дисперсно-упрочненный композиционный материал

Формула изобретения

Дисперсно-упрочненный композиционный износостойкий при повышенных температурах материал, содержащий медь, алюминий и кислород, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий - 0,40 - 1,0

Углерод - 0,15 - 0,2

Кислород - 0,1 - 0,2

Медь - 98,5 - 99,35р

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии и представляет собой дисперсно-упрочненный композиционный износостойкий при повышенных температурах материал на основе меди и может быть использован, в частности, для изготовления токоподводящих наконечников электродуговой сварки расходуемым проволочным электродом.

В настоящее время для изготовления этих деталей применяют технически чистую медь и материалы на ее основе Захаров М.В., Захаров А.М. Жаропрочные сплавы. - М.: Металлургия, 1972, с. 193).

Медь является металлом, сочетающим в себе высокую электро- и теплопроводность, однако с недостаточно высокой прочностью и жаропрочностью. Известны хромистые и хромистоциркониевые бронзы, которые, обладая хорошей электропроводностью, имеют недостаточно высокую температуру рекристаллизации, вследствие чего во время эксплуатации происходит потеря их прочностных свойств и быстрый износ изготовленных из них деталей. Температура начала рекристаллизации хромистой бронзы с содержанием хрома 0,6 - 0,8 мас.% составляет 370^oC и твердость по Виккерсу 1200 - 1400 МПа, для хромистоциркониевой бронзы с 0,3 - 0,5 мас.% хрома, 0,2 - 0,35 мас.% циркония 500^oC и 1300 - 1450 МПа соответственно (Захаров М.В., Захаров А.М. Жаропрочные сплавы. - М.: Металлургия, 1972, с. 208 - 216).

Срок службы деталей, изготовленных из этих бронз, является, как правило, невысоким.

Улучшение прочностных свойств, жаро- и износостойкости, электроэрозионной стойкости, получение материалов, устойчивых к рекристаллизации и имеющих высокую твердость при высоких температурах при сохранении тепло- и электропроводности, является актуальной задачей.

Наиболее близким изобретению по технической сущности и достигаемому результату является спеченный материал на основе меди с дисперсным распределением в ней оксида алюминия (авт. св. СССР N 1482770, кл. B 22 F 3/20, 1/00, C 22 C 1/04).

Материал содержит 0,5 - 1,1 мас.% алюминия, 0,4 - 1,0 мас.% кислорода, остальное медь, имеет тонкозернистую структуру и содержит частицы оксида алюминия (Al₂O₃) размером 0,02 - 0,03 мкм, что гарантирует высокую тепло- и электропроводность, прочность.

Недостатком материала является относительно низкая твердость - не более 1700 МПа по Виккерсу - и износостойкость при температурах выше 600^oC.

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^oC.

Это достигается тем, что материал, содержащий медь, алюминий и кислород, дополнительно содержит углерод.

Предлагаемый дисперсно-упрочненный износостойкий при повышенных температурах материал содержит медь, алюминий, углерод и кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий - 0,40 - 1,0

Углерод - 0,15 - 0,3

Кислород - 0,1 - 0,2

Медь - 98,5 - 99,35

Разработка нового дисперсно-упрочненного композиционного материала (ДУКМ) на основе порошка меди системы Cu-Al-C-O, получаемого методом порошковой металлургии, испытания его в промышленных условиях на примере токоподводящих деталей сварочной техники показали более высокие эксплуатационные характеристики этого материала по сравнению с лучшими представителями традиционных материалов, используемых для аналогичных целей.

Сопоставительный анализ известных технических решений и заявляемого ДУКМ позволяет заключить, что изобретение соответствует критерию "новизна".

С использованием металлографии и электронной микроскопии изучена микроструктура спеченного материала. Данные микродифракционного фазового анализа позволяют сделать вывод о наличии в материале оксида (Al₂O₃) и карбида алюминия (Al₄С₃) и свободного углерода.

Содержащиеся в спеченном материале оксид и карбид алюминия повышают его твердость, а также снижают возможность их коагуляции при высокой температуре, что повышает температуру рекристаллизации до 650 - 850^oC.

Углерод в виде ультрадисперсного графита (0,01 - 0,05 мкм) действует упрочняюще.

Фиг. 1 подтверждает упрочняющую роль углерода: добавка углерода в смесь медного и алюминиевого порошка приводит к повышению твердости конечного материала. При этом также повышается электропроводность материала (фиг. 2).

