ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ Российский патент 1998 года по МПК B23K35/30 C22C9/00 

Изобретение относится к электросварочному производству, в частности, к составам материалов для электродов контактной точечной сварки, преимущественно низколегированных и низкоуглеродистых сталей.

Известно, что электроды контактной сварки подвергаются циклическому воздействию больших сжимающих усилий при высоких температурах. При этом происходит рекристаллизация материала поверхностных слоев электрода, сопровождающаяся образованием внутризеренных и межзеренных трещин, что приводит к деформации электрода, нарушению режимов сварки и, как следствие этого, - к некачественному сварному соединению.

Для материала электрода, предназначенного для сварки деталей и конструкций из низколегированных и низкоуглеродистых сталей, первостепенное значение имеют его температура рекристаллизации и стойкости к взаимному переносу, а также твердость и электропроводность /1/.

Для сварки деталей и конструкций из указанных сталей применяются медные сплавы, содержащие кадмий, хром и цирконий, которые, повышая прочностные характеристики меди, однако, незначительно снижают ее электропроводность. При этом температура рекристаллизации указанных материалов остается весьма низкой, например, для бронзы БрХЦр (Cr:0,5-1,0 мас.%; Zr:0,03-0,08 мас.%) она не превышает 500^oC /2/, тогда как поверхностные слои электродов разогреваются до 600-800^oC.

Известны также дисперсно-упрочненные материалы, содержащие медь, а также алюминий, магний, титан, бериллий, образующие в материалах упрочняющие фазы в виде оксидов алюминия, магния, титана и бериллия /3/.

Материалы обладают высокими значениями электропроводности, температуры рекристаллизации и жаропрочности. Получают их преимущественно методом "внутреннего окисления", для которого характерны длительные технологически сложные окислительно-восстановительные отжиги с применением водорода и других защитных и восстановительных атмосфер. Этим обусловлен основной недостаток указанных материалов - их высокая стоимость.

Наиболее близким материалом к предлагаемому является дисперсно-упрочненный материал на медной основе, содержащий 0,4-1,0 мас.% алюминия и 0,15-0,3 мас. % углерода /4/. Алюминий при этом использован в качестве оксидо- и карбидообразующего элемента, который в процессе получения материала, реагируя с кислородом воздуха и углеродом, образуют мелкодисперсные частицы оксида и карбида алюминия Al₂O₃ и Al₄C₃. Благодаря наличию разнородных фазоупрочнителей, которые менее подвержены процессам коагуляции, чем однородные упрочняющие фазы, температура рекристаллизации материала достигает 800^oC.

Материал обладает твердостью по Виккерсу в проделах 1600-1800 МПа и электропроводностью в пределах 45-50% от электропроводности меди.

Однако, как показали проведенные рентгеноструктурный и химический анализы материала, алюминий не полностью вовлекается в процессы оксидации и карбидизации, образуя твердый раствор с медью, что препятствует получению материала с большей электропроводностью, твердостью и температурой рекристаллизации. Это обусловлено значительной растворимостью алюминия в меди.

Цель изобретения - получение материала с более высокими значениями электропроводности, твердости и температуры рекристаллизации, а также ресурса работы изготовленных из него электродов для контактной точечной сварки деталей и конструкций из низколегированных и низкоглеродистых сталей.

Предлагаемый дисперсно-упрочненный материал, содержащий медь, углерод, оксидо- и карбидообразующий элемент, в качестве оксидо- и карбидообразующего элемента содержит титан, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Титан - 1,2-2,8
Углерод - 0,1-0,3
Медь - Остальное
Материал получают следующим образом.

Смесь указанных порошков металлов и углерода обрабатывают в высокоэнергетической шаровой мельнице, полученный продукт (гранулы) компактируют входную в брикеты, которые затем нагревают до температуры 890^oC и в этом состоянии экструдируют в протки или профили. В ходе этого процесса благодаря интенсивному механическому измельчению и механохимической активации компонентов шихты в шаровой мельнице происходит взаимодействие титана с углеродом, а также с кислородом воздуха, поскольку все операции проводятся без применения каких-либо защитных атмосфер. В результате, как показали химический, ренгенофазовый и стереологический анализы, упрочняющими частицами в предлагаемом материале являются мелкодисперстные частицы карбида TiC и оксида TiO₂ титана. При этом так же, как и в материале-прототипе, наблюдается присутствие остаточного графита (углерода), который, кроме дополнительного упрочнения материала, также повышает его противоадгезионные свойства и снижает переходное сопротивление в контакте, обеспечивая тем самым качественное сварное соединение.

