СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЫЛЕННОГО ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННОГО ПОРОШКА НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ
METHOD FOR PRODUCTION OF SPRAYED DISPERSEDLY STRENGTHENED COPPER-BASED POWDER

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения дисперсно-упрочненных порошков на медной основе методом распыления, которые могут быть использованы при изготовлении композиционных материалов для различных отраслей техники, в том числе в энергетике, электротехнике, машиностроении и т.д.
Известен способ получения дисперсно-упрочненных порошков методом распыления из различных сплавов по а.с. СССР №1748949, B22F 9/10, опубл. в БИ №10, 1992 г., по которому в распыляемый расплав вводят лигатуру в количестве 50-90%, предварительно экструдированную при 100-400°С. Недостатком этого способа является наличие энергоемкой и трудозатратной дополнительной операции экструдирования лигатуры, требующей специального оборудования и оснастки.
Наиболее близким к заявляемому решению является способ получения дисперсно-упрочненного оксидом металла порошкообразного медного сплава по заявке Японии №1 - 53327, B22F 9/08, опубл. в ИСМ №7, 1990 г.
В способе диспергирования оксида металла в меди или медном сплаве при температурах, превышающих температуру плавления меди и медного сплава, в расплав медного сплава, содержащего одну легирующую добавку, например Al, Si или Sn, добавляют оксид меди 1 или оксид меди 2, далее проводят селективное окисление легирующей добавки, механическое перемешивание расплава и распыление ДУ порошков медного сплава, содержащего 0,1-5% легирующих добавок в пересчете на оксид.
Недостатками данного способа является наличие операции окисления легирующих добавок Al, Si или Sn оксидами Сu, вводимыми в расплав меди или медного сплава, при этом трудно получить равномерное распределение в расплаве окисляющих добавок, а следовательно, и образующихся дисперсно-упрочняющих оксидов Al, Si или Sn в распыленном порошке. Одновременно, неоднородность распределения этих оксидов в расплаве наследуется получаемым порошком, вследствие чего неоднородна и структура, и связанные с нею физико-механические характеристики как порошкового материала, так и изделия из него.
Задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в разработке способа изготовления дисперсно-упрочненных порошков на медной основе с однородно распределенными в каждой частице дисперсными включениями.
Материалы и изделия из таких порошков обладают повышенными механическими и триботехническими характеристиками при высоких тепло- и электропроводности.
Поставленная задача решается тем, что способ изготовления распыленного дисперсно-упрочненного порошка на медной основе, включающий операции расплавления меди, введения в него добавок, распыления полученного расплава в порошок, отличается тем, что в расплав меди вводят добавки, ограниченно растворяющиеся в расплаве, расплав нагревают на 50-150°С выше температуры плавления добавок и выдерживают расплав в печи при постоянном перемешивании до полного растворения. Способ также отличается тем, что в качестве добавки в расплав меди вводят сплав Fe-Cr-C в количестве 3-10% мас.%. Кроме того, способ отличается тем, что добавки вводят одновременно с медью, а также тем, что после получения расплава на поверхность зеркала расплава меди наводят покровный флюс.
Способ, который заявляется, позволяет получать дисперсно-упрочненные порошки на медной основе с однородно распределенными в каждой частице дисперсными включениями за счет дисперсного упрочнения меди или медных сплавов дисперсными частицами, образующимися в жидком расплаве в результате эмульгирования расплава. В качестве дисперсных упрочняющих добавок используют сплавы, характеризующиеся ограниченной растворимостью в жидкой меди, например сплав системы Fe-Cr-C, в котором хром и железо имеют ограниченную растворимость в меди, а углерод практически в ней не растворим. Установлено, что углерод заметно расширяет область несмешивания в системе Сu-Сu.
В данном способе источником фазы, которую упрочняют, является расплав, а компоненты, которые составляют основу упрочняющей фазы, имеют минимальную растворимость и диффузионную подвижность в медной матрице и это сохраняется как в диапазоне температур жидкого состояния сплава, так и в твердофазном состоянии материала. Получение однородных дисперсных включений достигается в эмульсии при температуре выше температуры несмешивания, т.е. температуры бинодели. Однако достижение таких высоких температур связано с рядом металлургических трудностей, например стойкостью футеровки, повышенным расходом электроэнергии и др. При постоянном перемешивании расплава возможно снижение температуры распыления до значений на 50-150°С выше температуры плавления добавки. Снижение температуры распыления ниже указанной невозможно, так как в связи с неоднородностью температурного поля в объеме плавильной печи, а также потерей температуры при переливе расплава в ковше возможно появление крупных твердых включений, что существенно снижает дисперсность и однородность их распределения. Перегрев выше 150°С температуры плавления добавки приводит к увеличению расхода электроэнергии без заметного улучшения параметров упрочняющей фазы. При вводе менее 3% добавки не обеспечивается необходимое упрочнение меди, а при вводе свыше 10% образуются крупные упрочняющие включения.
