УДК 621.746.628.4
Современные технологии упрочнения медно-матричных композиционных сплавови перспективы их развития
Перфильева А.И.
Научный руководитель д-р техн. наук Бабкин В.Г.
Сибирский федеральный университет
Из-за низкого удельного сопротивления, медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников. Чистая медь обладает высокой электрической проводимостью (58 МОм/м), но при этом низкими прочностными свойствами. В связи с этим возникает вопрос о получении композиционного сплава на медной основе для электротехнического назначения.
В литературе описываются различные методы упрочения меди. Основные из них:
метод замешивания порошкообразного карбида WC в расплав меди при воздействии низкочастотных колебаний;
метод механического легирования меди алмазными наночастицами;
метод получения конденсированных композитов с применением вольфрама;
метод высокотемпературной термомеханической обработки.
Приведенные технологии получения дисперсно-упрочненных металло-матричных композитов, содержащих медную матрицу и упрочняющие элементы (карбиды, алмазные наночастицы, тугоплавкие переходные металлы и др.) относятся, в основном, к методам порошковой металлургии или металлургическим методам: электронно-лучевого переплава компонентов композита с ограниченной растворимостью, их испарением и смешением в паровом потоке; получения полуфабрикатов из дисперсно-твердеющего низколегированного медного сплава с их последующей термо-механической обработкой; получения литых композиционных материалов, основанным на замешивании дискретных армирующих частиц в расплаве с применением механического, электромагнитного и других методов перемешивания жидкого металла вблизи температуры плавления.
Недостатками этих методов являются:
необходимость применения большого количества операций обработки;
снижение электропроводности и пластических свойств сплава с увеличением содержания примесей;
загрязнение материала железом вследствие истирания стальных мелющих тел в процессе механического легирования;
необходимость применения шаровых мельниц и низкочастотных колебаний.
Наиболее перспективным методом, разработанным американскими учеными, является метод упрочнения медного сплава диспергированным карбидом.
Он заключается в ведении в медно-матричную основу диспергатора и карбидов хрома, вольфрама или молибдена. После этого проводилось механическое перемешивание сплава до самой разливки его в слитки, из которых впоследствии путем прокатки или волочения получали электропроводники.
Результаты эксперимента показывают, что электропроводники, полученные данным методом имеют достаточную прочность (649 Н/мм2) при высокой температуре (400°С), а также имеют необходимую электропроводность.
В частности, электрический проводник, к которому был добавлен трихромиумдикарбид, имеет прочность на разрыв 649 Н/мм2 при 400° C., что больше чем в два раза, чем у проводника из чистой меди (301 Н/мм2) при той же температуре.
Однако и у этого метода есть недостатки. В первую очередь это грубая микроструктура, образованная крупными включениями карбидов, вследствие чего ухудшается деформируемость металла.
Жидкофазные технологии получения композиционных материалов следует признать перспективными, поскольку они позволяют получать композиты с заданными свойствами, любых размеров и веса, в том числе наноструктурированных сплавов и композитов с повышенными термомеханическими параметрами. Однако технология их получения требует дальнейшего развития и совершенствования. В частности, необходимо развивать исследования по получению литых композиционных материалов, армированных дискретными частицами, синтезированными непосредственно в расплаве.
На кафедре МиТОМ СФУ на протяжении ряда лет разрабатываются новые технологии получения алюмо-матричных литых композитов, упрочненных дискретными частицами тугоплавких карбидов, синтезированных в расплаве. В данной работе представлена попытка получения медно-матричных композитов электротехнического назначения, армированных дисперсными частицами карбидов переходных металлов. Карбиды переходных металлов проявляют уникальное сочетание физических и механических свойств: высокие температуры плавления, электрическая проводимость, твердость, теплота образования и химическая стойкость в агрессивных средах.
