ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК C22C9/00 C22C1/10 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к дисперсно-упрочненным композиционным материалам на основе меди, и может быть использовано в машиностроении, химической и электротехнической промышленности, например, для изготовления деталей сварочной техники.

Вариант 1
Известен дисперсно-упрочненный композиционный материал (пат. РФ N 2117064, МКИ⁶ C 22 C 9/00, 32/00, з. 13.05.97 г.), содержащий медь, гидрид титана, углерод и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Титан - 1-4
Гидрид титана - 0,5-1,0
Углерод (графит) - 0,15-0,35
Медь - Остальное
Недостатком данного дисперсно-упрочненного композиционного материала является высокая электрохимическая эрозия материала электродов, прилипание контактной поверхности электродов к свариваемым материалам, что является причиной недостаточной стойкости электродов при контактной точечной сварке конструкционных, нержавеющих сталей, а также цветных металлов и недостаточно высокое качество сварки. Происходит облатунивание поверхности пятна контакта, что особенно недопустимо при сварке покрытых сталей и цветных металлов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является дисперсно-упрочненный композиционный материал на основе меди (пат. РФ N 2109834, МКИ⁶ C 22 C 9/01, з. 29.10.96), содержащий медь, алюминий, углерод и гидрид титана при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Алюминий - 0,15-0,75
Углерод (графит) - 0,15-0,35
Гидрид титана - 0,30-0,75
Медь - Остальное
Недостатком данного дисперсно-упрочненного композиционного материала является высокая электрохимическая эрозия материала электродов, прилипание контактной поверхности электродов к свариваемым материалам, что является причиной недостаточной стойкости электродов при контактной точечной сварке конструкционных, нержавеющих сталей, а также цветных металлов и недостаточно высокое качество сварки. Происходит облатунивание поверхности пятна контакта, что особенно недопустимо при сварке покрытых сталей и цветных металлов.

В основу изобретения поставлена задача получения дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе меди с высокими физико-механическими свойствами, а также устранение электрохимической эрозии электродов за счет образования на их контактной поверхности прочной оксидной пленки.

Решение данной задачи позволит улучшить эксплуатационные характеристики электродов, повысить их стойкость, улучшить качество сварки, устраняя прилипание контактной поверхности электродов к свариваемым материалам, что особенно важно при сварке цветных металлов и покрытых сталей (например, оцинкованных), так как не происходит облатунивания поверхности пятна контакта.

Поставленная задача решается тем, что в дисперсно-упрочненный композиционный материал, содержащий медь, алюминий, углерод, гидрид титана, дополнительно вводят магний, содержащийся в составе сплава или лигатуры с алюминием или медью, при следующем содержании компонентов, мас.%:
Алюминий - 0,15-0,75
Углерод (графит) - 0,15-0,35
Гидрид титана - 0,30-0,75
Магний - 0,10-0,30
Медь - Остальное
Сопоставительный анализ заявляемого материала с прототипом (пат. РФ N 2109834) позволит сделать вывод, что заявляемый дисперсно-упрочненный композиционный материал отличается от известного дополнительным введением в состав материала магния.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое решение не известно из уровня техники, что свидетельствует о его соответствии критерию "НОВИЗНА".

Введение магния в состав дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе меди снижает электрохимическую эрозию и прилипание электродов к свариваемой поверхности за счет образования при высокой температуре прочной оксидной пленки на контактной поверхности электродов, не снижая при этом их электропроводности и механических свойств. Образование устойчивой оксидной пленки на всей контактной поверхности электрода происходит за счет очень быстрого окисления магния при взаимодействии последнего с атмосферным кислородом, в результате повышается стойкость электродов и качество сварки, не происходит облатунивания поверхности пятна контакта, что особенно важно при сварке цветных металлов и покрытых сталей.

Введение магния в заявляемый состав материла в виде сплава или лигатуры с алюминием или медью объясняется самовоспламеняемостью магния и поэтому применение его в чистом виде невозможно.

Алюминий вводится в состав материала электродов, используемых в более легких режимах сварки, при невысоких токах и давлениях, при сваривании нержавеющих, конструкционных, покрытых сталей, и, главным образом, цветных металлов.

Таким образом, введение в состав материала магния и алюминия является достаточным для решения поставленной задачи.

Сущность заявляемого изобретения для специалиста не следует явным из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ".

Возможность использования заявляемого дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе меди в отечественной промышленности позволит сделать вывод о его соответствии критерию "ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ".

