ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЙ МАТЕРИАЛ НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ СВАРОЧНОЙ ТЕХНИКИ Российский патент 1998 года по МПК B23K35/30 C22C9/00 

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к составам материалов для электродов контактной сварки и токоподводящих наконечников дуговой электросварки плавящимся электродом в среде защитных газов.

Указанные детали работают в условиях абразивного и электроэрозионного износа при воздействии высоких нагрузок и температур (до 800 - 900^oC), а также в контакте с жидкими (расплавленными) металлами, что требует от используемых при этом материалов высокой стойкости к разупрочнению при повышенных температурах, высокой стойкости к износу при одновременно хорошей тепло- и электропроводности.

Характеристикой, отражающей стойкость материала к разупрочнению при повышенных температурах, как правило, служит температура начала рекристаллизации материала.

Благодаря высокой тепло- и электропроводности медь - ценный материал в электротехнике. Основной ее недостаток - малую прочность - преодолевают наклепом, легированием, термической и термомеханической обработкой.

Однако наклеп можно использовать для упрочнения меди лишь в условиях работы при невысоких температурах, т.к. выше примерно 200^oC начинается процесс ее рекристаллизации [1].

Упрочнение меди твердым раствором при ее легировании для получения сплавов, используемых в электросварочной технике, малоприемлемо, т.к. растворение большинства легирующих элементов, достаточных для эффективного упрочнения меди, приводит к существенному снижению ее тепло- и электропроводности.

Более эффективно дисперсионное твердение, при котором матрица отожженного или состаренного сплава представлена практически чистой медью с высокой тепло- и электропроводностью и второй фазой меньшей тепло- и электропроводности. Тепло- и электропроводность двухфазных смесей значительно меньше, а температура начала рекристаллизации существенно выше, чем у твердых растворов при той же концентрации легирующего элемента в сплаве, и в идеальном случае подчиняется закону аддитивности.

Дисперсионно твердеющие хромовые бронзы, содержащие обычно от 0,4 до 1,0 мас. % Cr, обладают высокой тепло- и электропроводностью после закалки и старения. Хром мало растворим в меди и поэтому после старения структура хромовых бронз представлена почти чистой медью и небольшим количеством (по объему) выделений хрома. При такой структуре сохраняется высокая тепло- и электропроводность, составляющая примерно 805 от тепло- и электропроводности меди. Хромовые бронзы имеют высокое сопротивление ползучести, хорошо сопротивляются износу [1].

Еще более высоким сочетанием свойств отличаются дисперсионно твердеющие бронзы, одновременно легированные и хромом, и цирконием [2]. Введение сотых долей процента циркония в сплавы меди с 0,4 - 1,0 мас.% Cr приводит к существенному повышению температуры начала рекристаллизации, прочности и жаропрочности.

Структура этих сплавов в состаренном состоянии состоит из почти чистой меди и выделений хрома. Находящийся в твердом растворе цирконий уменьшает диффузионную подвижность хрома и поэтому задерживает коагуляцию выделений хрома, что и обусловливает более высокую жаропрочность хромоциркониевых бронз по сравнению с хромовыми бронзами.

Однако, температура рекристаллизации указанных сплавов не превышает 500 - 600^oC, что обусловлено растворимостью упрочняющих частиц при этой температуре в меди [2].

Известны [3] также материалы на медной основе, называемые дисперсно-упрочненными и содержащие в качестве упрочняющих частиц оксиды, карбиды, бориды и другие тугоплавкие соединения, которые не взаимодействуют с медью и не растворяются в ней вплоть до ее плавления.

Материалы обладают высокими физико-механическими характеристиками, однако, имеют высокую стоимость обусловленную в основном длительными окислительно-восстановительными отжигами, которые лежат в основе большинства технологий их получения.

Наиболее близким материалом к заявляемому является дисперсно-упрочненный материал на основе меди, содержащий 0,4 - 1,0 мас.% алюминия и 0,15 - 0,3 мас. % углерода [4] , который получают путем обработки исходной порошковой шихты в шаровой мельнице, холодного компактирования полученного в мельнице продукта (гранул) в брикеты, нагрев брикетов до температуры 880^oC и экструзию их с этой температуры в пруток или профиль. Алюминий при этом используется как оксидо- и карбидообразующий элемент, который в процессе получения материала, реагируя с кислородом и углеродом, образует ультрадисперсные частицы оксида и карбида алюминия. Конечная структура материала представляет собой практически чистую медь, в которой равномерно распределены ультрадисперсные частицы Al₂O₃, Al₄C₃ и C, не реагирующие с медью и не растворяющиеся в ней вплоть до ее плавления.

