Способ получения псевдосплава медь-хром с дисперсной структурой
Владельцы патента RU 2344189:
Федеральное государственное научное учреждение "Научный центр порошкового материаловедения" (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное общество "МИПОР" (RU)
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению псевдосплавов. Может применяться в качестве материала для изготовления контактов средненагруженных высокоточных вакуумных выключателей. Способ получения псевдосплава медь-хром с дисперсной структурой включает приготовление шихты, прессование и спекание в вакууме при температуре 1000-1100°С. При приготовлении шихты используют мелющие тела в виде металлических шариков диаметром 8-10 мм, соотношение масс мелющих тел и исходных порошков соответствует 15:1. Продолжительность смешивания шихты 3-3,5 ч при скорости вращения смесителя 60 об/мин. Способ позволяет улучшить спекаемость шихты и получить псевдосплав с дисперсной структурой и высокими прочностными характеристиками. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к технологиям получения псевдосплавов методами смешивания с последующим холодным прессованием и спеканием.
Благодаря уникальной комбинации свойств составляющих компонентов Cu-Cr псевдосплав широко применяется в качестве материала для контактов средненагруженных высокоточных вакуумных выключателей. В настоящее время для получения псевдосплавов композиции медь-хром методами смешивания элементарных порошков меди и хрома с последующим холодным прессованием и спеканием в промышленности на этапе приготовления шихты используются мелющие тела в виде лопаток или «Г»-образных пластин в количестве 15-20 вес.% от массы исходных порошковых компонентов.
Элементарные порошки меди со средним размером частиц 11 мкм и хрома алюмотермического с размером частиц не более 100 мкм соответственно не обеспечивают формирования дисперсной структуры с однородным распределением хрома в псевдосплаве. Последнее отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах изделий на основе Cu-Cr спеченной композиции. Рядом авторов исследовано, что Cu-Cr псевдосплавы с более дисперсной микроструктурой обладают лучшими рабочими характеристиками: существенно пониженным коэффициентом эрозии, меньшими областями разлома на поверхности, более высокой прочностью (Chendgyu Zhang, Zhimao Yang, Yaping Wang, Bingjun Ding. Properties of Nanocrystalline CuCr50 Contact Material. // Advanced engineering materials, 2005, 7, №12, pp.1114-1116).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения псевдосплава Cu-Cr, включающий приготовление шихты медь-хром, прессование шихты и последующую термообработку при температурах 1100-1200°С (US Patent 5853083. Int.Cl. H01H 1/02. Contact material for vacuum circuit breaker and a method for manufacturing same / Furusawa et al.: Fuji Electric Co., Ltd., Kawasaki, Japan. 29.12.1998). Данный способ обеспечивает получение псевдосплава Cu-Cr с округлыми включениями частиц хрома, соизмеримыми с размерами частиц исходного порошка, т.е. до 100 мкм.
Предлагаемый способ позволяет улучшить спекаемость Cu-Cr шихты, получить псевдосплав с более дисперсной структурой и повышенными прочностными характеристиками.
Заявляемый способ получения псевдосплава медь-хром, включающий приготовление шихты, ее прессование и спекание в вакууме при температуре 1000-1100°С, отличается тем, что при приготовлении шихты используются мелющие тела (МТ) в виде металлических шариков диаметром 8-10 мм, соотношение масс мелющих тел и исходных порошков соответствует 15:1, а продолжительность смешивания шихты - 3-3,5 ч при скорости вращения смесителя 60 об/мин.
Выбор в качестве МТ шариков диаметром 8-10 мм и их повышенное содержание в процессе приготовления шихты обусловлено тем, что при многократном соударении МТ происходит дополнительное диспергирование порошка и «холодная сварка» частиц. Таким образом, в конечной шихте получается активированный порошок более мелкой фракции, содержащий композиционные медь-хромовые частицы.
При исследовании процессов приготовления шихты Cu-Cr нами установлено, что при традиционном способе получения средний размер частиц шихты соответствует 11 мкм с включениями частиц хрома до 100 мкм, в то время как активированная шихта состоит из частиц со средним размером 6,6 мкм.
Способ может быть осуществлен следующим образом.
В смеситель со смещенной осью вращения засыпают МТ, порошок меди ПМС-1 и порошок хрома алюмотермического. Соотношение масс порошков и МТ в смесителе поддерживают на уровне не ниже, чем 15:1. После обработки шихты мелющие тела отделяют от смеси путем рассева, например, через сито с размером ячейки, меньшим размера мелющих тел.
Предлагаемый способ получения медь-хромового псевдосплава композиции Cu-35 вес.% Cr может быть проиллюстрирован на следующем примере конкретного исполнения.
В смеситель емкостью (5 дм3) засыпали мелющие тела - шарики диаметром 10 мм из стали марки ШХ15 в количестве 7,5 кг, порошок меди (ГОСТ 4960-75) - 0,325 кг, порошок хрома (ТУ 14-5-298-99) - 0,175 кг. После герметизации емкости производили смешивание в течение 3 ч. После выгрузки активированной смеси проводили отделение мелющих тел. Далее получали образцы диаметром 20 мм и высотой 10 мм путем прессования шихты в стальной пресс-форме с диаметром пуансона 20 мм и давлении прессования 850 МПа. Образцы спекали в вакуумной печи СНВЭ 1.3.1/16И при температуре 1100°С в течение 2 ч.
При спекании процессы консолидации в активированной шихте идут интенсивнее. При Т=1100°С объемная усадка достигала 8÷10%. Интенсивная усадка образцов из дисперсных порошков обусловлена их высокой удельной поверхностью и повышенной дефектностью кристаллической структуры частиц порошка. Микроструктура исходной спеченной композиции Cu-35 вес.% Cr представляет собой медную матрицу с включениями хрома (фиг., а). В псевдосплаве на основе активированной композиции Cu-35% Cr наблюдаются более дисперсные частицы хрома, границы раздела фаз Си и Cr разветвленные (фиг., б).
Средний размер частиц хрома в медной матрице составляют ˜80 мкм для исходного образца и ˜40 мкм для образца на основе активированной шихты.
Характеристики полученного заявляемым способом псевдосплава Cu-35 вес.% Cr в сравнении с псевдосплавом традиционного способа получения, т.е. без активного смешивания с повышенным содержанием МТ, приведены в таблице.
| Таблица | |||||
| Свойства псевдосплава Cu-35 вес.% Cr | |||||
| Основа спеченного материала | Средний размер частиц хрома, мкм | Объемная усадка при спекании (Т=1100°С), % | Твердость по Бринеллю, НВ | Предел прочности при растяжении, МПа | Относительное удлинение, % |
| неактивированная шихта | 80 | 1-2 | 79 | 250 | 8,0 |
| активированная шихта | 40 | 8-10 | 85 | 290 | 8,0 |
Из таблицы видно, что использование активного смешивания элементарных порошков меди и хрома с повышенным содержанием МТ позволяет улучшить спекаемость шихты, получить псевдосплав с более дисперсной структурой и с более высокими прочностными характеристиками в сравнении с материалом на основе неактивированной шихты.
Способ получения псевдосплава медь-хром с дисперсной структурой, включающий приготовление шихты в смесителе, прессование и спекание в вакууме при температуре 1000-1100°С, отличающийся тем, что при приготовлении шихты в смесителе осуществляют активацию исходных порошков мелющими телами в виде металлических шариков диаметром 8-10 мм, при соотношении масс мелющих тел и исходных порошков 15:1, продолжительности смешивания шихты 3-3,5 ч и скорости вращения смесителя 60 об/мин.
