способ получения дисперсноупрочненных материалов на основе меди

Формула изобретения

1. Способ получения дисперсно-упрочненных материалов на основе меди, включающий обработку в энергонапряженной мельнице путем механического легирования порошков меди, алюминия и легирующей добавки в течение не менее 4 ч, последующее компактирование полученной гранулированной композиции и изготовление полуфабрикатов экструзией, отличающийся тем, что используют легирующую добавку, содержащую в отдельности или в комплексе кислород, азот и углерод в сумме не более 1% от общей массы смеси, при этом алюминий вводят в количестве, превышающем стехиометрически необходимое для связывания кислорода, азота и углерода легирующей добавки в упрочняющие фазы и достигающем 7% от общей массы смеси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки используют один или несколько компонентов, взятых из группы, включающей оксиды меди, никеля, марганца, железа, азотокислые соли этих металлов и аммония, мочевину, щавелевую кислоту и щавелевокислый аммоний.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к производству дисперсно-упрочненных медных материалов.

Известен способ изготовления дисперсно-упрочненной меди, включающий получение распылением расплава порошка медного сплава, легированного элементами, имеющими низкое значение термодинамического потенциала образования оксидов, например, алюминием. Для предотвращения окисления порошка распыление проводят в камере, заполненной гелием или жидкостью. В случае образования оксидов на поверхности порошковых частиц их устраняют механической обработкой, например шлифованием, обработкой в шаровых мельницах или химическим травлением. Порошок с неокисленной поверхностью подвергают внутреннему окислению. Далее следует компактирование внутренне окисленного порошка холодным прессованием и получение полуфабрикатов горячей экструзией при температуре выше 760^oС. Основными недостатками способа являются его сложность и низкие значения механических свойств материала (Патент США N 4319770, кл. 75-05, 1982).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ, заключающийся в получении дисперсно-упрочненной меди из порошка меди, порошка восстановителя, выбранного из группы элементов, имеющих низкое значение термодинамического потенциала образования оксида, включающей алюминий, магний и титан, и окислителя, в качестве которого используются оксид меди или вода, внутренним окислением путем механического легирования в течение не менее четырех часов с последующим компактированием и экструзией, окислитель вводится в исходную смесь в количестве, необходимом для связывания восстановителя в оксид, исходя из условия стехиометрии.

Недостатком способа являются сравнительно низкие механические свойства получаемых материалов. Указанный недостаток обусловлен тем, что при стехиометрическом соотношении в исходной смеси окислителя и восстановителя полное взаимодействие между ними не достигается и в материалах наряду с упрочняющим оксидом, образующимся в результате взаимодействия между окислителем и восстановителем, присутствуют окислитель и восстановитель в количестве до 15% от их исходного содержания (авт. св. СССР N 1482770, кл. В 22 F 3/20, 1986).

Целью изобретения является повышение прочности дисперсно-упрочненных сплавов на основе меди.

Цель достигается способом, включающим обработку в энергонапряженной мельнице путем механического легирования порошков меди, алюминия и легирующей добавки в течение не менее четырех часов, последующее компактирование полученной гранулированной композиции и изготовление полуфабрикатов экструзией, в котором согласно изобретения используют легирующую добавку, содержащую в отдельности или в комплексе кислород, азот и углерод в сумме не более 1% от общей массы, при этом алюминий вводят в количестве, превышающем стехиометрически необходимое для связывания кислорода, азота и углерода легирующей добавки в упрочняющие фазы и достигающем 7% от общей массы. В качестве легирующей добавки используют оксиды меди, никеля, марганца, железа, азотнокислые соли этих металлов и аммония, мочевину, щавелевую кислоту и щавелевокислый аммоний.