Благодаря наличию в материале трех разнородных упрочняющих фаз, уменьшена их склонность к коагуляции, в связи с чем материал обладает высокой температурой начала рекристаллизации, которая составляет 650 - 800^oC. Кроме этого, материал имеет высокие прочностные показатели, а также, благодаря находящемуся в материале свободному углероду в ультрадисперсной форме, противоадгезионные и антифрикционные свойства.

Однако, как показали исследования, материал имеет низкие значения тепло- и электропроводности, недостаточную жаропрочность и износостойкость, что снижает его эксплуатационные характеристики.

Задача изобретения состоит в создании дисперсно-упрочненного материала на основе меди для сварочной техники с более высокими, чем у материала, выбранного в качестве прототипа, значениями тепло- и электропроводности, температуры начала рекристаллизации и износостойкости.

Заявляемый дисперсно-упрочненный материал, содержащий медь, углерод и оксидо- и карбидообразующий элемент, в качестве оксидо- и карбидообразующего элемента содержит хром, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром - 0,4 - 6,0
Углерод - 0,1 - 1,5
Медь - Остальное
Процесс получения материала состоит в следующем.

Смесь порошков указанных веществ подвергают размолу и механохимической активации в высокоэнергетической шаровой мельнице, полученный продукт (гранулы) вхолодную компактируют в брикеты, которые затем нагревают до температуры 750^oC и в этом состоянии экструдируют в прутки или профили. Весь процесс проводится на воздухе без применения каких-либо защитных или других газов. В процессе размола и механохимической активации порошков и дальнейшей их термодеформационной обработки происходит взаимодействие хрома с углеродом и кислородом воздуха с образованием ультрадисперсных частиц оксидов и карбидов хрома. Как показали проведенные исследования, упрочняющими фазами в заявляемом материале в состоянии после экструзии являются оксид Cr₂O₃ и карбиды Cr₃C₂ и Cr₇C₃. Кроме того, материал также содержит свободный углерод в ультрадисперсном виде, который, дополнительно упрочняя материал, повышает его противоадгезионные и антифрикционные свойства.

Если подвергнуть материал так же, как и хромовые или хромоциркониевые бронзы закалке и старению, то к трем уже вышеуказанным упрочняющим фазам добавится еще одна - выделения хрома, что приводит к дополнительному упрочнению материала.

Таким образом, в заявляемом материале сосуществуют два механизма упрочнения: дисперсное упрочнение и дисперсионное твердение, обеспечивающие в итоге материалу чрезвычайно высокие показатели температуры начала рекристаллизации и износостойкости при более высокой, чем у материала, выбранного в качестве прототипа, тепло- и электропроводности.

Пример. Были приготовлены по 32 состава порошковой смеси материала-прототипа и заявляемого материала с содержанием в них соответственно алюминия и хрома по 0,4; 0,8; 1,6; 3,0; 6,0 мас.% и углерода 0; 0,05; 0,10; 0,20; 0,30; 0,40; 0,50; 0,75; 1,00; 1,25; 1,50 мас. %.

По вышеприведенным технологиям из указанных смесей были получены горячепрессованные прутки материала-прототипа и заявляемого, из которых были изготовлены стандартные образцы для определения электропроводности, теплопроводности и температуры начала рекристаллизации материалов.

Электропроводность определялась при комнатной температуре, а теплопроводность - в интервале температур от 20^oC до 400^oC. Измерения показали, что для исследуемых материалов значения электропроводности и теплопроводности относительно соответствующих значений меди совпадают (разница не превышает 5 - 10%). Поэтому, на фиг. 1 и фиг. 2 приведены графики зависимости лишь электропроводности ρ_эл соответственно заявляемого материала и материала-прототипа от содержания в них оксидо- и карбидообразующего металла и углерода.

Анализ указанных графиков показывает, что так же, как и у материала-прототипа, у заявляемого материала для каждого конкретного содержания легирующего металла существует определенное количество углерода, при котором наблюдаются максимальные значения тепло- и электропроводности материала.

Однако, у заявляемого материала эти значения значительно выше, чем у материала-прототипа, что обусловлено меньшей растворимостью хрома в мели, чем алюминия. Например, заявляемый материал с содержанием хрома 0,8 мас.% и углерода 0,1 мас.% обладает электропроводностью (теплопроводностью) 70% от соответствующего значения чистой меди, тогда как материал-прототип с таким же содержанием алюминия и углерода имеет всего лишь 45%.