Пример 1. По технологиям, приведенным выше, были изготовлены прутки диаметром 13 мм из материала-прототипа двух составов (Cu-1,2 мас.%, Al-0,3 мас. % C и Cu-2,8 мас.%-0,3 мас.% C) и предлагаемого материала, также двух составов (Cu-1,2 мас.%, Ti-0,3 мас.% C и Cu-2,8 мас.%, Ti-0,3 мас.% C), причем суммарное содержание титана и углерода в шихте обоих материалов было одинаковым: соответственно 1,5 мас.% и 3,1 мас.%. Прутки были подвергнуты рентгеноструктурному и химическому анализам для определения количества соответственно алюминия и титана в альфа-твердом растворе меди. По данным проведенных указанных анализов определялись периоды решеток материалов, по которым рассчитывалось количество растворенных компонентов в меди. Данные расчетов приведены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что у материала-прототипа более 50% количества алюминия содержится в твердом растворе с медью, тогда как у предлагаемого материала количество титана, вошедшее в альфа- твердый раствор, составляет лишь 25 - 40% от количества титана в шихте.

Как следствие этого, предлагаемый материал обладает более высокими значениями электропроводности и температуры рекристаллизации. Результаты испытаний показали, что, например, материал, содержащий 1,2 мас.% титана и 0,3 мас. % углерода, имеет электропроводность 68% от электропроводности меди и температуру рекристаллизации, равную 950^oC, против соответственно 30% и 800^oC у материала-прототипа с содержанием алюминия 1,2 мас.% и углерода 0,3 мас.% (табл. 2).

Для определения твердости и электропроводности предлагаемого материала были приготовлены 35 составов порошковой смеси с содержанием в ней 0,8; 1,2; 1,6; 2,0; 2,4; 2,8; 3,2 мас.% титана и 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 мас.% углерода.

Порошковые смеси были обработаны в аттриторе в течение 100 мин, из полученных гранул в холодную отпрессованы брикеты диаметром 55 мм и высотой 100 мм, которые затем после нагрева на воздухе до температуры 890^oC с этой температуры были экструдированы в прутки диаметром 17 мм.

Из прутков изготавливались стандартные образцы для определения твердости и электропроводности.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлены графики зависимости соответственно электропроводности и твердости материала по Виккерсу от содержания в шихте углерода и титана.

Из анализа графиков следует, что:
а) оптимальным является содержание углерода в пределах 0,10-0,3% мас., где наблюдаются максимальные значения как электропроводности, так и твердости;
б) оптимальным является содержание титана в пределах 1,2-2,8 мас.%, поскольку при содержании титана менее 1,2 мас.% материала обладает низкой твердостью (ниже твердости материала-прототипа), а содержание титана более 2,8 мас.% приводит к снижению его электропроводности;
в) при указанном содержании компонентов в шихте материал обладает электропроводностью в пределах 40-68% от электропроводности меди и твердостью по Виккерсу в пределах 2000-2480 МПа, что значительно выше соответствующих значений материала-прототипа.

Пример 2. Для определения ресурса работы электродов контактной сварки были изготовлены электроды по ГОСТ 14111-90 из прутков БрХЦр, материала-прототипа и предлагаемого материала различных составов.

Испытания проводились на контактной сварочной машине МТ-1215 при сварке стали 08Ю толщиной 0,8+0,8 мм по следующим режимам:
I_св.=10-11 кА; P_св.=230 кГс; t_св.=7 пер.; темп сварки 40 точек/мин.

Составы испытанных материалов и результаты их испытаний представлены в табл. 3.

Приведенные в табл. 3 данные показывают, что электроды контактной сварки, изготовленные из предлагаемого материала состава 1,2-2,8 мас.% титана и 0,1-0,3 мас.% углерода, действительно имеют ресурс, превышающий ресурс электродов из бронзы БрХЦр и материала-прототипа.

Как следует из приведенных данных, введение титана в качестве оксидо- и карбидообразующего элемента в материал, содержащий медь и углерод, позволяют значительно поднять его электропроводность, твердость и температуру рекристаллизации, что обусловлено меньшей растворимостью титана в меди, чем алюминия. Благодаря вышеописанным преимуществам предлагаемого материала электроды контактной сварки, изготовленные из него, имеют значительно более высокий ресурс работы, чем электроды из известных сплавов и из дисперсно-упрочненного материала, выбранного в качестве прототипа.

Источники информации:
1. Кабанов Н.С. Сварка на контактных машинах. - М.: Высшая школа, 1985, 271 с.

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

3. Данелия Е.П., Розенберг В.М. Внутреннеокисленные сплавы. - М.: Металлургия, 1978, 232 с.

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

Цель изобретения - создание материала с высокими значениями твердости, электропроводности и температуры рекристаллизации для электродов точечной контактной сварки, обладающих высоким ресурсом работы. Дисперсно-упрочненный материал для электродов контактной сварки содержит следующие компоненты, мас.%: титан 1,2 - 2,8, углерод 0,1 - 0,3, медь - остальное. 2 ил., 3 табл.

Дисперсно-упрочненный материал для электродов контактной сварки, преимущественно для сварки низколегированных и низкоуглеродистых сталей, содержащий медь, углерод, оксидо- и карбидообразующий элемент, отличающийся тем, что в качестве оксидо- и карбидообразующего элемента он содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.

Титан 1,2 2,8
Углерод 0,1 0,3
Медь Остальноер