КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, СОДЕРЖАЩИЙ УГЛЕГРАФИТОВЫЙ КАРКАС, ПРОПИТАННЫЙ МАТРИЧНЫМ СПЛАВОМ НА ОСНОВЕ МЕДИ Российский патент 2015 года по МПК C22C49/02 C22C32/00 C22C1/10 C22C47/08 C22C9/00 

Данное изобретение относится к области металлургии и получения литых композиционных материалов и отливок, может быть использовано для получения пропиткой композиционных материалов, имеющих углеграфитовый каркас, которые работают в условиях трения в качестве электротехнических изделий, таких как токосъемники, вставки пантографов, электротехнические щетки и т.п. детали.

Известен сплав меди, имеющий следующий химический состав (мас.%): смесь порошков борида титана и титана с содержанием бора 30% и титана 70% соответственно - 0,1-11,0; Cu - остальное (Патент Ru №2447171, МПК C22C 9/00; С22С 1/04, опубл. 10.04.2012). Сплав обеспечивает повышение качества композиционного материала, имеющего большую плотность и прочность, в результате пропитки данным матричным сплавом, но имеет невысокие электротехнические свойства.

Известен композиционный материал, содержащий борид титана в медной матрице, содержащий 60 мас.% титана и 40 мас.% бора, полученный методом порошковой металлургии (Патент GB №2419604, МПК B22F 3/10; C22C 1/05, опубл. 26.01.2006). Материал имеет высокую прочность при растяжении. Недостатком данного материала являются его невысокие плотность и электротехнические свойства.

Известен композиционный материал, состоящий из углеграфитового каркаса, пропитанного матричным сплавом на основе меди, содержащим, мас.%: фосфор 4,0-8,0, цинк 0,5-12,5, железо 0,5-1,5, медь - остальное (Патент RU №2466204, МПК C22C 49/02, B22F 3/26, С22С 1/10, опубл. 31.05.2011). Данный материал имеет хорошую прочность на сжатие, но имеет плохие показатели твердости и электрической проводимости.

Известен сплав меди, имеющий следующий химический состав (мас.%): алюминий 3,0-12,0; кальций 0,01-0,06; бор 0,01-0,05; теллур 0,0001-0,001; медь - остальное (Патент RU №2026396, МПК C22C 9/01, опубл. 09.01.1995.). Сплав обладает высоким пределом прочности при средней плотности и плохой электрической проводимостью.

Наиболее близким по технической сущности является композиционный материал, содержащий углеграфитовый каркас, пропитанный матричным сплавом на основе меди, содержащим фосфор 4,0-11,0 мас.% и дополнительно бескислородную медь 5,0-18,0 мас.% в качестве инокулятора, (Патент RU №2430983, МПК С22С 9/00, C22C 1/04, опубл. 10.10.2011). Композиционный материал имеет хорошую прочность, но недостаточную плотность и электропроводные характеристики, а сплав обладает недостаточной жидкотекучестью.

Задачей изобретения является создание матричного сплава с высокими литейными и электропроводными свойствами.

Техническим результатом данного изобретения является композиционный материал, обладающий повышенной электропроводностью при сохранении прочностных характеристик.

Технический результат достигается в композиционном материале, содержащем углеграфитовый каркас, пропитанный матричным сплавом на основе меди, содержащим фосфор, при этом сплав содержит смесь порошков тетрабората лития и лигатуры медь-бор с содержанием в смеси лития 6% и бора 29%, при следующем соотношении компонентов сплава, мас.%:

Смесь порошков тетрабората лития   и лигатуры медь-бор с содержанием   в смеси лития 6% и бора 29% 0,5-3,0 Фосфор 4,0-8,0 Медь Остальное

Содержание в смеси порошков Li₂B₄O₇ и лигатуры медь-бор 29% бора и 6% лития достигается за счет добавления лигатуры медь-бор (Стандарт СМ121С) с содержанием бора - 2,0 мас.%, меди - остальное. Использование смеси с заявленным содержанием Li и В приводит к увеличению межфазного взаимодействия между пропитывающим сплавом на медной основе и графитом, увеличению жидкотекучести и снижению краевого угла смачивания до 40°, что позволяет матричному сплаву лучше проникать в поры углеграфитового каркаса.

Литий в составе смеси тетрабората Li и лигатуры Cu-В, с содержанием Li 6% и В 29% повышает прочностные свойства и уменьшает пластичность сплава. При повышении содержания лития пределы прочности и текучести сплавов увеличиваются, а их пластические свойства уменьшаются. При легировании литием повышаются электрические характеристики сплава, так как литий является сверхпроводящим металлом.

Бор служит уплотняющим веществом многих композиционных материалов. В медных сплавах бор эффективно уменьшает размер зерна, что существенно улучшает механические свойства сплава и снижает количество внутренних дефектов конечных изделий, повышает жидкотекучесть сплава, также в медных сплавах бор препятствует росту зерна при нагреве. При этом бор не оказывает негативного влияния на удельную электропроводимость.

Совместное влияние бора и лития на медные сплавы способствует образованию двойных фаз твердых растворов медь - бор и бор - литий, что улучшает электропроводные и прочностные характеристики КМ.

Введение в состав сплава смеси порошков тетрабората лития и лигатуры медь-бор менее 0,5 мас.% недостаточно, т.к. не приведет к какому-либо значительному раскислению в структуре сплава и увеличению электропроводных и литейных свойств сплава и, соответственно, не улучшает свойства КМ.