Гранулят композиционного материала получали механохимическим легированием исходных порошков в аттриторе емкостью 15000 см³. При изготовлении гранулята были использованы следующие порошки: медь марки ПМС-1 по ГОСТ 4960-75; углерод марки ПП-1 по ГОСТ 5592-71; порошок сплава Al-Mg марки АМД-50М по ТУ 48-5-176-78. Холодное компактирование гранулята в брикеты, размером ⊘ 60х100 мм, осуществляли в металлической пресс-форме при давлении 600 - 700 МПа. Плотность полученных брикетов составляла 6,7 - 7,0 г/см³. Далее брикеты нагревали в индукционной печи до температуры 820 - 850^oC в течение 10-15 мин. Необходимо отметить, что при кратковременном нагреве брикетов в индукционной печи реакционная способность магния снижается незначительно, что и позволяет в дальнейшем получать окисную пленку на контактной поверхности электродов. Нагретые брикеты прессовали на пруток ⊘ 26 мм с коэффициентом вытяжки 20 в металлической оснастке, заранее подогретой до температуры 420 - 450^oC. Плотность отпрессованных прутков составляла 8,6 - 8,7 г/см³.

Для экспериментальной проверки заявляемого материала были подготовлены пять составов с различным соотношением легирующих добавок, химический состав которых представлен в таблице 1.

Результат экспериментальной проверки физико-механических свойств заявляемого материала приведены в таблице 2.

Для определения влияния добавки магния на стойкость электродов при контактной сварке конструкционных, нержавеющих и покрытых сталей были опробованы электроды из композиций N 2 - N 5. Стойкость электродов, например, из композиции N 4 на 15-20% выше стойкости электродов из литых бронз марок БрХ1Цр, БрХ0,7 и БрБНТ и в 3,2 раза выше стойкости электродов из материала-прототипа.

Использование заявляемого дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе меди позволит повысить качество контактной точечной сварки конструкционных и нержавеющих сталей, а также цветных металлов, увеличить срок службы электродов.

Вариант 2
Известен дисперсно-упрочненный композиционный материал на основе меди (пат. РФ N 2109834, МКИ⁶ C 22 C 9/01, з. 29.10.96 г.), содержащий медь, алюминий, углерод и гидрид титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий - 0,15-0,75
Углерод (графит) - 0,15-0,35
Гидрид титана - 0,30-0,75
Медь - Остальное
Недостатком описанного материала является высокая электрохимическая эрозия материала электродов, прилипание их контактной поверхности к свариваемым материалам. Недостаточная стойкость электродов при контактной точечной сварке конструкционных, нержавеющих и особенно покрытых (или плакированных) сталей и недостаточно высокое качество сварки. Происходит облатунивание поверхностей пятна контакта, что особенно недопустимо при сварке покрытых (например оцинкованных) сталей. Кроме того, наличие в составе материала алюминия не позволяет использовать эти электроды в жестких режимах сварки, т.е. при высоких токах, больших давлениях и длительном времени сварки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому материалу является дисперсно-упрочненный композиционный материал на основе меди (пат. РФ N 2117064, МКИ⁶ C 22 C 9/00, 32/00, з. 13.05.97 г.), содержащий медь, титан, гидрид титана, углерод (графит) при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Титан - 1-4
Гидрид титана - 0,5-1,0
Углерод (графит) - 0,15-0,35
Медь - Остальное
Недостатком данного материала является высокая электрохимическая эрозия материала электродов, прилипание контактной поверхности электродов к свариваемым материалам и кроме того, недостаточная стойкость электродов при контактной точечной сварке конструкционных, нержавеющих и особенно покрытых сталей.

В основу изобретения поставлена задача получения дисперсно-упрочненного материала на основе меди с высокими физико-механическими свойствами, электроды из которого обладают высокой стойкостью и способные работать в жестких режимах сварки - при высоких токах, давлениях и длительном времени сварки, а также снижение электрохимической эрозии материала электродов при сварке покрытых (например оцинкованных) сталей.

Решение этой задачи позволит повысить качество сварки, устраняя прилипание контактной поверхности электродов к свариваемым материалам, что особенно важно при сварке покрытых сталей, т.к. не происходит облатунивания поверхности пятна контакта.

Поставленная задача решается тем, что в дисперсно-упрочненный композиционный материал, содержащий медь, титан, гидрид титана, углерод, дополнительно вводят магний, входящий в состав сплава или лигатуры меди с магнием, при следующем содержании компонентов, мас.%:
Титан - 1-4
Углерод (графит) - 0,15-0,35
Гидрид титана - 0,5-1,0
Магний - 0,10-0,30
Медь - Остальное
Сопоставительный анализ заявляемого материала с прототипом (пат. РФ N 2109834) позволяет сделать вывод, что заявляемый дисперсно-упрочненный композиционный материал отличается от известного дополнительным введением в состав материала магния.

Анализ известных технических решений позволит сделать вывод о том, что заявляемое решение не известно из уровня техники, что свидетельствует о его соответствии критерию "НОВИЗНА".

Введение магния в состав дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе меди снижает электрохимическую эрозию и прилипание электродов к свариваемой поверхности за счет образования при высокой температуре прочной оксидной пленки на контактной поверхности электродов, не снижая при этом их электропроводности и механических свойств. Образование устойчивой оксидной пленки происходит за счет очень быстрого окисления магния при взаимодействии его с атмосферным кислородом. В результате повышается стойкость электродов и качество сварки, не происходит облатунивания поверхности пятна контакта, что особенно важно при сварке покрытых сталей.

