CC BY
18
УДК 621.762
разработка технологии получения заготовок электродов для машин контактной сварки на основе порошковой композиции
А. А.Григорьев
Ключевые слова: порошковые материалы, электроды, прессование, экструзия, механические свойства, оксид алюминия, технологические схемы, порошковые изделия.
Свойства дисперсионно-упрочненной меди и ее применение
Наиболее распространенными материалами для изготовления наконечников машин контактной сварки являются сплавы на основе меди, легированной элементами, которые минимально снижают ее электропроводность и повышают твердость и прочность. Однако применяемые в них легирующие элементы дороги.
Дисперсионно-упрочненная медь обладает уникальным соединением качеств — высокой прочностью и значительной электро- и теплопроводностью [1]. Еще более важно то, что она сохраняет значимую долю своих свойств во время и после воздействия на нее высоких температур по сравнению с любыми другими медными сплавами.
Свойства дисперсионно-упрочненной меди могут быть изменены в зависимости от широкого диапазона проектных требований путем варьирования содержания оксида алюминия в ней или длительности холодной обработки. В связи с тем что дисперсионно-упрочненная медь в основном содержит небольшое количество оксида алюминия в виде частичек в чистой медной матрице, ее физические свойства очень схожи со свойствами чистой меди. Опытные данные показывают, что температура плавления рассматриваемой меди такая же, как и для чистой меди, поскольку матрица плавится, а окись алюминия отделяется от расплава. Плотность, модуль упругости и коэффициент теплового расширения такие же, как и у чистой меди.
Высокие показатели электро- и теплопроводности представляют особенный интерес для электрической и электронной промышленности. При комнатной температуре они находятся в интервале от 78 до 92 % от соответствующих значений для чистой меди. В сочетании с высокой прочностью качества таких материалов гарантируют повышенные способности к переносу элек-
трического тока или тепла с учетом различных размеров сечения и конструкционной прочности. Кроме того, они обеспечивают снижение размеров сечения для миниатюризации компонентов не в ущерб конструкционной прочности или способностям нести ток или тепло. При повышенных температурах электро- и теплопроводности дисперсионно-упрочненной меди практически аналогичны тем же значениям чистой меди. Прочность дисперсионно-упрочненной меди сравнима с прочностью многих сталей, а проводимость — с проводимостью меди. Например, волочение проволоки из такого материала позволяет получить продукцию с диаметром от 28,60 до 0,25 мм без промежуточного отжига. Эти характеристики не похожи на параметры большинства медных сплавов и обусловлены медленной скоростью затвердевания дисперсионно-упрочненной меди.
Дисперсионно-упрочненная медь показывает высокий предел текучести по отношению к пределу прочности на разрыв и сохраняет большинство своих прочностных характеристик даже после отжига [2]. Это отношение предела текучести к пределу прочности на разрыв обычно выше у меди и ее сплавов в условиях холодной обработки, но оно резко падает, когда сплавы подвергаются отжигу. Упрочненная медь также имеет высокий коэффициент сохранения предела текучести, что может быть определено как отношение предела текучести в условиях отжига к пределу текучести в условиях затвердевания. Высокие значения данного соотношения при температурах отжига, близкие к температуре плавления медной матрицы, указывают на ее способность сопротивляться размягчению.
Отжиг обеспечивает пластичность дисперси-онно-упрочненной меди. В связи с высоким коэффициентом сохранения предела текучести дис-персионно-упрочненная медь обеспечивает самый высокий предел текучести для данной величины пластичности среди медных сплавов с высокой
|32
№ 4 (52)/2009
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
проводимостью. Дисперсионно-упрочненная медь обладает прекрасным сопротивлением усталости.
Дисперсионно-упрочненная медь имеет прекрасную прочность при повышенных температурах [3]. Проводились эксперименты для сравнения дисперсионно-упрочненной меди с другими материалами на базе меди. Когда этот материал подвергался усилию на разрыв в течение 100 ч при температуре до 870 °С, то для образцов в интервале от чистой меди до сплавов, упрочненных осаждением, наблюдалось резкое падение сопротивления усилиям на разрыв на отрезке от 200 до 450 °С. При температуре свыше 400 °С дис-персионно-упрочненная медь имеет лучшие показатели, чем все прочие сплавы. После 600 °С дисперсионно-упрочненная медь имеет прочность, сравнимую с прочностью некоторых нержавеющих сталей.
Дисперсионно-упрочненная медь имеет прекрасную тепловую устойчивость при высоких температурах, так как частицы оксида алюминия сохраняют свой исходный размер и распределение даже после значительного нагрева, мешают рекристаллизации матрицы.
Холодная обработка в значительной мере способствует улучшению прочностных свойств дис-персионно-упрочненной меди. Чем выше температура, тем заметнее этот вклад.
Целями работы являлись создание нового материала на основе системы Си-А^Оз и исследование его электропроводности, механических свойств, технологических параметров получения.
Экспериментальное исследование технологических схем получения заготовок из дисперсионно-упрочненной меди
Для проведения экспериментов были выбраны материалы, полученные различными способами:
распылением, распылением с последующим размолом и механическим легированием с разным содержанием А12О3. Также опытным путем исследовали дополнительную окислительно-восстановительную обработку распыленных сплавов порошков. Всего было опробовано три технологии (см. таблицу). Исходные порошки подвергались длительному нагреву на воздухе. При этом происходило полное окисление как меди, так и алюминия. Затем полученный порошок подвергался воздействию восстановительной атмосферы: отмечено восстановление оксида меди, оксид алюминия оставался в окисленном состоянии.
