КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ МЕДИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ ОЦИНКОВАННЫХ СТАЛЕЙ Российский патент 2015 года по МПК B23K35/30 C22C9/00 

Изобретение относится к сварочному производству, в частности - к составам материалов на основе меди для электродов контактной сварки оцинкованных сталей.

Известны материалы на основе меди для электродов контактной сварки, например, бронзы, содержащие хром, титан, цирконий и другие элементы, обеспечивающие прочностные характеристики материала за счет дисперсионного упрочнения. Однако эти бронзы имеют низкую температуру рекристаллизации, что приводит к ускоренному разрушению контактной поверхности электродов [1].

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является композиционный порошковый материал на основе меди, содержащий ультрадисперсные частицы оксида титана TiO₂, полученный методом внутреннего окисления порошка сплава меди с титаном [2], пригодный для сварки оцинкованных сталей. Указанный материал обладает хорошими электрофизическими характеристиками как при комнатной, так и при повышенных температурах и имеет высокую температуру рекристаллизации. Однако недостаточно высокие антифрикционные и противоадгезионные свойства материала, а также нестабильность его контактного сопротивления обусловливают недостаточно высокий ресурс работы изготовленных из него электродов контактной сварки оцинкованных сталей, особенно, электродов для роликовой шовной и стыковой сварки. Кроме этого длительные окислительно-восстановительные отжиги, используемые в технологии получения данного материала, обусловливают высокие цены на него, что не позволяет осуществить его широкое применение в сварочном производстве.

Заявляемое изобретение решает задачу расширения ассортимента материалов, обладающих высокими физико-механическими характеристиками при одновременно высоких показателях антифрикционных, противоадгезионных свойств материала, стабильности его контактного сопротивления и ресурса работы изготовленных из него электродов контактной сварки оцинкованных сталей, а также расширения ассортимента композиционных порошковых материалов на основе меди, обладающих высокими физико-механическими характеристиками.

Эта задача решается тем, что композиционный материал на основе меди, содержащий титан, дополнительно содержит углерод при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Титан 0,2-1,1 Углерод 0,05-0,20 Медь остальное

Из уровня технически не известны аналоги, обладающие тождественной совокупностью признаков.

Заявляемый материал изготавливают из шихты, приготовленной смешиванием порошков титана (ТУ 48-0501-385-94), углерода (ГОСТ 4404-78) и меди (ГОСТ 4960-75), путем обработки шихты в шаровой мельнице, последующего холодного компактирования полученных гранул в брикеты и их горячей экструзии в пруток или профиль при температуре 750-850°С. При этом компоненты шихты вступают в твердофазные реакции, в результате которых образуется структура материала, представляющая собой практически чистую матрицу с равномерно распределенными в ней ультрадисперсными (10-50 нм) частицами оксида и карбида титана, а также свободного углерода. Наличие в материале равномерно распределенного ультрадисперсного углерода придает материалу высокие антифрикционные и противоадгезионные свойства, обеспечивая тем самым высокий ресурс изготовленных из него электродов контактной сварки и токоподводящих наконечников дуговой сварки.

В соответствии с описанной технологией были изготовлены прутки заявленного материала с вышеуказанным содержанием компонентов, а также материала-прототипа (табл.1).

Таблица 1 Компоненты Составы, масс.% №1 №2 №3 Прототип Титан 0,20 0,50 1,10 0,50 Углерод 0,20 0,15 0,05 - Медь 99,60 99,35 98,85 99,5

Все полученные прутки были подвергнуты испытаниям с целью определения их физико-механических характеристик, которые приведены в табл.2.

Твердость определялась по ГОСТ 9012-59, электропроводность - по ГОСТ 7229-76, а испытания на растяжение проводились по ГОСТ 1497-84.

Таблица 2 Составы Физико-механические характеристики Твердость НВ Электропроводность, % от электропроводности меди Временное сопротивление растяжению, МПа Относительное удлинение, % Относительное сужение, % Прототип 143 83 420 18 32 Состав №1 145 87 425 18 33 Состав №2 155 85 510 16 28 Состав №3 185 72 560 12 22

Из табл.2 видно, что прочностные свойства заявляемого материала превосходят прочностные свойства материала-прототипа. При этом заявляемый материал составов №1 и №2 по сравнению с материалом-прототипом имеет и более высокую электропроводность.