Размеры и распределение в расплаве включений наследуются структурой распыленных порошков, а наличие их, в том числе и на поверхности диспергируемых капель, повышает вязкость расплава, что способствует образованию частиц зернистой формы.
Преимуществами заявляемого способа являются следующие:
- высокая экономичность и простота осуществления способа получения порошков меди и ее сплавов, упрочненных дисперсными добавками;
- повышенные физико-технологические характеристики порошков, обеспечиваемые дисперсностью упрочняющих частиц и высокой степенью однородности их распределения в частицах порошка;
- повышенная прессуемость, определяемая зернистой формой частиц и наличием на их поверности упрочняющей фазы.
Общими признаками прототипа и изобретения являются операции расплавления меди, введения в него добавок, распыление полученного расплава в порошок.
Отличительными признаками является то, что в расплав меди вводят добавки, ограниченно растворяющиеся в указанном расплаве, расплав нагревают на 50-150°С выше температуры плавления добавок и выдерживают расплав в печи при постоянном перемешивании до полного растворения, в качестве добавки в расплав меди вводят сплав Fe-Cr-C в количестве 3-10 мас.%, кроме того, добавки вводят одновременно с медью, а на поверхность зеркала расплава меди наводят покровный флюс.
Указанные признаки являются существенными, так как сравнение заявляемого решения с другими известными техническими решениями в данной отрасли техники не позволило обнаружить в них признаки, аналогичные заявляемому решению.
Критериями оценки способа являются следующие физико-технологические характеристики порошка:
- насыпная плотность, определяемая согласно ISO 3923;
- текучесть, определяемая согласно ISO 4490;
- прессуемость, определяемая согласно ISO 3927;
- форма частиц, распределение и размер дисперсной фазы определялись на сканирующем электронном микроскопе типа Стереоскан с анализатором Хитачи. Сущность изобретения заключается в следующем.
2
В объем графитового тигля индукционной плавильной печи вводят медь, которую расплавляют, потом добавляют дисперсно-упрочняющую добавку, например сплав системы Fe-Cr-C (хромистый чугун). После полного получения расплава наводят покровный флюс, например SiO. Возможен ввод хромистого чугуна в печь одновременно с медью. Полученный расплав нагревают до температуры 1440-1590°С, что на 50-150°С выше температуры плавления добавки, удаляют флюс и производят распыление порошка.
Пример осуществления изобретения
В ванну с жидкой медью погружают куски хромистого чугуна, предварительно разделанного на куски размером примерно (100×100×100) мм в количестве до 6,5 мас.%. После нагрева расплава до температуры 1515°С и выдержки в течение 10-15 мин, что определяется полным расплавлением добавки при постоянном индукционном и механическом перемешивании, расплав распыляют в порошок.
Физико-технологические параметры полученного порошка следующие:
3
насыпная плотность - 3,4 г/см;
-1
текучесть - 38,5 с;
уплотняемость при Р=4,0 МПа - 79,5%;
форма частиц - зернистая;
распределение дисперсной фазы - однородное;
размер дисперсной фазы - 1-5 мкм.
Другие примеры осуществления способа показаны в таблице.
Анализ представленных в таблице данных показывает, что предлагаемый экономичный и простой в реализации способ позволяет получать дисперсно-упрочненные порошки на медной основе с повышенными физико-технологическими характеристиками, а именно достаточной насыпной плотностью, а улучшенные по сравнению в прототипом характеристики текучести и уплотняемости, а также зернистая форма частиц порошка с равномерным распределением упрочняющей фазы размером 1-5 мкм определяют достаточную формуемость порошков, в том числе и на автоматических линиях.
Предлагаемый способ позволяет получать целый ряд композиционных дисперсно-упрочненных порошков и на их основе материалы и изделия конструкционного, антифрикционного, уплотнительного, контактного и другого назначения с эксплуатационными характеристиками, которые превышают действующие аналоги.