Зависимость электропроводности материала от содержания алюминия и углерода, представленная на фиг. 3, и зависимость твердости по Виккерсу от содержания алюминия и углерода (фиг. 4) показывают, что оптимальные значения электропроводности и твердости имеет материал, содержащий 0,4 - 1,0 мас.% алюминия и 0,15 - 0,3 мас.% углерода.

Предлагаемый материал, содержащий 0,15 - 0,3 мас.% углерода, температуру рекристаллизации 650 - 850^oC и твердость по Виккерсу 1830 - 2020 МПа, что существенно выше, чем для традиционных электротехнических бронз и для известного материала системы Cu-Al-O. Предлагаемый материал обладает достаточной электропроводностью - 40 - 54% от электропроводности меди.

Соотношение компонентов предложенного материала подобрано экспериментально.

При содержании в материале < 0,4 мас.% алюминия твердость по Виккерсу составляет не более 1600 МПа, а электропроводность - не более 60% от электропроводности меди (фиг. 1 и 2).

При содержании алюминия в материале > 1,0 мас.% твердость по Виккерсу - 2250 МПа, а электропроводность менее 30% от электропроводности меди (фиг. 1 и 2).

При содержании углерода в материале < 0,15 мас.% электропроводность ДУКМ снижается до 27% от электропроводности меди, твердость составляет 1700 МПа по Виккерсу (фиг. 3 и 4).

При содержании углерода в материале > 0,3 мас.% твердость составляет 1900 МПа, а электропроводность снижается до 30% от электропроводности меди (фиг. 3 и 4).

При содержании кислорода в дисперсно-упрочненном композиционном материале > 0,20 мас.% снижается электропроводность до 30% от электропроводности меди.

Содержание кислорода в предложенном материале < 0,1 мас.% при заявляемых соотношениях других компонентов материала не достижимо по технологии получения ДУКМ.

Предлагаемый материал имеет более высокую твердость, износостойкость и практически достаточную электропроводность, что обеспечивает другой технический результат, и, таким образом, отвечает критерию "изобретательский уровень".

Материал опробован в промышленном масштабе и иллюстрируется примерами практического осуществления.

Пример 1. Изготовлен материал, содержащий 0,4 мас.% алюминия, 0,3 мас.% углерода, 0,1 мас.% кислорода и 99,2 мас.% меди.

Материал получают из смеси порошков меди с размером частиц 40 мкм, алюминия 75 мкм, углерода 35 мкм с удельной поверхностью 100 м²/г.

Способ производства ДУКМ включает в себя 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.

Твердость материала составляет 1930 МПа по Виккерсу, электропроводность 40% от электропроводности меди.

Пример 2. Вышеописанным способом (пример 1) изготовлен материал с содержанием компонентов, мас.%: алюминий 0,5; углерод 0,2; кислород 0,2; медь 99,1.

Материал имеет твердость по Виккерсу 1910 МПа и электропроводность 54% от электропроводности меди.

Пример 3. Вышеописанным способом (пример 1) изготовлен материал с содержанием компонентов, мас.%: алюминий 1,0; углерод 0,15; кислород 0,2; медь 98,65.

Материал имеет твердость по Виккерсу 2000 МПа и электропроводность 38% от электропроводности меди.

Из предлагаемого материала были изготовлены токоподводящие наконечники для электродуговой сварки M10 40 с расходуемой проволокой 1,2 мм.

Токоподводящие наконечники были изготовлены также из материала, который содержит алюминий и углерод в количествах, не соответствующих заявляемым; из технически чистой меди, хромистой и хромистоциркониевой бронз. Были получены по известным из уровня техники технологиям прутки из материала системы Cu-Al-O, из которых также были изготовлены токоподводящие наконечники.

Стендовые испытания были проведены на тракторном заводе с роботосварочной линией в среде углекислого газа при параметрах сварки: напряжении 32 - 34 В и сварочном токе 320 - 350 А.

Критерием срока службы токоподводящих наконечников была выбрана масса проволоки, израсходованной за время устойчивого процесса сварки, характеризующегося непрерывным горением дуги.

В таблице приведены результаты испытаний, которые показывают, что токоподводящие наконечники, изготовленные из предлагаемого дисперсно-упрочненного композиционного износостойкого при повышенных температурах материала на основе порошковой меди имеют более продолжительный срок службы, чем детали с содержанием алюминия и углерода, которое не соответствует заявляемым величинам, а также из других известных материалов на основе меди.

Кроме этого, наконечники из предлагаемого композиционного материала обладают существенно меньшей склонностью к свариванию с проволокой.

Положительные результаты испытаний материала позволяют считать изобретение промышленно применимым.

Преимуществом промышленного применения материала являются более высокие эксплуатационные характеристики материала.