В процессе механического легирования и термического воздействия на композицию на последующих технологических стадиях происходит взаимодействие между компонентами, вызывающее образование упрочняющих фаз, основными из которых в общем случае являются оксид алюминия (Al₂О₃), нитрид алюминия (А1N) и карбид алюминия (Al₄C₃). Введение алюминия в количестве, превышающем стехиометрически необходимое, обеспечивает полное связывание кислорода, азота и углерода легирующей добавки в упрочняющие фазы, что является одним из факторов, обеспечивающим повышение прочности материала. Максимальное количество алюминия, необходимое для связывания кислорода, азота, углерода при их предельной концентрации в смеси, не превышает 1,2%

Дополнительное упрочнение, достигаемое в заявляемом способе, обусловлено растворением в меди алюминия, взятого сверх стехиометрически необходимого для связывания кислорода, азота, углерода, легирующей добавки, а также никеля, марганца и железа, и образованием алюминидов указанных металлов.

Пример 1.

В качестве исходных компонентов взяты порошки меди ПМС1, алюминия ПА4 и оксидов меди. Содержание алюминия в исходной смеси составляло 3 мас. содержание оксида меди 4,4 мас. Количество кислорода, находящегося в оксиде меди, равнялось 0,89 мас. что обеспечивало образование 4,3% по объему оксида алюминия (Al₂О₃) и связывало в оксид 1,0 мас. алюминия.

Исходная смесь подвергалась механическому легированию в вибромельнице при частоте колебаний помольной камеры 25 с^-1, амплитуде колебаний помольной камеры 5 мм, степени заполнения помольной камеры шарами 70% отношении объема шаров к объему смеси 5. Механическое легирование проводили в течение 4 ч. Из гранулированной дисперсно-упрочненной композиции, полученной механическим легированием, методом холодного прессования получали заготовки плотностью 75% Заготовки подвергали экструзии при 750^oС со степенью обжатия 95% Полученный материал имеет предел прочности при растяжении 1210 МПа.

Пример 2.

В качестве исходных компонентов взяты порошки меди ПМС1, алюминия ПА4, мочевины [(NH₂)₂CO] Содержание алюминия в исходной смеси составляло 5,0 мас. содержание мочевины 0,56 мас. Суммарное количество кислорода, азота, углерода, находящегося в мочевине, составляло 0,49 мас. что обеспечивало образование примерно 4,3% по объему упрочняющих фаз (Al₂O₃), АlN, Al₄C₃. При этом связывается в упрочняющие фазы примерно 1,0 мас. алюминия.

Исходная смесь подвергалась механическому легированию в вибромельнице при частоте колебаний помольной камеры 20 с^-1, амплитуде колебаний 5,5 мм, степени заполнения помольной камеры шарами 70% отношении объема шаров к объему смеси 6. Механическое легирование осуществляли в течение 8 ч. Из гранулированной дисперсно-упрочненной композиции, полученной механическим легированием, методом холодного прессования получали заготовки плотностью 75% Заготовки подвергали экструзии при 780^oС со степенью обжатия 93% Полученный материал имел предел прочности при растяжении 1310 МПа.

Пример 3.

В качестве исходных компонентов взяты порошки меди ПМCl, алюминия ПА4, азотнокислого никеля [Ni(NO₃)₂] Содержание алюминия в исходной смеси составляло 6,0 мас. Содержание азотнокислого никеля 0,56 мас. Суммарное количество кислорода и азота в легирующей добавке составляет 0,38 мас. что обеспечивает образование примерно 2,15% по объему упрочняющих фаз (Al₂О₃ и AlN). При этом связывается примерно 0,5 мас. алюминия. Исходная смесь подвергалась механическому легированию в вибромельнице при частоте колебаний помольной камеры 30 с^-1, амплитуде колебаний 6 мм, степени заполнения помольной камеры шарами 70% отношении объема шаров к объему смеси 8. Продолжительность механического легирования составляла 7 ч. Из гранулированной дисперсно-упрочненной композиции, изготовленной методом механического легирования, методом холодного прессования получали заготовки плотностью 80% Заготовки подвергали экструзии при 800^oС со степенью обжатия 93% Полученный материал имел предел прочности при растяжении 1320 МПа.

В таблице приведены данные по влиянию исходного состава порошковой композиции на прочность материала, полученных по заявляемому способу в сравнении с прототипом. Таким образом, в данном способе достигается цель - повышение прочности дисперсно-упрочненных сплавов на основе меди.