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

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.

Описание изобретения к патенту

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 мОмм, 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 -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.