Дисперсно-упрочненный композиционный материал на основе меди

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к дисперсно-упрочненным композиционным материалам на основе меди для изделий сварочной техники. Предложена шихта для получения дисперсно-упрочненного композиционного материала в высокоэнергетической мельнице, содержащая, мас. %: алюминий - 0,2-0,6, углерод - 0,05-0,1, оксид меди - 0,9-2,6, гидроксид алюминия - 0,6-1,5, медь - остальное. Изобретение направлено на получение из заявленной шихты композиционного материала без снижения его электро- и теплопроводности, обладающего высокой твердостью и сроком службы при температурах выше 600 °С. 2 табл.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к технологии получения дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе меди (ДУКМ) для изделий сварочной техники. Известны способы получения дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе меди, где в качестве упрочняющей фазы выступает оксид алюминия.

Дисперсно-упрочненный композиционный материал для электроконтактных деталей (см. патент 2195511 RU от 05.02.2001, опубликованный 27.12.2002 по кл. С22С 9/01; С22С 1/10) получают из шихты, приготовленной смешиванием порошков алюминия, углерода в виде графита, оксида меди и меди, путем обработки шихты в шаровой мельнице на воздухе до получения гранул, последующего холодного компактирования их в брикеты и горячей экструзии брикета в пруток или профиль при температуре 700-800°С.

Отрицательным моментом данного метода является длительность размола в шаровой мельнице (обычно составляет 10-30 часов).

Способ производства ДУКМ (см. патент 2113529 RU от 09.04.1996, опубликованный 20.06.1998 по кл. С22С 1/09; B23F 35/30) включает получение гранулята методом механического легирования, осуществляемого с использованием аттриторов и обеспечивающего получение ультрадисперсных частиц упрочняющих фаз в результате твердофазных реакций между компонентами исходной смеси. Гранулят подвергают холодному прессованию в заготовки, нагревают их в окислительной среде и производят экструзию. Дисперсно-упрочненный материал, полученный данным способом, имеет следующее соотношение компонентов: мас. %: Алюминий - 0,40-1,0; Углерод - 0,15-0,2; Кислород - 0,1-0,2; Медь - 98,5-99,35.

Недостатком является относительно низкая электропроводность получаемого материала (38-54% от электропроводности меди марки М1).

Наиболее близким к заявляемому является способ получения прутков дисперсно-упрочненного материала из полученных в аттриторе гранул (Шалунов Е.П., Смирнов В.М. О механизмах формирования структуры и свойств композиционных материалов системы Cu-Al-C-O, получаемых на основе метода реакционного механического легирования // Вестник Чувашского университета. 2013. №3. С. 314-321.) Шихта содержит порошки меди, алюминия графита и оксида меди. Способ включает термообработку гранул в закрытой полугерметичной камере при температуре 850-870°С в течение 2-4 ч в присутствии карбюризатора (Na₂CO₃ - 25% масс, СаСО₃ - 5% масс., остальное - древесный уголь), являющегося генератором смеси газов (СО+СО₂), двустороннее холодное компактирование гранул в брикеты при давлении 600 Мпа, нагрев завернутых в медную фольгу (или помещенных в капсулу с карбюризатором) брикетов до температуры 700°С, выдержка при этой температуре 15-20 мин. для их прогрева и последующую горячую экструзию в прутки. К недостаткам данного способа можно отнести необходимость длительной термообработки гранул перед брикетированием и большой расход дорогой окиси меди для окисления алюминия.

Целью изобретения является создание материала, который, обладая достаточной электро- и теплопроводностью, имеет более высокую твердость и срок службы по сравнению с аналогами при температурах выше 600°С.

Этот технический результат достигается тем, что дисперсно-упрочненный композиционный материал, содержащий медь, алюминий, углерод, оксид меди, дополнительно содержит гидроксид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Алюминий - 0,2-0,6

Углерод - 0,05-0,1

Оксид меди - 0,9-2,6

Гидроксид алюминия - 0,6-1,5

Медь - остальное

Из уровня техники не известны аналоги, обладающие тождественной совокупностью признаков.

Заявленный материал изготавливают из шихты, приготовленной смешением порошков алюминия, углерода в виде графита, оксида меди, гидроксида алюминия и меди, путем обработки шихты в высокоэнергетической мельнице (аттриторе) до получения гранул в течение 1 часа, последующего холодного компактирования их в брикеты и горячей экструзии брикета в пруток при температуре 800-830°С.

При обработке шихты в аттриторе в результате столкновения шаров и сжатия частиц порошка между мелющими шарами выделяется значительное количество теплоты, локальная температура при столкновении шаров может достигать более 1000°С. В результате данного локального разогрева и общего разогрева порошковой шихты протекает следующая реакция:

2Al(ОН)₃=Al₂O₃+3H₂O

Вследствие ударного воздействия мелющих шаров происходит вбивание образующихся частиц оксида алюминия в медную матрицу с образованием гранул дисперсно-упрочненного материала.

Снижение содержания в шихте алюминиевого порошка вследствие замены его на гидроксид алюминия, позволяет при аттрировании порошковой смеси практически полностью окислить алюминий до его оксида (Al₂O₃) и исключить тем самым операцию термообработки гранул, которая проводилась с целью окисления остатков алюминия, не вступившего в реакцию при механическом легировании в аттриторе, и, как следствие, позволяет снизить себестоимость получения дисперсно-упрочненного материала без ухудшения его основных физико-механических характеристик (твердости и электропроводности).

Соотношение компонентов предложенного материала подобрано экспериментально.

При содержании гидроксида алюминия в материале более 1,5 мас. %, наблюдается снижение твердости материала. В том случае, если оно оказывается менее 0,6 мас. %, содержание алюминиевого порошка в шихте начинает превышать 0,5%, что вызывает перевод алюминия в сплав и потерю электропроводности материала.

В соответствии с описанной технологией были изготовлены прутки заявленного материала с вышеуказанным содержанием компонентов, а также по технологии, выбранной в качестве прототипа (табл. 1).

Все полученные прутки были подвергнуты анализам и испытаниям, результаты которых представлены в табл. 2.

Из таблицы следует, что замена в составе шихты части алюминиевого порошка на гидроксид алюминия при одних и тех же остальных параметрах производства позволяет получать дисперсно-упрочненный упрочненный материал с лучшими показателями твердости и электропроводности.

Положительные результаты испытаний материала позволяют считать изобретение промышленно применимым.

Преимуществом промышленного применения материала являются более высокие эксплуатационные характеристики.

Шихта для получения дисперсно-упрочненного композиционного материала в высокоэнергетической мельнице, содержащая медь, алюминий, углерод, оксид меди, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит гидроксид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Алюминий - 0,2-0,6

Углерод - 0,05-0,1

Оксид меди - 0,9-2,6

Гидроксид алюминия - 0,6-1,5

Медь - остальное.