МАТРИЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ МЕДИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРОПИТКОЙ УГЛЕГРАФИТОВОГО КАРКАСА
COPPER MATRIX ALLOY FOR PRODUCTION OF COMPOSITE MATERIALS BY IMPREGNATION OF GRAPHITIZED CARBON VARCASS

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 композиционный материал, содержащий борид титана в медной матрице, который содержит 60 мас.% титана и 40 мас.% бора, полученный методом порошковой металлургии (Патент GB №2419604, МПК С07С 303/00, С07С 309/00, С07С 303/44, опубл. 26.10.2006). Материал имеет высокую прочность при растяжении. Недостатком данного материала являются его невысокие плотность и электротехнические свойства.
Известен полученный методом порошковой металлургии спеченный материал, применяющийся для контактных вставок троллейбуса и имеющий следующий химический состав (мас.%): Pb - 12-16; Sn - 3-8; графит - 1-4; Cu - остальное (Патент RU №2174563, МКП С22С 9/08, С22С 1/05, Н01Н 1/02 опубл. 10.10.2001). Материал имеет хорошую коррозионную стойкость и однородность состава, но обладает невысокими электропроводностью и прочностью. Последнее обстоятельство не позволяет получить композиционный материал высокого качества.
Известен матричный сплав на основе меди, применяемый для получения композиционных материалов пропиткой и имеющий следующий химический состав (мас.%): Ti - 16; Sn - 20; Cu - остальное (Патент США №3956568, МКП С22С 1/10, С22С 32/00, опубл. 11.05.1976). Сплав обладает хорошей жаростойкостью и жидкотекучестью, но имеет высокую температуру плавления и не предназначен для работы в условиях трения. Последнее обстоятельство не гарантирует получения качественного КМ.
Известен сплав на основе 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, МКП С22С 9/01, опубл. 09.01.1995). Сплав обладает высоким пределом прочности, при средней плотности и плохой электрической проводимости.
Наиболее близким по технической сущности является матричный сплав на основе меди, содержащий 0,1-11,0 мас.% смеси порошков борида титана и титана с содержанием бора 30% и титана 70% (Патент РФ №2447171 С22С 9/00, С22С 1/04, опубл. 27.10.2011). Сплав обеспечивает повышение качества композиционного материала, имеющего большую плотность и прочность, в результате пропитки данным матричным сплавом, но имеет невысокие электротехнические свойства.
Задачей изобретения является создание матричного сплава на основе меди, обладающего повышенными литейными и электропроводными свойствами.
Техническим результатом данного изобретения является композиционный материал с повышенной износостойкостью и электропроводностью.
Технический результат достигается тем, что в матричном сплаве на основе меди для получения композиционных материалов пропиткой углеграфитового каркаса, содержащем смесь порошков с содержанием в смеси бора 30%, при этом в качестве смеси используют смесь тетрабората лития и лигатуры медь-бор с содержанием в смеси лития 8%, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Смесь порошков тетрабората лития и
лигатуры медь-бор с содержанием
в смеси бора 30% и лития 8%
0,1-5,0
Медь
Остальное
Содержание в смеси порошков тетрабората лития и лигатуры медь-бор бора 30% и лития 8% достигается за счет добавления лигатуры медь-бор (Стандарт СМ121С), с содержанием бора - 2,0 мас.%, медь - остальное. Использование в составе смеси тетрабората лития приводит к увеличению жидкотекучести и снижению краевого угла смачивания сплава до 40°, что позволяет сплаву лучше проникать в поры углеграфитового каркаса и приводит к увеличению межфазного взаимодействия между пропитывающим сплавом на медной основе и углеграфитовым каркасом.
Литий в составе смеси тетрабората лития и лигатуры медь-бор с содержанием в смеси бора 30% и лития 8% позволяет повысить электропроводные характеристики композиционного материала (КМ), полученного на основе углеграфитового каркаса, пропитанного данным матричным сплавом.
Введение бора в матричный сплав в составе смеси тетрабората лития и лигатуры медь-бор с содержанием в смеси бора 30% и лития 8% позволяет уменьшить размер зерна, что улучшает механические свойства матричного сплава, для пропитки углеграфитового каркаса.
Введение в состав сплава смеси тетрабората лития и лигатуры медь-бор с содержанием в смеси бора 30% и лития 8%, в указанном диапазоне концентраций (0,1-5,0 мас.%), приводит к повышению износостойкости и электропроводности композиционного материала.
Введение в состав смеси порошков тетрабората лития и лигатуры медь-бор с содержанием в смеси бора 30% и лития 8% в количестве менее 0,1 мас.% недостаточно, так как не приводит к какому-либо значительному увеличению электропроводных и литейных свойств сплава и, соответственно, не оказывает влияния на свойства КМ.
Введение в состав сплава смеси порошков тетрабората лития и лигатуры медь-бор с содержанием в смеси бора 30% и лития 8% в количестве более 5,0 мас.% является нерациональным, так как не приводит к дальнейшему увеличению литейных и электропроводных свойств и, соответственно, износостойкости и электропроводности КМ.
Предлагаемый сплав обеспечивает более высокие электропроводные и прочностные свойства матричного сплава и КМ, пропитанного данным матричным сплавом.
Пример конкретного изготовления.
ПРИМЕР 1
Приготовление сплава производится следующим образом: в расплав меди марки M1 ГОСТ 859-2001 (с содержанием меди 99,90 мас.%,) при температуре 1200°C  добавляют заранее приготовленную и помещенную в медную трубку с герметичными концами смесь порошков в количестве 0,1 мас.%, включающую: лигатуру медь-бор (содержащую бора - 2,0 мас.%, медь - остальное) и тетраборат лития с содержанием в смеси бора 30% и лития 8%. 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 производилось 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 определили плотность и прочность на сжатие.
Для определения поверхностного натяжения сплавов изготавливали 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 1105°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. Для уточнения результатов  проникающая способность определялась как среднее значение глубины затекания из трех опытов. Испытания проводились в атмосфере аргона.
Время изотермической выдержки сплава при температуре 1200°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.
3
3
Матричный сплав и КМ на его основе в условиях испытаний показали: поверхностное натяжение - 0,94 Н/м, жидкотекучесть - 8 мм, температура пропитки - 1200°C, твердость по Бринеллю - 93, удельная электрическая проводимость - 42,5 См/м, плотность - 2,85·10 кг/м, прочность на сжатие - 235 МПа.
ПРИМЕР 2-7
Приготовление сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.
Примеры на варьирование составом сплава, обосновывающие влияние содержания борида титана на технологические характеристики сплава и КМ, приведены в таблице.
Таким образом, предлагаемый сплав на основе меди для получения композиционных материалов пропиткой углеграфитового каркаса обеспечивает повышенную износостойкость и электропроводность КМ.