Магний вводится в состав материала в виде сплава или лигатуры меди с магнием, т.к. в чистом виде он не применим из-за самовоспламеняемости.

Наличие в составе дисперсно-упрочненного композиционного материала титана повышает прочность и позволяет использовать его для электродов, работающих в жестких режимах сварки (при высоких токах, давлениях и при длительном времени сварки).

Таким образом, использование титана и дополнительного введения магния в состав материала является достаточным для решения поставленной задачи.

Сущность заявляемого изобретения для специалиста не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ".

Возможность использования заявляемого дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе меди в отечественной промышленности позволит сделать вывод о его соответствии критерию "ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ".

Гранулят композиционного материала получали механохимическим легированием исходных порошков в аттриторе емкостью 15000 см³. При изготовлении гранулята были использованы следующие порошки: медь марки ПМС-1 по ГОСТ 4960-75; углерод марки ПП-1 по ГОСТ 5592-71; титан марки ПТЭС-1 по ТУ 48-10-22-79; гидрид титана по ТУ 14-1-2159; сплав Cu-Mg марки ПММгО, 3Р-Б2 по ТУ 1793-001-21192-95. Холодное компактирование гранулята в брикеты, размером ⊘ 60х100 мм, осуществляли в металлической пресс-форме при давлении 600-700 МПа. Плотность полученных брикетов составляла 6,7-7,0 г/см³. Далее брикеты нагревали с индукционной печи до температуры 820-850^oC в течение 10-15 мин. Необходимо отметить, что при кратковременном нагреве брикетов в индукционной печи реакционная способность магния снижается незначительно, что и позволяет в дальнейшем получать окисную пленку на контактной поверхности электродов. Нагретые брикеты прессовали на пруток ⊘ 16 мм с коэффициентом вытяжки 20 в металлической оснастке, заранее подогретой до температуры 420-450^oC. Плотность отпрессованных прутков составляла 8,5-8,6 г/см³.

Для экспериментальной проверки заявляемого материала были подготовлены пять составов с различными соотношениями легирующих добавок. Химический состав испытуемых изделий представлен в таблице 3.

Физико-механические свойства, полученные в результате эксперимента, приведены в таблице 4.

Для определения влияния добавки магния на стойкость электродов при контактной сварке конструкционных легированных, нержавеющих и покрытых (оцинкованных) сталей были опробованы электроды из композиций N 2 - N 5 (наиболее показательные результаты получены на композиции N 4), стойкость которых на 30-40% выше стойкости электродов из литых бронз марок БрХ1Цр и БрБНТ и в 1,5-1,8 раза выше стойкости электродов из материала-прототипа.

Использование заявляемого дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе меди позволит
- получить электроды с большим сроком службы, работающие в жестких режимах сварки, при больших температурах и давлениях, при длительном времени сварки;
- повысить качество контактной точечной сварки конструкционных, нержавеющих и покрытых (оцинкованных) сталей.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к дисперсно-упрочненным композиционным материалам на основе меди, и может быть использовано в машиностроении, химической и электротехнической промышленности, например, для изготовления деталей сварочной техники. Материал по 1 варианту содержит медь, алюминий, углерод, гидрид титана и в него дополнительно вводят магний, находящийся в составе сплава или лигатуры с алюминием или медью, при следующем содержании компонентов, мас.%: алюминий 0,15 - 0,75, углерод (графит) 0,15 - 0,35, гидрид титана 0,30 - 0,75, магний 0,10 - 0,30, медь - остальное. По 2 варианту материал содержит медь, титан, гидрид титана, углерод и в него дополнительно вводят магний, входящий в состав сплава или лигатуры меди с магнием, при следующем содержании компонентов, мас.%: титан 1 - 4, гидрид титана 0,5 - 1,0, углерод (графит) 0,15 - 0,35, магний 0,10 - 0,30, медь - остальное. Использование изобретения позволит повысить качество контактной точечной сварки конструкционных и нержавеющих сталей, а также цветных металлов, увеличить срок службы электродов. 2 с.п. ф-лы, 4 табл.

1. Дисперсно-упрочненный композиционный материал, содержащий медь, алюминий, углерод, гидрид титана, отличающийся тем, что в него дополнительно вводят магний, находящийся в составе сплава или лигатуры с алюминием или медью, при следующем содержании компонентов, мас.%:
Алюминий - 0,15 - 0,75
Углерод (графит) - 0,15 - 0,35
Гидрид титана - 0,30 - 0,75
Магний - 0,10 - 0,30
Медь - Остальное
2. Дисперсно-упрочненный композиционный материал, содержащий медь, титан, гидрид титана, углерод, отличающийся тем, что в него дополнительно вводят магний, входящий в состав сплава или лигатуры меди с магнием, при следующем содержании компонентов, мас.%:
Титан - 1 - 4
Гидрид титана - 0,5 - 1,0
Углерод (графит) - 0,15 - 0,35
Магний - 0,10 - 0,30
Медь - Остальное