После формовки и спекания производилась переточка заготовок на токарном станке на диаметр 17,5 и 28,0 мм в зависимости от используемой для выдавливания оснастки. После подготовки и нагрева в печи при 950 °С в течение 20 мин заготовки подвергли прямому горячему выдавливанию (экструзии) на предварительно прогретой до 350 °С оснастке. Нагрев образцов производился в безокислительном контейнере в присутствии активированного угля на протяжении 12-20 мин при экструзии в контейнере 18 мм и 25-30 мин при экструзии в контейнере 29 мм.
Диаметр прутка на выходе составлял 5,0; 5,5 мм (на оснастке с диаметром внутреннего блока 18 мм), а при прессовании на оснастке с диаметром внутреннего блока 19 мм — 6,0 и 7,0 мм, что соответствует вытяжкам 11, 14, 18 и 24. Прессование проводилось на 160-тонном гидравлическом прессе. Имела место фиксация максимального усилия прессования (рис. 1). Полученные данные могут служить основой для расчета промышленной оснастки (пуансона, пресс-блока, матрицы и т. д.).
После прессования определялась плотность получаемых прутков методом гидровзвешива-
Технологии обработки порошков, включающие окисление с последующим восстановлением
Режим Технология
1 Полное окисление порошка путем перевода в окалину при 960 °С (2,5 ч), перемешивание. Восстановление меди при 500 °С (3 ч). Размол, рассев. Брикетирование (формовка) в глухую матрицу при 500 МПа. Спекание (восстановление в Н2) при 950 °С (3 ч). Экструзия при 900 °С
2 Поверхностное окисление 450 °С (0,5 ч). Внутреннее окисление порошка при 850 °С (8 ч) в защитном контейнере с добавкой закиси меди. Восстановление меди при 500 °С (3 ч) в Н2. Размол, рассев. Брикетирование (формовка) в глухую матрицу при 500 МПа. Спекание (восстановление в Н2) при 950 °С (3 ч). Экструзия при 900 °С
3 Брикетирование (формовка) в глухую матрицу при 500 МПа. Полное окисление порошка путем перевода в окалину при 960 °С (2,5 ч). Спекание (восстановление в Н2) при 950 °С (3 ч). Экструзия при 900 °С
№ 4 (52)/2009
зз
р, МПа 1300 -
1200 -
1100 1000 900
—I—
14
16
18
20
22
24
4,0 3,53,0
8 2,5-
I
а
! 2,0-1
1,5 1,0 0,5
10 12
—I—
14
16
18
Вытяжка
20
22 24
26
Вытяжка
Рис. 1. Зависимость среднего давления р на пуансоне от вытяжки. Распыленный сплав Си + 0,58 % А1
ния (рис. 2). Видно снижение пористости с увеличением вытяжки до 18-20 и последующий незначительный рост. Это можно объяснить возникновением явления перепрессовки, которая зависит от многих параметров: степени деформации, смазки, формы матрицы, величины калибрующего пояска и т. д.
Электропроводность материалов, получаемых распылением и размолом, находится на уровне 40 % от электропроводности чистой меди и в диапазоне содержания А12О3 от 0,4 до 2,0 % не зависит от него. Твердость этих материалов обусловлена содержанием оксида в более существенной мере, чем электропроводность. Введение до 0,2 % А12О3 вызывает увеличение твердости получаемых прутков в два раза.
Выводы
1. Показана принципиальная возможность создания токоведущих наконечников для машин контактной сварки из композиционных материалов и исследованы композиционные материалы на основе системы Си-А^Оз.
2. Проведенные металлографические исследования исходных порошков показывают различную форму и строение частиц, полученных разными способами. В случае аттрирования отдельные частицы образуют конгломераты. Размер частиц во всех случаях примерно одинаков.
3. Различие в форме частиц оказывает непосредственное влияние на насыпную плотность порошка и плотность получаемых в дальнейшем брикетов при холодной формовке. Брикеты, выработанные из распыленного порошка, обладают более высокой плотностью. Содержание оксида алюминия не оказывает существенного влияния на плотность этих брикетов.
Рис. 2. Зависимость пористости прутков от степени вытяжки
4. Электропроводность материалов, получаемых распылением и размолом, находится на уровне 40 % от электропроводности чистой меди и в диапазоне содержания А12О3 от 0,4 до 2,0 % не зависит от него; если эта величина составляет 0,2 %, происходит резкое снижение электропроводности. Твердость получаемых материалов зависит от содержания оксида более существенно, чем электропроводность. Введение до 0,2 % А12О3 вызывает увеличение твердости получаемых прутков в два раза.
5. Окисление и восстановление предварительно сформированных брикетов (режимы 1 и 2) хотя и дают повышение электропроводности до уровня 60 % электропроводности чистой меди, но недостаточны для получения требуемых физико-механических свойств. При одинаковой твердости и содержании А12О3 предпочтение следует отдать режиму 2 (75 % от электропроводности меди).
6. При достаточно хорошем окислении с последующим восстановлением содержание оксида алюминия незначительно влияет на электропроводность, но повышает твердость (прочность) материала. Имеется ресурс повышения электропроводности меди: за счет применения более сложных технологий окисления обеспечено повышение электропроводности до 70-80 % от электропроводности чистой меди.
Литература
1. Порошковая металлургия и напыленные покрытия / Под ред. Б. С. Митина. М.: Металлургия, 1987. 792 с.
2. Ничипоренко О. С. Порошки меди и ее сплавов. М.: Металлургия, 1988. 206 с.
3. Федорченко И. М., Францевич И. Н., Радомы-сельский И. Д. и др. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справочник. Киев: Наукова думка, 1985. 624 с.
№ 4 (52)/2009