Анализ графиков на фиг. 1 и фиг. 2 также показывает, что во всем диапазоне выбранных значений содержания хрома (0,4 - 6,0 мас.%) и углерода (0,1 - 1,5 мас.%) заявляемый материал имеет более высокие показатели электропроводности и теплопроводности, чем материал, выбранный в качестве прототипа, при равных количествах легирующих элементов.

На фиг. 3 и фиг. 4 представлены графики зависимости температуры начала рекристаллизации T_р соответственно заявляемого материала и материала-прототипа от содержания в них компонентов, которые показывают, что во всем диапазоне содержания хрома (0,4 - 6,0 мас.%) и углерода (0,1 - 1,5 мас.%) и при одинаковом содержании легирующих элементов в материалах температура начала рекристаллизации заявляемого материала существенно выше, чем у материала-прототипа. Например, максимальное значение температуры начала рекристаллизации заявляемого материала составляет 950^oC, тогда как у материала-прототипа - лишь 800^oC.

Пример. С целью определения износе стойкости заявляемого материала так же, как и в предыдущем примере, были изготовлены горячепрессованные прутки из заявляемого материала и из материала, выбранного в качестве прототипа, но их диаметр был равен 30 мм. Из этих прутков изготавливались сегментные образцы, которые в паре с контртелом из углеродистой стали, по составу соответствующей сварочной проволоке Св-08, испытывались на износ на машине трения СМЦ-2.

Скорость трения составляла 1 м/с, нагрузка - 100 Н.

Износ образцов (потеря массы) из заявляемого материала Δm_з и из материала-прототипа Δm_n определялся путем их взвешивания перед испытанием и через определенное количество пройденного пути и вычитания из первого значения второго.

Износ заявляемого материала по отношению к износу материала-прототипа рассчитывается по формуле:
.

На фиг. 5 приведены графики зависимости износа заявляемого материала по отношению к износу материала-прототипа содержания в них оксидо- и карбидообразующего элемента и углерода при одинаковом их количестве в каждом из материалов для каждого значения . Путь пройденный, каждым образцом, составлял 3000 м.

Как следует из приведенных на фиг. 5 графиков, заявляемый материал во всем исследованном диапазоне содержаний оксидо- и карбидообразующего элемента и углерода значительно превосходит материал, выбранный в качестве прототипа, по износостойкости, причем, тем больше, чем больше в нем содержание хрома и углерода, ибо оба эти элемента, как известно [1], способствуют снижению износа медных материалов, содержащих их.

Таким образом, приведенные на фиг. 1 - фиг. 5 графики подтвердили, что дисперсно-упрочненный материал на основе меди, содержащий 0,4 - 6,0 мас.% Cr и 0,1 - 1,5 мас.% C, действительно превосходит по тепло- и электропроводности, температуре начала рекристаллизации и износостойкости дисперсно-упрочненный материал на основе меди системы Cu-Al-C, выбранный в качестве прототипа.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания формулы изобретения.

1. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учебное пособие для вузов/ Б.А.Колачев, В.А.Ливанов, В.И.Елагин. Изд. 2-е, испр. и доп. - М.: Металлургия, 1981. - 416 с.

2. Справочник по обработке цветных металлов и сплавов / А.П.Смирягин, Н. З.Днестровский, А.Д.Ландиков и др. Под ред. Л.Е.Миллера. - М.: Металлургиздат, 1961. - 872 с.

3. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы. Под ред. В.Шатта. Пер. с нем. - М.: Металлургия, 1983. - 520 с.

4. Шалунов Е.П., Матросов А.Л. Высокоресурсные токоподводящие наконечники для сварки проволочным электродом в среде защитных газов и материал для их изготовления / Информлисток N 418-96. - Чебоксары: ЧувЦНТИ, 1996. - 3 с.

Задачей изобретения является создание материала с высокими значениями тепло- и электропроводности, температуры рекристаллизации и устойчивости к износу для электродов контактной сварки и токоподводящих наконечников электродуговой сварки плавящимся электродом. Дисперсно-упрочненный материал на медной основе для сварочной техники содержит следующие компоненты в мас.%: хром 0,4 - 6,0, углерод 0,1 - 1,5, медь - остальное. 5 ил.

Дисперсно-упрочненный материал на медной основе для сварочной техники, содержащий медь, углерод, оксидо- и карбидообразующий элемент, отличающийся тем, что в качестве оксидо- и карбидообразующего элемента он содержит хром при следующем соотношении компонентов, мас.

Хром 0,4 6,0
Углерод 0,1 1,5
Медь Остальноеа