КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
COMPOSITE MATERIAL CONTAINING COAL-GRAPHITE FRAME SATURATED WITH MATRIX COPPER-BASED ALLOY

Изобретение относится к области металлургии и получения армированных композиционных материалов и отливок и может быть использовано для получения пропиткой композиционных материалов, имеющих армирующий углеграфитовый каркас, которые работают в условиях трения в качестве электротехнических изделий, таких как токосъемники, вставки пантографов, электротехнические щетки и т.п. детали.
Известен полученный методом порошковой металлургии спеченный материал, применяющийся для контактных вставок троллейбуса и имеющий следующий химический состав (мас.%): Рb - 12-16; Sn - 3-8; графит - 1-4; Сu - остальное (Патент РФ №2174563, кл. С22С 009/08; С22С 001/05; Н01Н 001/02, опубл. 10.10.2001). Материал обладает хорошей износостойкостью, но имеет неудовлетворительные прочностные свойства, а также является экологически опасным.
Известен композиционный материал, применяющийся для получения долота вращательного бурения, пропитанный матричным сплавом следующего химического состава (мас.%): Р - 8,4; Сu - остальное (Патент США №4669522, кл. B22F3/26; B22F7/06; С22С 1/04, опубл. 02.06.1998), Материал обладает высокой износостойкостью, но имеет невысокие электротехнические свойства.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является композиционный материал, пропитанный матричным сплавом на основе меди следующего химического состава (мас.%): Р - 6,0-10,0; Сu - остальное, в частности, описан эвтектический сплав Р - 8,4; Сu - 91,6 мас.% (Патент ФРГ №3240709, кл. С04 В 41/04, опубл. 10.05.1984). Матричный сплав указанного состава обладает более высокой прочностью и проникающей способностью, чем сплавы, рассмотренные выше. Однако для получения КМ более высокого качества необходимо повышение прочностных, литейных и электротехнических свойств матричного сплава, например жидкотекучести, усадки, проникающей способности, удельной электрической проводимости.
Техническим результатом данного изобретения является повышение качества композиционного материала, пропитанного данным матричным сплавом.
Технический результат достигается тем, что композиционный материал для электротехнических изделий, состоящий из углеграфитового каркаса, пропитанного сплавом на основе меди, содержащим фосфор, пропитан матричным сплавом на основе меди, дополнительно содержащим цинк в качестве поверхностно-активного вещества и железо в качестве инокулятора при следующем соотношении компонентов в матричном сплаве, мас.%:
Фосфор
4,0-8,0
Цинк
0,5-12,5
Железо
0,5-1,5
Медь
Остальное
Введение в состав сплава цинка и железа в указанном диапазоне концентраций приводит к повышению прочностных свойств и электрической проводимости КМ, пропитанного данным матричным сплавом, вследствие измельчения структуры сплава и выделения токопроводящих нитей соответственно. В связи с тем что температура плавления железа (1539°С) значительно выше температуры плавления медно-фосфористой основы сплава (714-800°С) и температуры ведения плавки, частицы железа за общее время пропитки растворяются медленнее в основе расплава, образуя при этом мелкодисперсные частицы в матричном сплаве, которые являются дополнительными центрами кристаллизации и в свою очередь служат инокуляторами при затвердевании сплава. При этом цинк (температура плавления - 419,6°С) успевает раствориться за время пропитки и, являясь поверхностно-активным веществом, способствует выделению токопроводящих нитей в расплаве меди и фосфора, за счет одновременного воздействия температуры и давления, в устройстве для пропитки углеграфитового каркаса.
Введение в состав сплава цинка менее 0,5 мас.% нецелесообразно ввиду отсутствия образования токопроводящих нитей, и поэтому, соответственно, нет увеличения удельной электрической проводимости сплава и КМ, пропитанного данным сплавом.
Введение в состав сплава цинка более 12,5 мас.% нерационально, т.к. приводит к перерасходу добавки, отсутствию дальнейшего значительного увеличения удельной электрической проводимости сплава и КМ, пропитанного данным сплавом.
Введение в состав сплава железа менее 0,5 мас.% нецелесообразно ввиду отсутствия измельчения структуры сплава и его инокулирующей способности, и поэтому, соответственно, нет увеличения прочностных свойств сплава и КМ, пропитанного данным сплавом.
Введение в состав сплава железа более 1,5 мас.% приводит к отсутствию дальнейшего увеличения эффекта инокулирования и повышения прочностных свойств сплава и КМ, пропитанного данным сплавом.