Антифрикционные свойства материалов определялись на машине СМЦ-2 по схеме «ролик-колодка» при давлении на контактную поверхность пары трения 2 МПа и скорости скольжения 0,4 м/с. В качестве материала колодки использовались заявляемый материал указанных выше составов и материал-прототип. Для изготовления контртела (ролика) использовалась качественная углеродистая сталь 20, часто применяемая в конструкциях ответственного назначения, получаемых из листовых заготовок роликовой шовной сваркой.

Результаты испытаний приведены в табл.3.

Для оценки противоадгезионных свойств, а также стабильности контактного сопротивления заявляемого материала и материала-прототипа были отштампованы колпачковые электроды типа F диаметром 16 мм по ISO 5821. Испытания проводили при сварке оцинкованной стали толщиной 0,8±0,8 мм при сварочном токе силой 10-11 кА, усилии сжатия электродов - 230 кГс и темпе сварки - 7 пер.

Критерием оценки противоадгезионных свойств материалов, а также стабильности их контактного сопротивления было принято относительное изменение контактного сопротивления электродов, обусловленное в основном диффузией жидкого цинка в материал электродов, а также зашлаковыванием их контактных поверхностей. Измерялось контактное сопротивление между двумя электродами до (R_O) и после (R) испытаний и определялось относительное его изменение по формуле:

ΔR=R_O/R.

Результаты измерений приведены в табл.3.

Таблица 3 Составы Антифрикционные свойства Относительное изменение контактного сопротивления Коэффициент трения Удельный износ, мг/км Удельная нагрузка заедания, кгс/см² Прототип 0,030 0,403 163 1,34 Состав №1 0,028 0,365 181 1,24 Состав №2 0,024 0,347 287 1,29 Состав №3 0,022 0,326 363 1,32

Из табл.3 видно, что заявляемый материал обладает значительно более высокими антифрикционными и противоадгезионными свойствами, а также более стабильным контактным сопротивлением, чем материал-прототип.

Для определения ресурса электродов контактной сварки были проведены сравнительные испытания холодноштампованных колпачковых электродов типа F диаметром 16 мм по ISO 5821, изготовленных из заявляемого материала указанных выше составов и материала-прототипа. Испытания проводили при сварке оцинкованной стали толщиной 0,8±0,8 мм при сварочном токе силой 10-11 кА, усилии сжатия электродов - 230 кГс и темпе сварки -7 пер.

Критерием оценки ресурса работы электрода служило количество сваренных точек до его перезаточки, необходимость в которой наступала в том случае, когда диаметр контактной поверхности электрода увеличивался на 20% по сравнению с его исходным диаметром. Измерение диаметра контактной поверхности электрода производилось через каждые 100 циклов сварки. Если измеренный диаметр превосходил исходный диаметр на 20%, то за значение ресурса электрода принималось количество сваренных им точек, которое было зафиксировано при проведении предыдущего измерения контактной поверхности электрода.

Результаты ресурсных испытаний приведены в табл.4.

Таблица 4 Составы Количество сваренных точек до переточки электрода, шт. № испытания 1 2 3 4 5 Среднее значение Прототип 2300 2500 2100 2700 2400 2400 Состав №1 2400 2900 2800 3000 2500 2720 Состав №2 2600 2300 2900 3100 3200 2820 Состав №3 2800 3300 3100 3400 2900 3100

Из табл.4 видно, что электроды из заявляемого материала имеют ресурс, превосходящий ресурс электродов из материала-прототипа.

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

1. 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.

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

Изобретение может быть использовано при контактной сварке оцинкованных сталей. Композиционный материал содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: титан 0,2-1,1, углерод 0,05-0,20, медь - остальное. Изготовленные из указанного материала электроды для контактной сварки обладают высокой сопротивляемостью адгезии к цинковому покрытию при одновременной хорошей жаропрочности, а также стабильностью контактного сопротивления, что обусловливает высокий ресурс их работы. 4 табл.

Композиционный материал на основе меди для электродов контактной сварки оцинкованных сталей, содержащий титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Титан 0,2-1,1 Углерод 0,05-0,20 Медь остальное