Получение композиционных материалов на основе меди

Рожкова Т. В., Паульс В. Ю. Получение композиционных материалов на основе меди// Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2019. - №2 (17) апрель - июнь. - URL http://e-joumal.omgau.ru/images/issues/2019/2/00724.pdf. - ISSN 2413-4066

УДК 691.73:621.785.5

Рожкова Татьяна Владимировна

Кандидат технических наук, доцент

ФГБОУ ВО "Государственный аграрный университет Северного Зауралья», г. Тюмень

го shkovatv@gau sz. гц

Паульс Вячеслав Юрьевич

Кандидат технических наук, доцент

ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья»,

г. Тюмень

paulsvy@gausz.ru

Получение композиционных материалов на основе меди

Аннотация. Композиционные материалы на основе меди и её сплавов (бронзы, латуни) находят всё более широкое применение в тракторо- и комбайностроении. Современное состояние сельскохозяйственного машиностроения требует изготовления деталей по новым ресурсосберегающим технологиям. Порошковая металлургия позволяет создавать материалы и сплавы с таким сочетанием компонентов, которые нельзя получить обычными методами. В статье рассмотрено получение композиционных материалов на основе меди с добавлением упрочняющих компонентов. Изучены способы получения композитов с различными наполнителями. Включение в медную шихту тугоплавких порошков ванадия, вольфрама, молибдена и ниобия придают изделиям необходимую твердость и стойкость, но значительно повышают стоимость. Исследованы структура и физико-механические характеристики композиционных материалов на основе меди. Показано, что добавление в порошковую смесь карбида кремния позволяет повысить микротвердость и снизить себестоимость спечённых изделий. Установлено, что получение композитов на основе меди с различным сочетанием упрочняющих компонентов, позволяет изготавливать изделия с улучшенными эксплуатационными свойствами. Результаты исследования показали, что композиционные материалы с медной матрицей, полученные электроконтактным спеканием, имеют больший предел прочности по сравнению с порошковыми изделиями, полученными печным способом.

Ключевые слова: композиционные материалы, упрочнение, бронза, медь, карбид кремния, электроконтактное спекание.

Введение

Современное состояние сельскохозяйственного машиностроения требует изготовления деталей по новым ресурсосберегающим технологиям. Порошковая металлургия позволяет создавать материалы и сплавы с таким сочетанием компонентов,

которые нельзя получить обычными методами. При этом происходит значительная экономия металла, а полученные материалы обладают заданными физико-механическими свойствами. Детали, изготовленные методами порошковой металлургии, характеризуются низкой трудоёмкостью и себестоимостью изделий.

Композиционные материалы на основе меди и её сплавов (бронзы, латуни) находят всё более широкое применение в различных отраслях сельскохозяйственного машиностроения: тракторо- и комбайностроении, при изготовлении различного вида сельскохозяйственной техники. Физико-механические характеристики таких материалов вплотную зависят от свойств наполнителя. Включение в медную шихту тугоплавких порошков ванадия, вольфрама, молибдена, ниобия, и др. придают изделиям необходимую твердость и стойкость, но значительно повышают стоимость. Добавление в порошковую смесь неметаллических материалов - кремния, бора и их соединений, позволяет повысить износостойкость и снизить себестоимость спечённого изделия. При этом различная электропроводность компонентов может также существенно повлиять на физико-механические свойства спечённой заготовки [1].

Карбид кремния ^Ю) является доступным и сравнительно дешевым неметаллическим материалом. По твёрдости и прочности он занимает промежуточное место между кремнием и алмазом. Поэтому используется в технике в качестве режущего и абразивного инструмента, а также как коррозионностойкий и жаропрочный материал.[2]. Карбид кремния добавляется в виде тугоплавкого элемента или в качестве дисперсного порошка в подготовленную для спекания порошковую заготовку. Имея меньшую удельную плотность и более высокое удельное электросопротивление по сравнению с металлами, он значительно понижает электропроводность спекаемого материала. Данные композиты хорошо зарекомендовали себя в изделиях, эксплуатирующихся в условиях повышенного износа, а также для получения жаропрочных материалов [3].

Композиционные материалы с тугоплавкими соединениями обычно получают традиционным способом - спеканием в вакуумной печи или в среде осушенного водорода. Но, в случае добавления упрочняющих неметаллических элементов, применяют электрический ток, что позволяет ускорить процесс спекания. Электроимпульсным и электроконтактным способами спекания также можно получать изделия с уникальными сочетаниями материалов и с заданными физико-механическими свойствами, которые нельзя получить традиционными методами порошковой металлургии. При этом время спекания колеблется в пределах от нескольких секунд до нескольких минут. Кроме того, воздействием электрического тока при высокотемпературной обработке можно существенно изменить свойства рабочих поверхностей деталей из медных сплавов [4].

