способ изготовления изделий на основе псевдосплавов вольфрам-медь и молибден-медь

Формула изобретения

Способ изготовления изделий на основе псевдосплавов вольфрам-медь или молибден-медь, включающий приготовление вольфрамовой или молибденовой шихты, прессование заготовок, спекание заготовок до получения вольфрамовых или молибденовых каркасов и пропитку спеченных каркасов медью, отличающийся тем, что перед пропиткой каркасов их поверхность за исключением участков, через которые производят пропитку медью, покрывают как минимум монослоем материала, устойчивого к температуре пропитки и не смачиваемого расплавленной медью.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, усовершенствует технологический процесс производства изделий из псевдосплавных материалов состава вольфрам-медь и молибден-медь для целей общего и специального назначения.

Известен способ получения композиционного материала (Патент РФ № 2373300 от 17.01.2006 г.), содержащего мас.%: 69-71 вольфрама, 0,05-0,15 марганца, 0,1-0,3 никеля, 0,03-0,14 лития, 0,2-0,3 кремния и медь - остальное, в котором исходные порошки смешивают, прокатывают в полосы, полосы спекают и прокатывают, после чего их собирают в пакет с чередованием полос вдоль и поперек направления прокатки, сжимают до сплошного соприкосновения соединяемых поверхностей полос во время нагрева и нагревают до температуры 1200-1300°С. Способ позволяет получать псевдосплавный композиционный материал без расслоения, с достаточной пластичностью и изотропными физико-механическими свойствами в плоскости полос и с КЛТР, близкими к КЛТР алюмооксидной керамики.

Изделия, изготовленные из композиционного материала, полученного в соответствии с приведенным способом, взятым за аналог, имеют высокую себестоимость из-за сложности технологического процесса и требуемого оборудования. Введение в композицию вольфрам-медь дополнительных элементов снижает ее электропроводность и теплопроводность, обеспечиваемые наличием в псевдосплаве меди. Известно, что все примеси в меди повышают ее электросопротивление. Например, добавление в медь марганца в количестве 0,1% увеличивает сопротивление меди на 25%. (О.Е.Осинцев, В.Н.Федоров. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки. Справочник. - М.: Машиностроение, 2004 г. Стр.16, стр.19.)

Известен также способ изготовления деталей из псевдосплавных материалов состава вольфрам-медь и молибден-медь для производства корпусов электронных устройств (см. патент США № 20100092327, опубл. 15.04.2010, МПК B22F/24). В данном способе, принятом за прототип, порошок вольфрама или молибдена формуют со связкой путем прессования в компакт. Затем полученные компакты вольфрама или молибдена последовательно спекают и пропитывают предварительно рассчитанным количеством меди при температуре выше температуры плавления меди. На заключительной стадии процесса избыток меди на поверхностях изделий после пропитки удаляется с помощью химического раствора путем его распыления под давлением.

Недостатки способа заключаются в потенциальной невозможности получения максимального качества изделий и применении технохимических операций, увеличивающих себестоимость изделий и приводящих к отрицательному воздействию на окружающую среду.

Целью изобретения является уменьшение вредного воздействия на окружающую среду технологического процесса изготовления изделий при одновременном улучшении качественных характеристик и снижении себестоимости изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления изделий на основе псевдосплавов вольфрам-медь и молибден-медь, включающем приготовление вольфрамовой или молибденовой шихты, прессование заготовок, спекание заготовок до получения вольфрамовых или молибденовых каркасов и пропитку спеченных каркасов медью, перед пропиткой каркасов их поверхность за исключением участков, через которые производится пропитка медью, покрываются, как минимум, монослоем материала, устойчивого к температуре пропитки и не смачиваемого расплавленной медью.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При соприкосновении расплавленной меди с поверхностью вольфрамового или молибденового каркаса в результате смачивания происходят два процесса: проникновение меди во внутренний объем вследствие воздействия капиллярных сил и ее поверхностная диффузия. При этом скорость поверхностной диффузии значительно превышает скорость капиллярных процессов. Вследствие этого пропитываемый каркас покрывается сплошным медным слоем, препятствующим выходу из внутреннего объема газообразных веществ, например, остатков защитной или восстановительной среды, в которой ведется пропитка, продуктов разложения оксидов, присутствующих в материале каркаса.

В результате перечисленного конечное изделие содержит поры и участки молибдена или вольфрама, не смоченные медью, что приводит к ухудшению и анизотропии его физических и технических параметров (Л.И.Тучинский. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки. - М.: Металлургия. 1986, с.148-149).

Предлагаемый в приведенной литературе способ пропитки спеченных вольфрамовых и молибденовых каркасов с помощью подачи меди сверху или снизу порциями практически нереализуем для изделий с размерами, характерными для электроники, а в случае пропитки крупногабаритных изделий неоправданно затрудняет и удорожает технологический процесс их получения.