Способ получения литого композиционного материала на основе меди включает приготовление сплава системы Cu-переходной металл (Ti, Zr, Cr и др) и последующий ввод в расплав реакционной смеси для синтеза армирующих частиц. Реакционная смесь состоит из алмазографитного порошка НП-АГ в количестве, необходимом для получения заданной концентрации дискретных керамических частиц и поверхностно-активного вещества, способствующего равномерному распределению дискретных карбидов в предлагаемом сплаве. Согласно проведенным исследованиям, предпочтительно синтезировать частицы, хорошо смачиваемые расплавом и термодинамически устойчивыми в нем. О возможности синтеза тугоплавких карбидов судили по величине термодинамического потенциала реакций их образования в расплаве меди. Результаты расчетов ∆G представлены в таблице.
Таблица 1.
Термодинамические потенциалы реакций образования карбидов тугоплавких переходных металлов
Карбиды
|
С*, %
|
Т, К
|
-∆G, кДж/моль
|
TiC
|
20.05
|
1100
1200
1300
|
172, 1632
171, 0645
170, 0555
|
ZrC
|
11.6
|
1100
1200
1300
|
174, 5089
173, 5859
172, 664
|
Cr3C2
|
13.2
|
1100
1200
1300
|
58, 9631
64, 0691
63, 1751
|
C* - содержание углерода, соответствующее верхнему пределу области гомогенности.
Из таблицы следует, что образование карбидов в расплаве меди возможно, и их прочность возрастает в следующей последовательности: Cr3C2→ZrC→TiC.
Для обеспечения стабильности частиц, образовавшихся в расплаве и предотвращения их укрупнения должно выполняться соотношение:
где  и  – межфазная энергия на границе контакта частицы с газом и металлом соответственно.
Изменение энергии Гиббса зависит от значения краевого угла смачивания (Ѳ) расплавом поверхности твердой частицы. При Ѳ>90º обеспечивается слипание частиц и образование их скоплений, если Ѳ<90º, то процесс коагуляции термодинамически невозможен. В Таблице 2 приведены краевые углы смачивания карбидов расплавами на основе меди.
Таблица 2.
Краевые углы смачивания карбидов расплавами меди
Металлический расплав, масс.%
|
t, ° C
|
Среда
|
Ѳ, град.
|
Wa, МДж/м2
|
Карбид титана
|
Медь
98Cu – 2 Cr
90 Cu – 10 Ti
|
1100-1250
1150
1050-1250
|
Вакуум
Вакуум
Вакуум
|
135-130
65
8-75
|
390-470
2535
1985-1650
|
Карбид циркония
|
Медь
Cu – Ni (0.1%)
Cu – Ni (0.25%)
|
1100-1500
1200
1200
|
Аргон
Аргон
Аргон
|
140-118
63
54
|
316-680
|
Из таблицы следует, что хром и никель являются поверхностно-активными по отношению к меди и могут быть использованы при получении литых композиционных материалов на основе меди.
Для приготовления композиционного сплава использовали индукционную тигельную печь, в которой плавили медь марки М3 и перегревали расплав до 1150° C. В расплав загружали губчатый титан и, после его растворения, вводили таблетки Cu-Cr-C. После этого проводили выдержку в течение 20 мин для протекания синтеза керамических частиц и их распределения в объеме расплава, затем осуществляли перемешивание и разливку при заданной температуре. Из полученных литых композиционных материалов вырезали образцы для исследования микроструктуры и механических свойств. В Таблице 3 приведены свойства литых образцов.
Таблица 3
Механические свойства композиционных материалов на основе технической меди
Состояние
|
σв
|
δ
|
Ψ
|
НВ
|
МПа
|
%
|
|
Исходное литое состояние
|
160
|
25
|
-
|
40
|
Литой композиционный материал системы Cu - TiC
|
350
|
10
|
16
|
-
|
Проволока (суммарная деформация 90%)
|
450
|
3
|
35
|
125
|
По результатам микроструктуры наблюдается равномерное распределение упрочняющих частиц в объеме матрицы.
Для идентификации из состава проведен локальный рентгеноструктурный анализ, представленный на Рисунке 1.
 |
