Композиционный материал, содержащий углеграфитовый каркас, пропитанный матричным сплавом на основе меди

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.

 

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.

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