Введение в состав сплава смеси порошков тетрабората лития и лигатуры медь-бор более 5,0 мас.% приводит к перерасходу дорогостоящей добавки, ее нерациональному использованию при отсутствии дальнейшего увеличения литейных и электропроводных свойств сплава и композиционного материала, полученного на его основе.

Пример конкретного изготовления

ПРИМЕР 1

Приготовление сплава производится следующим образом: в расплав меди фосфористой марки МФ9 ГОСТ 4515-93 (с содержанием меди 90,5-91,5 мас.%, фосфора - 8,5-9,5 мас.%) при температуре 850°C добавляют 2,5 мас.% смесь порошков тетрабората лития и лигатуры медь-бор, заранее приготовленную и помещенную в медную трубку с герметичными концами, включающую: лигатуру медь-бор (содержащую бора - 2,0 мас.%, медь - остальное). Плавление осуществляется в инертном газе в индукционной печи (вакуумной литьевой машине Indutherm VC-400). Конструкция печи позволяет осуществлять непрерывное перемешивание ингредиентов сплава в вакууме и разливку под избыточным давлением аргона.

Изготовление КМ производится пропиткой каркаса из углеграфита марки АГ-1500 матричным сплавом под давлением 12 МПа при температуре 1105°C и выдержке под давлением 20 мин.

В качестве технологических характеристик сплава исследовались его жидкотекучесть, краевой угол смачивания по отношению к углеграфитовому каркасу в воздушной среде, твердость и удельная электрическая проводимость.

В качестве технологических характеристик КМ определялись плотность и прочность на сжатие.

Для определения поверхностного натяжения сплавов изготавливались углеграфитовые подложки, на которые помещались навески сплава. Подложки с навесками, в свою очередь, помещались в валундовую трубку для нагрева в трубчатой печи. Затем по контуру капли рассчитывали поверхностное натяжение методом Дарси. Измерение краевого угла смачивания и последующий расчет поверхностного натяжения производили при температуре 850°C.

Жидкотекучесть сплава по отношению к углеграфитовому каркасу определялась по глубине затекания сплава в отверстия диаметром 1,0 мм, выполненные в дне углеграфитового стакана. Для этого в графитовый стакан с конусным основанием вставляли углеграфитовый стакан меньшего диаметра, внутренние размеры: высота 65 мм, диаметр 22 мм, с выполненными в нем 4 отверстиями. Таким образом, капли расплава, протекшего через отверстия, собирались на дне внешнего графитового стакана. Капли взвешивали, и рассчитывали объем металла, протекший через отверстия. Затем рассчитывали глубину затекания сплава в отверстия. Проникающая способность определялась как среднее значение глубины затекания из трех опытов. Испытания проводились в атмосфере аргона.

Время изотермической выдержки сплава при температуре 1105°C составляло 20 мин, постоянство металлостатического давления на дно стакана обеспечивалось заливкой сплава в стаканчик одного уровня по верхнему краю.

Твердость матричного сплава определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм на прессе Бринелля.

Удельная электрическая проводимость матричного сплава определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 5 мм вихретоковым методом на приборе «Вихрь-АМ» по ГОСТ 27333-87 после предварительной подготовки образцов по ГОСТ 193-79.

Плотность КМ определялась как процент заполнения открытых пор. При этом объем открытых пор определялся на образцах, предварительно пропитанных водой в вакууме, с последующим определением веса и объема заполнившей образец воды. Сходимость результатов находится в пределах погрешности 1% с определением открытой пористости на ртутном пористомере.

Прочность КМ на сжатие определялись на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм при настройке разрывной машины на максимальную нагрузку 10000 Н.

Результаты исследований представлены в таблице.

ПРИМЕРЫ 2-7

Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.

Примеры на варьирование составом сплава, обосновывающие влияние содержания тетрабората лития на технологические характеристики сплава и КМ, приведены в таблице.

Таким образом, предлагаемый композиционный материал, содержащий углеграфитовый каркас, пропитанный матричным сплавом на основе меди, содержащим фосфор и смесь порошков тетрабората лития и лигатуры медь-бор, обладает повышенными электропроводными свойствами при сохранении на уровне прочностных характеристик композиционного материала.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению армированных композиционных материалов, и может быть использовано для получения композиционных материалов, работающих в условиях трения в качестве электротехнических изделий, таких как токосъемники, вставки пантографов, электротехнические щетки и т.п. Композиционный материал содержит углеграфитовый каркас, пропитанный матричным сплавом на основе меди, содержащим, мас.%: смесь порошков тетрабората лития и лигатуры медь-бор с содержанием в смеси 6% лития и 29% бора 0,5-3,0, фосфор 4,0-8,0, медь - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение электропроводности композиционного материала при сохранении прочностных характеристик. 7 пр., 1 табл.

Композиционный материал, содержащий углеграфитовый каркас, пропитанный матричным сплавом на основе меди, содержащим фосфор, отличающийся тем, что сплав содержит смесь порошков тетрабората лития и лигатуры медь-бор с содержанием в смеси лития 6% и бора 29% при следующем соотношении компонентов сплава, мас.%:
смесь порошков тетрабората лития   и лигатуры медь-бор с содержанием   в смеси лития 6% и бора 29% 0,5-3,0 фосфор 4,0-8,0 медь Остальное