КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ МЕДИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ ОЦИНКОВАННЫХ СТАЛЕЙ
COPPER COMPOSITE FOR ELECTRODES FOR CONTACT WELDING OF GALVANISED STEEL

Изобретение относится к сварочному производству, в частности - к составам материалов на основе меди для электродов контактной сварки оцинкованных сталей.
Известны материалы на основе меди для электродов контактной сварки, например, бронзы, содержащие хром, титан, цирконий и другие элементы, обеспечивающие прочностные характеристики материала за счет дисперсионного упрочнения. Однако эти бронзы имеют низкую температуру рекристаллизации, что приводит к ускоренному разрушению контактной поверхности электродов [1].
2
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является композиционный порошковый материал на основе меди, содержащий ультрадисперсные частицы оксида титана TiO, полученный методом внутреннего окисления порошка сплава меди с титаном [2], пригодный для сварки оцинкованных сталей. Указанный материал обладает хорошими электрофизическими характеристиками как при комнатной, так и при повышенных температурах и имеет высокую температуру рекристаллизации. Однако недостаточно высокие антифрикционные и противоадгезионные свойства материала, а также нестабильность его контактного сопротивления обусловливают недостаточно высокий ресурс работы изготовленных из него электродов контактной сварки оцинкованных сталей, особенно, электродов для роликовой шовной и стыковой сварки. Кроме этого длительные окислительно-восстановительные отжиги, используемые в технологии получения данного материала, обусловливают высокие цены на него, что не позволяет осуществить его широкое применение в сварочном производстве.
Заявляемое изобретение решает задачу расширения ассортимента материалов, обладающих высокими физико-механическими характеристиками при одновременно высоких показателях антифрикционных, противоадгезионных свойств материала, стабильности его контактного сопротивления и ресурса работы изготовленных из него электродов контактной сварки оцинкованных сталей, а также расширения ассортимента композиционных порошковых материалов на основе меди, обладающих высокими физико-механическими характеристиками.
Эта задача решается тем, что композиционный материал на основе меди, содержащий титан, дополнительно содержит углерод при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Титан
0,2-1,1
Углерод
0,05-0,20
Медь
остальное
Из уровня технически не известны аналоги, обладающие тождественной совокупностью признаков.
Заявляемый материал изготавливают из шихты, приготовленной смешиванием порошков титана (ТУ 48-0501-385-94), углерода (ГОСТ 4404-78) и меди (ГОСТ 4960-75), путем обработки шихты в шаровой мельнице, последующего холодного компактирования полученных гранул в брикеты и их горячей экструзии в пруток или профиль при температуре 750-850°С. При этом компоненты шихты вступают в твердофазные реакции, в результате которых образуется структура материала, представляющая собой практически чистую матрицу с равномерно распределенными в ней ультрадисперсными (10-50 нм) частицами оксида и карбида титана, а также свободного углерода. Наличие в материале равномерно распределенного ультрадисперсного углерода придает материалу высокие антифрикционные и противоадгезионные свойства, обеспечивая тем самым высокий ресурс изготовленных из него электродов контактной сварки и токоподводящих наконечников дуговой сварки.
В соответствии с описанной технологией были изготовлены прутки заявленного материала с вышеуказанным содержанием компонентов, а также материала-прототипа (табл.1).
Таблица 1
Компоненты
Составы, масс.%
№1
№2
№3
Прототип
Титан
0,20
0,50
1,10
0,50
Углерод
0,20
0,15
0,05
-
Медь
99,60
99,35
98,85
99,5
Все полученные прутки были подвергнуты испытаниям с целью определения их физико-механических характеристик, которые приведены в табл.2.
Твердость определялась по ГОСТ 9012-59, электропроводность - по ГОСТ 7229-76, а испытания на растяжение проводились по ГОСТ 1497-84.
Таблица 2
Составы
Физико-механические характеристики
Твердость НВ
Электропроводность, % от электропроводности меди
Временное сопротивление растяжению, МПа
Относительное удлинение, %
Относительное сужение, %
Прототип
143
83
420
18
32
Состав №1
145
87
425
18
33
Состав №2
155
85
510
16
28
Состав №3
185
72
560
12
22
Из табл.2 видно, что прочностные свойства заявляемого материала превосходят прочностные свойства материала-прототипа. При этом заявляемый материал составов №1 и №2 по сравнению с материалом-прототипом имеет и более высокую электропроводность.