В способе-прототипе, не лишенном описанных недостатков, предложен метод устранения удаления избыточного слоя меди с поверхности изделия - закономерного следствия общепринятого технологического процесса пропитки вольфрамовых и молибденовых каркасов.

В силу целого ряда причин - разброс веса исходного порошка вольфрама или молибдена, разброса параметров пористости после спекания и т.д., технологически невозможно осуществление абсолютно точной дозировки меди для пропитки каждого каркаса. Поэтому навеску меди для пропитки всегда приходится делать с избыточным весом. После операции пропитки избыточная медь выступает на всех поверхностях пропитываемого каркаса, причем под воздействием сил поверхностного натяжения она стремится принять каплевидную форму, т.е. медный слой утолщается от границ поверхности к ее середине. Вследствие этого у изделия отсутствуют плоские поверхности, которые можно принять за «базовые» при установке деталей в оснастку для последующей механической обработки.

Предложенный в способе-прототипе метод химического вытравливания избыточной меди позволяет в конечном итоге получить «базовые» поверхности, однако ему сопутствует ряд отрицательных факторов.

Если даже не принимать во внимание краевые эффекты и считать, что травление меди в химическом растворе идет с одинаковой скоростью на краевых и центральных участках, то при полном вытравливании более толстого слоя в центре будет удалена медь из объема вольфрамового или молибденового каркаса на его окраинных участках и эти участки потеряют свойства псевдосплава. Вследствие этого потребуется механическая обработка поверхности для снятия обедненного медью слоя вольфрама или молибдена, что приведет к повышенному износу режущего инструмента, а также расходу вольфрама или молибдена.

Кроме того, применение технохимических операций требует организации специальных условий труда, приводя в итоге к загрязнению окружающей среды и удорожанию изделий.

Отличием предлагаемого способа является устранение причины перечисленных недостатков - опережающей капиллярную пропитку диффузии меди по поверхности пропитываемого вольфрамового или молибденового каркаса. При этом одновременно устраняется возможность избыточного выхода меди на поверхность пропитываемого вольфрамового или молибденового каркаса, что при дальнейшей механической обработке позволяет легко базировать деталь по одной из поверхностей, а также снимать минимальное количество материала и более экономно расходовать обрабатывающий инструмент. Кроме того, исчезает необходимость применения технохимических операций.

Предлагаемый способ изобретения осуществляют следующим образом.

Порошок вольфрама или молибдена формуют со связующим веществом путем прессования в компакт. Из полученного компакта выжигают связующее вещество и спекают до необходимой пористости в защитной атмосфере в едином технологическом цикле. После спекания получается вольфрамовый или молибденовый каркас, на стороны которого наносят слой температуростойкого несмачиваемого медью материала. При этом одну из сторон оставляют свободной для последующей пропитки. Для пропитки вольфрамовый или молибденовый каркас свободной от защитного покрытия стороной приводят в контакт с заранее рассчитанной и подготовленной медной навеской, после чего в защитной атмосфере проводят пропитку при температуре выше температуры плавления меди.

Поскольку монослой немачиваемого медью материала уже экранирует поверхность вольфрамового или молибденового каркаса от соприкосновения с расплавленной медью, то его толщина может быть принята за нижнюю границу толщины. Верхняя граница толщины принципиального значения не имеет и определяется технологическими возможностями производителя изделий и целесообразностью расходования несмачиваемого медью материала.

Пример 1. Из промышленного порошка молибдена с 1,5% водным раствором поливинилового спирта в качестве связующего вещества готовили шихту. Полученную шихту прессовали в компакт с размерами 54×33×3,2 мм, из которого выжигали поливиниловый спирт, а затем спекали в защитной атмосфере водорода при температуре 1523 К до получения молибденового каркаса с пористостью 33%. На поверхности каркаса при помощи войлочного круга наносили слой порошкового графита, оставляя одну сторону свободной для пропитки медью. Из листовой меди готовили навеску меди весом 0,49 г. Затем молибденовый каркас устанавливали свободной от графита стороной на медную навеску и пропитывали каркас в защитной атмосфере водорода при температуре 1523 К. После пропитки каркас базировали по свободной от наплывов меди стороне на столе фрезерного станка для последующей обработки.

Полученное изделие представляло собой псевдосплавную пластину состава Mo70%-Cu30% с размерами 50×30×3 мм.

Пример 2. Аналогично примеру 1 за исключением того, что в качестве защитного покрытия применялась графитовая краска ЛПГ-10 (ТУ 2243-002-80451870-2009), которая наносилась на поверхности твердого каркаса путем распыления пульверизатором.

Применение заявляемого экологически безопасного способа производства изделий из псевдосплавных материалов состава вольфрам-медь и молибден-медь позволяет получать детали с плотностью до 99,3-100% теоретической, отсутствием анизотропии свойств и сниженной себестоимостью. При выпуске 500 кг деталей в месяц годовой экономический эффект превысит 40 млн руб.