Способ электроконтактного спекания имеет отличие от обычного печного спекания своей физической сущностью. При этом методе температура нагрева порошковой смеси не превышает 0,7-0,9 температуры плавления основного компонента (меди) [5].

В работе исследованы физико-механические характеристики и способы получения композиционных материалов на основе меди с различным сочетанием упрочняющих компонентов.

Материалы и методики исследования

Исходными компонентами для композиционного материала послужили порошки бронзы и меди с различным количеством зеленого карбида кремния (таблица 1). Образцы имели форму цилиндров высотой 13 мм с диаметрами основания 5,7; 13,7 и 20,5 мм. Гранулометрический состав, размеры и форму исходных порошков, а также структуру продольных шлифов выявляли с помощью металлографического микроскопа МИМ-7.

Таблица 1 - Составы порошковых композиций для спекания

№ образца Вид спекания Составы порошковых композиций, мас. %

1 печное Си + 20,2 % БЮ

2 печное БрА9Ж3Н3 + 16,0 % БЮ

3 электроконтактное Си + 5,1 % БЮ

4 электроконтактное БрА9Ж3Н3 + 15,7 % БЮ

Рентгеноструктурный фазовый анализ выполняли по стандартным методикам на дифрактометре ДРОН-2.0 в монохроматизированном излучении.

Микротвердость НУ структурных составляющих образцов измеряли на микротвердомере ПМТ-3М при нагрузке на индентор 1,96 Н по ГОСТ 9450-76. Среднюю микротвердость рассчитывали по результатам 5 - 10 замеров. Относительная ошибка измерений находилась в интервале 8,0 - 12,3 % при доверительной вероятности 0,95.

Испытания на сжатие проводили по ГОСТ 25.503-80 при скорости нагружения 2 мм/мин. Относительная ошибка измерений не превышала 7,6% при доверительной вероятности 0,95.

Сравнение проводили для спечённого композиционного материала между традиционным (печным) и электроконтактным методами.

В первом случае смесь порошков Си + 20,0 % SiC (образец 1) и БрА9Ж3Н3 + 16,0 % SiC (образец 2) тщательно перемешивали с добавлением этилового спирта. Затем предварительно уплотняли в цилиндрической неразъёмной матрице односоосным сжатием со скоростью 2 мм/мин. Давление при предварительном холодном прессовании составило 640-730 МПа. В качестве смазки был применён технический вазелин с дисульфидом молибдена. После этого образец 1 спекали 60 мин при температуре 1073 К в защитной атмосфере экзогаза, а образец 2 спекали 15 мин в вакууме при температуре 1148 К.

Методом электроконтактного спекания были получены композиционные материалы, содержащие Си+5,1 мас. % SiC (образец 3) и БрА9Ж3Н3 + 15,7 мас. % SiC (образец 4). Спекание проводилось в специально изготовленной для этих опытов пресс-форме [6], установленной в зажимах электросварочной машины МРС-50 с одновременным двусторонним прессованием. Предварительное давление в процессе холодного прессования составило 35 МПа, напряжение в процессе спекания 3,34 В.

Результаты исследований

Физико-механические характеристики образцов композиционных материалов после спекания представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Физико-механические характеристики образцов композиционных материалов

после спекания

№ образца Пористость, % Предел прочности, МПа Средняя микротвердость, ГПа

металлической основы при наличии БЮ

1 24 68,1 0,96 -

2 33 70,5 1,04 6,40

3 3 96,3 0,97 4,96

4 6 129,3 1,88 7,35

Анализируя данные таблицы 2 видно, что наилучшие физико-механические показатели имеют образцы 3 и 4 после электроконтрактного спекания.

Характерная микроструктура образца 2 представлена на рисунке 1. На микрофотографии просматривается группирование частиц карбида кремния вблизи поверхности раздела металл-газ, при этом они не претерпели видимых разрушений.

Рисунок 1 - Микроструктура образца 2 (БрФ9Ж3Н3 + 16,0 мас. % SiC), полученного спеканием в вакуумной печи при 1148 К, х500

Металлографический анализ спеченного электроконтактным способом медь-карбидокремниевого материала (образец 3) показал плотную структуру с равномерно распределёнными упрочняющими частицами карбида кремния (на рисунке 2 видны точечные вкрапления SiC). Такая структура аналогична структуре литого материала.

