающем 50 мас.% с исходной дисперсностью 10-40 мкм, в качестве частиц меди используют ее предварительно измельченную стружку, размол проводят в течение 30-180 мин, а нагрев осуществляют до температуры, не превышающей температуру начала рекристаллизации медного твердого раствора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размол смеси проводят в планетарном активаторе.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что размол и компактирование осуществляют в среде аргона.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что компактирование осуществляют путем холодного прессования до достижения по меньшей мере 80% теоретической плотности, а прессование - путем двухстороннего прессования.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что размол осуществляют при отношении массы мелющего тела к массе смеси от 7:1 до 10:1.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что нагрев ведут до 400-600^oС.

7. Композиционный материал на основе меди, отличающийся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, одно вещество, выбранное из группы, включающей хром, вольфрам, NbCr₂ и карбид кремния в количестве, не превышающем 50 мас.%, получен по любому из пп.1-6 и характеризуется длительной твердостью при 400^oС, превышающей длительную твердость внутреннеокисленной меди не менее чем в 1,5 раза.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6