КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, СОДЕРЖАЩИЙ УГЛЕГРАФИТОВЫЙ КАРКАС, ПРОПИТАННЫЙ МАТРИЧНЫМ СПЛАВОМ НА ОСНОВЕ МЕДИ
COMPOSITE MATERIAL CONTAINING COAL-GRAPHITE FRAME IMPREGNATED WITH MATRIX ALLOY ON BASE OF COPPER

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). Сплав имеет невысокую проникающую способность и невысокую прочность.
Известен матричный сплав на основе меди, применяемый для получения композиционных материалов (далее - КМ) пропиткой и имеющий следующий химический состав (мас.%): Ti - 16; Sn - 20; Сu - остальное (патент США US 3956568, кл. С22С 1/10; С22С 32/00Е, опубл. 11.05.1976). Сплав имеет достаточно высокую температуру плавления и не предназначен для работы в условиях трения.
Известен также матричный сплав на основе меди, применяемый для получения КМ пропиткой и имеющий следующий химический состав (мас.%): Р - 6,0-10,0; Сu - остальное, в частности, описан эвтектический сплав Р - 8,4; Сu - 91,6 мас.% (патент ФРГ DE 3240709, кл. С04В 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 и литейных свойств матричного сплава, например жидкотекучести, усадки и проникающей способности.
Техническим результатом данного изобретения является повышение прочностных и литейных свойств матричного сплава и КМ, пропитанного данным матричным сплавом.
Технический результат достигается тем, что композиционный материал, содержащий углеграфитовый каркас, пропитанный матричным сплавом на основе меди, содержащим фосфор, дополнительно содержит бескислородную медь в качестве инокулятора при следующем соотношении компонентов матричного сплава, мас.%: бескислородная медь 5,0-18,0; фосфор 4,0-11,0; медь - остальное.
Введение в состав сплава бескислородной меди в указанном диапазоне концентраций приводит к повышению прочностных свойств матричного сплава и КМ, пропитанного данным матричным сплавом, вследствие измельчения структуры сплава. В связи с тем что температура плавления медно-фосфористого сплава значительно ниже температуры плавления бескислородной меди, частицы введенной меди не успевают до конца раствориться в расплаве, образуя мелкодисперсные частицы в матричном сплаве, которые являются дополнительными центрами кристаллизации, которые, в свою очередь, служат инокуляторами при затвердевании сплава.
Введение в состав сплава бескислородной меди в указанном диапазоне концентраций приводит к повышению проникающей способности матричного сплава вследствие снижения краевого угла смачивания сплава, характеризуемой глубиной затекания последнего в искусственные капилляры, выполненные в углеграфите.
Введение в состав сплава бескислородной меди менее 5,0 мас.% нецелесообразно ввиду отсутствия измельчения структуры сплава и ее влияния на проникающую способность, и поэтому соответственно нет увеличения плотности КМ.
Введение в состав сплава бескислородной меди более 18,0 мас.% приводит к перерасходу дорогостоящего инокулятора, снижению соответственно проникающей способности сплава и недостаточной его прочности сцепления с армирующим каркасом.
Предлагаемый сплав обеспечивает более высокие прочностные свойства матричного сплава и КМ, пропитанного данным матричным сплавом.
Пример конкретного изготовления.
ПРИМЕР 1
Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Р - 3,5; Сu - остальное, бескислородная медь - 18,0).
Приготовление сплава производится следующим образом: в расплав медно-фосфористой лигатуры МФ9 ГОСТ 4515-93 при температуре 965°С добавляют гранулированную бескислородную медь марки М0Б ГОСТ 859-2001 в количестве 18%. 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 производилось пропиткой каркаса из углеграфита марки АГ-1500 матричным сплавом под давлением 12 МПа при температуре 965°С и выдержкой под давлением 20 мин.
В качестве технологических характеристик сплава исследовались его плотность, твердость, прочность на сжатие, электросопротивление, проникающая способность и поверхностное натяжение по отношению к углеграфитовому каркасу.
В качестве технологических характеристик КМ определялись плотность и прочность на сжатие.
Прочность сплава и 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.
Проникающая способность 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 с выполненными в нем отверстиями. Таким образом, капли расплава, протекшего через отверстия, собирались на дне 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 три 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 965°С составляло 20 мин, постоянство металлостатического давления на дно стакана обеспечивалось заливкой сплава в стакан.
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 965°С.
Плотность КМ определялась как процент заполнения открытых пор. При этом объем открытых пор определялся на образцах, предварительно пропитанных водой, с последующим определением веса и объема заполнившей образец воды. Сходимость результатов находится в пределах погрешности 1% с определением открытой пористости на ртутном пористомере.
Твердость матричного сплава определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм на прессе Бринелля.
Удельное электрическое сопротивление матричного сплава определялось 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.
Матричный сплав и КМ на его основе в условиях испытаний показали: глубину затекания - 0 мм, поверхностное натяжение - 1,63 Н/м, температуру пропитки - 965°С, твердость по Бринеллю - 102, удельная электрическая проводимость - 9,4 МСм/м, плотность - 45,3%, прочность на сжатие - 220 МПа.
ПРИМЕР 2
Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Р - 4,0; Сu - остальное, бескислородная медь - 16,0).
Пример сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.
Глубина затекания - 0,1 мм, поверхностное натяжение - 1,59 Н/м, температура пропитки - 965°С, твердость по Бринеллю - 112, удельная электрическая проводимость - 9,0 МСм/м, плотность - 49,7%, прочность на сжатие - 225 МПа.
ПРИМЕР 3
Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Р - 7,5; Сu - остальное, бескислородная медь - 8,5).
Глубина затекания - 8,5 мм, поверхностное натяжение - 1,19 Н/м, температура пропитки - 965°С, твердость по Бринеллю - 181, удельная электрическая проводимость - 7,8 МСм/м, плотность - 64,1%, прочность на сжатие - 235 МПа.
ПРИМЕР 4
Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Р - 11,0; Сu - остальное, бескислородная медь - 4,5).
Глубина затекания - 9,7 мм, поверхностное натяжение - 0,86 Н/м, температура пропитки - 965°С, твердость по Бринеллю - 237, удельная электрическая проводимость - 5,7 МСм/м, плотность - 57,9%, прочность на сжатие - 260 МПа.
ПРИМЕР 5
Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Р - 11,5; Сu - остальное, бескислородная медь - 4,0).
Глубина затекания - 9,5 мм, поверхностное натяжение - 0,83 Н/м, температура пропитки - 965°С, твердость по Бринеллю - 245, удельная электрическая проводимость - 5,5 МСм/м, плотность - 58,5%, прочность на сжатие - 265 МПа.
Примеры на варьирование составом сплава, обосновывающие влияние содержания фосфора на технологические характеристики сплава и КМ, приведены в таблице 1.
В сравнении со сплавом-прототипом (Патент ФРГ №3240709) предлагаемый сплав обеспечивает большую твердость и прочность на сжатие в результате инокулирования бескислородной медью, приводящего к повышению прочностных свойств матричного сплава и КМ, пропитанного данным матричным сплавом.