Рисунок 2 - Микроструктура электроспечённого композиционного образца 3, содержащего

Сц+5,1 мас. % SiC, х200

Микрофотография электроспеченной бронзы с карбидом кремния (образец 4) показала также хорошее качество спекания: данный композит имеет достаточно высокую плотность и малые размеры несплошностей (рисунок 3).

Рисунок 3 - Микроструктура электроспечённого композиционного образца 4 (БрА9Ж3Н3 + 15,7 мас. % SiC), х345

Металлографический анализ показал более высокую плотность электроспечённых материалов (образцы 3 и 4). При этом было выяснено, что частицы карбида кремния не претерпели существенных разрушений и равномерно распределены по всему объёму образца (рисунок 2). В целом отмечается высокая плотность всех образцов спеченных композиционных материалов на основе меди.

Подтверждение сохранения частиц карбида кремния после электроконтактного спекания было также проверено рентгеноструктурным фазовым анализом на дифрактометре ДР0Н-2.0.

В результате спекания как печного, так и электроконтактного композиционных материалов на основе меди с карбидом кремния образуется достаточно мягкая матрица. Такая медная основа композита обладает хорошей прирабатываемостью и имеет особый рельеф микроповерхности, тем самым улучшает теплоотвод с участков трения между сопрягаемыми деталями.

Выводы

1. Композиционные материалы позволяют получать уникальные изделия с особыми свойствами, применяемые в ответственных конструкциях и механизмах сельскохозяйственного и общего машиностроения.

2. Количественный состав и вид наполнителя диктуют разнообразие физико-механических характеристик композиционных материалов.

3. Неметаллические включения карбида кремния повышают микротвердость и понижают себестоимость спечённых материалов.

4. Композиционные материалы, полученные электроконтактным спеканием, имеют больший предел прочности по сравнению с порошковыми изделиями, полученными печным способом.

Ссылки на источники

1. Рожкова Т.В. Формирование структуры и свойств материалов на основе меди с карбидом кремния при электроконтактном спекании: дисс. канд. техн. наук: 05.02.01, 05.16.06. Тюмень, 2004. 160 с.

2. Рожкова Т.В., Паульс В.Ю. Применение кремния для восстановления и упрочнения поверхностного слоя деталей // Вестник государственного аграрного университета Северного Зауралья. 2016, № 4. С. 88-94.

3. Рожкова Т.В., Филатов А.С. Антифрикционный материал на основе меди с карбидом кремния // Современные научно-практические решения в АПК: сборник статей II

всероссийской (национальной) научно-практической конференции. - Тюмень: ГАУ Северного Зауралья. 2018. С. 419-423.

4. Паульс В.Ю., Филатов А.С. Электродиффузионная термическая обработка бронзы БрОФ7-0.2 // Современные научно-практические решения в АПК: сборник статей II всероссийской (национальной) научно-практической конференции. - Тюмень: ГАУ Северного Зауралья. 2018. С. 414 - 418.

5. Рожкова Т.В. Исследование новых способов электроконтактного спекания порошковых материалов // Вестник государственного аграрного университета Северного Зауралья. 2016, № 2. С. 122-129.

6. Патент на полезную модель №37955 Российская Федерация, МПК В 22 F 3/14. Устройство для двустороннего прессования и спекания порошков из электропроводящих материалов / Рожкова Т.В., Кусков В.Н; заявка №2004101064/20 от 09.01.2004; опубл. 20.05.2004. Бюл. № 14.

Tatyana Rozhkova

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor FSBEIHE Northern Trans-Ural SAU, Tyumen

Viacheslav Pauls

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor FSBEI HE Northern Trans-Ural SAU, Tyumen

Production of composite materials based on copper

Abstract. Composite materials based on copper and its alloys (bronze, brass) are finding more and more widespread use in tractor and combine construction. The current state of agricultural engineering requires the manufacture of parts for new resource-saving technologies. Powder metallurgy allows you to create materials and alloys with a combination of components that can not be obtained by conventional methods. The article describes the preparation of composite materials based on copper with the addition of reinforcing components. Studied methods for producing composites with various fillers. The incorporation of refractory vanadium, tungsten, molybdenum and niobium powders into the copper mixture gives the products the necessary hardness and durability, but significantly increases the cost. The structure and physicomechanical characteristics of composite materials based on copper are investigated. It is shown that the addition of silicon carbide to the powder mixture can increase the microhardness and reduce the cost of sintered products. It has been established that the production of copper-based composites with a different combination of reinforcing components allows the manufacture of products with improved performance properties. The results of the study showed that composite materials with a copper matrix, obtained by electrocontact sintering, have a greater tensile strength compared with powder products obtained by the furnace method.

Keywords: composite materials, hardening, bronze, copper, silicon carbide, electrocontact sintering.