Предлагаемый сплав обеспечивает более высокие прочностные и электротехнические свойства матричного сплава. Кроме того, углеграфитовый каркас, пропитанный данным матричным сплавом, имеет более высокую плотность и прочностные характеристики.
Примеры конкретного изготовления.
ПРИМЕР 1
Сплав с содержанием ингредиентов: (мас.%: Р - 3,5; Zn - 0,4; Fe - 0,4; Cu - остальное).
Приготовление сплава производится следующим образом: в расплав медно-фосфористой лигатуры марки МФ9 ГОСТ 4515-93 (с содержанием меди 90,5-91,5 мас.%, фосфора - 8,5-9,5 мас.%) в количестве 97,0 мас.% и латуни марки Л63 ГОСТ 15527-2004 (с содержанием меди 62,0-65,0 мас.%, цинка - 34,5-37,5 мас.%, железа - 0,2 мас.%) в количестве 2,0 мас.% при температуре 950°С добавляют порошок железа марки ПЖВ2.160.24 (с содержанием железа 99,5 мас.%) в количестве 1,0 мас.%. Плавление осуществляется 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 950°С и выдержке под давлением 20 мин.
В качестве технологических характеристик сплава исследовались его поверхностное натяжение по отношению к углеграфитовому каркасу в воздушной среде, жидкотекучесть, твердость и удельная электропроводимость.
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 алундовую трубку для нагрева в трубчатой печи. Затем по контуру капли рассчитывали поверхностное натяжение методом Дарси. Измерение поверхностного натяжения производили при температуре 950°С.
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. Для уточнения результатов на проникающую способность сплавы исследовали по оригинальной методике, суть которой приводится ниже.
В дне каждого стакана выполнялись четыре отверстия диаметром 1,0 мм. Проникающая способность определялась как среднее значение глубины затекания из трех опытов. Испытания проводились в атмосфере аргона.
Время изотермической выдержки сплава при температуре 950°С составляло 20 мин, постоянство металлостатического давления на дно стакана обеспечивалось заливкой сплава в стаканчик одного уровня.
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.
Матричный сплав и КМ на его основе в условиях испытаний показали: поверхностное натяжение - 1,64 Н/м, жидкотекучесть - 0 мм, температура пропитки - 950°С, твердость по Бринеллю - 105, удельная электрическая проводимость - 9,3 МСм/м, плотность - 44,3%, прочность на сжатие - 222 МПа.
ПРИМЕР 2
Сплав с содержанием ингредиентов: (мас.%: Р - 4,0; Zn - 0,5; Fe - 0,5; Cu - остальное).
Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.
Поверхностное натяжение - 1,60 Н/м, жидкотекучесть - 0,1 мм, температура пропитки - 950°С, твердость по Бринеллю - 114, удельная электрическая проводимость - 9,5 МСм/м, плотность - 49,2%, прочность на сжатие - 227 МПа.
ПРИМЕР 3
Сплав с содержанием ингредиентов: (мас.%: Р - 6,0; Zn - 6,5; Fe - 1,0; Cu - остальное).
Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.
Поверхностное натяжение - 1,21 Н/м, жидкотекучесть - 7,5 мм, температура пропитки - 950°С, твердость по Бринеллю - 135, удельная электрическая проводимость - 12,0 МСм/м, плотность - 58,5%, прочность на сжатие - 236 МПа.
ПРИМЕР 4
Сплав с содержанием ингредиентов: (мас.%: Р - 8,0; Zn - 12,5; Fe - 1,5; Cu - остальное).
Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.
Поверхностное натяжение - 1,10 Н/м, жидкотекучесть - 12 мм, температура пропитки - 950°С, твердость по Бринеллю - 199, удельная электрическая проводимость - 11,5 МСм/м, плотность - 66,0%, прочность на сжатие - 246 МПа.
ПРИМЕР 5
Сплав с содержанием ингредиентов: (мас.%: Р - 8,5; Zn - 13,0; Fe - 2,0; Cu - остальное).
Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.
Поверхностное натяжение - 1,06 Н/м, жидкотекучесть - 13 мм, температура пропитки - 950°С, твердость по Бринеллю - 205, удельная электрическая проводимость - 11,0 МСм/м, плотность - 67,5%, прочность на сжатие - 255 МПа.
Примеры варьирования составом сплава, обосновывающие влияние содержания цинка и железа в указанном соотношении на технологические характеристики сплава и КМ, приведены в таблице 1.
В сравнении со сплавом-прототипом (патент ФРГ №3240709) предлагаемый сплав обеспечивает повышение качества композиционного материала, имеющего большую плотность и прочность, в результате пропитки данным матричным сплавом.