Антифрикционные свойства материалов определялись на машине СМЦ-2 по схеме «ролик-колодка» при давлении на контактную поверхность пары трения 2 МПа и скорости скольжения 0,4 м/с. В качестве материала колодки использовались заявляемый материал указанных выше составов и материал-прототип. Для изготовления контртела (ролика) использовалась качественная углеродистая сталь 20, часто применяемая в конструкциях ответственного назначения, получаемых из листовых заготовок роликовой шовной сваркой.
Результаты испытаний приведены в табл.3.
Для оценки противоадгезионных свойств, а также стабильности контактного сопротивления заявляемого материала и материала-прототипа были отштампованы колпачковые электроды типа F диаметром 16 мм по ISO 5821. Испытания проводили при сварке оцинкованной стали толщиной 0,8±0,8 мм при сварочном токе силой 10-11 кА, усилии сжатия электродов - 230 кГс и темпе сварки - 7 пер.
O
Критерием оценки противоадгезионных свойств материалов, а также стабильности их контактного сопротивления было принято относительное изменение контактного сопротивления электродов, обусловленное в основном диффузией жидкого цинка в материал электродов, а также зашлаковыванием их контактных поверхностей. Измерялось контактное сопротивление между двумя электродами до (R) и после (R) испытаний и определялось относительное его изменение по формуле:
O
ΔR=R/R.
Результаты измерений приведены в табл.3.
Таблица 3
Составы
Антифрикционные свойства
Относительное изменение контактного сопротивления
Коэффициент трения
Удельный износ, мг/км
Удельная нагрузка заедания, кгс/см<sup>2</sup>
Прототип
0,030
0,403
163
1,34
Состав №1
0,028
0,365
181
1,24
Состав №2
0,024
0,347
287
1,29
Состав №3
0,022
0,326
363
1,32
Из табл.3 видно, что заявляемый материал обладает значительно более высокими антифрикционными и противоадгезионными свойствами, а также более стабильным контактным сопротивлением, чем материал-прототип.
Для определения ресурса электродов контактной сварки были проведены сравнительные испытания холодноштампованных колпачковых электродов типа F диаметром 16 мм по ISO 5821, изготовленных из заявляемого материала указанных выше составов и материала-прототипа. Испытания проводили при сварке оцинкованной стали толщиной 0,8±0,8 мм при сварочном токе силой 10-11 кА, усилии сжатия электродов - 230 кГс и темпе сварки -7 пер.
Критерием оценки ресурса работы электрода служило количество сваренных точек до его перезаточки, необходимость в которой наступала в том случае, когда диаметр контактной поверхности электрода увеличивался на 20% по сравнению с его исходным диаметром. Измерение диаметра контактной поверхности электрода производилось через каждые 100 циклов сварки. Если измеренный диаметр превосходил исходный диаметр на 20%, то за значение ресурса электрода принималось количество сваренных им точек, которое было зафиксировано при проведении предыдущего измерения контактной поверхности электрода.
Результаты ресурсных испытаний приведены в табл.4.
Таблица 4
Составы
Количество сваренных точек до переточки электрода, шт.
№ испытания
1
2
3
4
5
Среднее значение
Прототип
2300
2500
2100
2700
2400
2400
Состав №1
2400
2900
2800
3000
2500
2720
Состав №2
2600
2300
2900
3100
3200
2820
Состав №3
2800
3300
3100
3400
2900
3100
Из табл.4 видно, что электроды из заявляемого материала имеют ресурс, превосходящий ресурс электродов из материала-прототипа.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания и формулы изобретения
1. Справочник по обработке цветных металлов и сплавов / А.П. Смирягин, Н.З. Днестровский, А.Д. Ландиков и др. / Под ред. Л.Е. Миллера - М.: Металлургиздат, 1961. 872 с.
2. Данелия Е.П., Розенберг В.М. Внутреннеокисленные сплавы. - М.: Металлургия, 1978. 232 с.