Влияние технологических факторов на физико-механические свойства и электропроводность медематричных композитов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2018, 11(4), 427-432

yflK 661.665:66.091:663.35

The Influence of Technological Factors on Physico-Mechanical Properties and Electrical Conductivity of Copper Matrix Composite Materials

Alina I. Trunova* and Vladimir G. Babkin

Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia

Received 26.01.2018, received in revised form 29.04.2018, accepted 27.05.2018

The article was prepared on the basis of the report presented at the 9th International Congress "Non-Ferrous Metals and Minerals-2017". The influence of the content of the strengthening phase in the copper matrix composite materials of the Cu-CrB2 system on the strength, hardness, and electrical conductivity is described. Presented of data on the change in the mechanical and electrically conductive properties of the material under elevated conditions. According to the macrostructure, the recommendations for reducing the grain size of the composite are proposed.

Keywords: copper matrix composite alloys, synthesis of reinforcing phase, strength, hardness, electrical conductivity.

Citation: Trunova A.I., Babkin V.G. The influence of technological factors on physico-mechanical properties and electrical conductivity of copper matrix composite materials, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2018, 11(4), 427-432. DOI: 10.17516/1999-494X-0065.

Влияние технологических факторов на физико-механические свойства и электропроводность медематричных композитов

А.И. Трунова, В.Г. Бабкин

Сибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Статья подготовлена по материалам доклада, представленного на IX международном конгрессе «Цветные металлы и минералы-2017». Описано влияние содержания упрочняющей фазы в медематричном композиционном материале системы Си-СгВ2 на прочность, твердость

© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: [email protected]

*

и электропроводность. Представлены данные по изменению механических и электропроводных свойств материала при повышенных температурах. По данным макроструктуры полученных образцов предложены рекомендации по уменьшению размера зерна композита.

Ключевые слова: медематричные композиционные материалы, синтез упрочняющих фаз, прочность, твердость, электропроводность.

В качестве электродного материала наибольшее распространение получила хромовая бронза БрХ (0,5-1,0 % Сг), которая подвергается закалке с 850-950 °С и последующему старению при 400 °С. Выделяющаяся равновесная фаза представляет собой чистый хром. Термомеханическая обработка существенно увеличивает прочностные характеристики дисперсионно-твердеющего сплава. Однако при температурах эксплуатации хромовой бронзы выше 530 °С происходит ее разупрочнение за счет коагуляции включений хрома. Кроме того, при высоких температурах электродные сплавы могут интенсивно окисляться, образуя на торце электродов пленку. Окисление рабочей поверхности электродов, увеличивая контактное сопротивление, приводит к еще большему разогреву металла при прохождении сварочного тока и тем самым к его разупрочнению.

Бориды переходных металлов начинают окисляться при 600-700 °С, т.е. они более устойчивы, чем хром. Бориды отличаются высокой химической стойкостью в различных агрессивных средах, а также металлоподобностью, выражающейся в их высокой электро- и теплопроводности, что делает возможным их применение в качестве упрочняющей фазы в медной матрице.

Ранее нами были получены композиционные сплавы системы Си - Сг3С2, прочностные свойства которых при комнатной температуре более чем в 2 раза выше, чем у чистой меди [1]. Однако требования к электротехническим материалам возрастают, в частности, особенностью работы разрывных контактов является то, что в момент замыкания-размыкания контакт подвергается воздействию высоких температур. В этой связи одной из важнейших характеристик электроконтактов выступает стабильность свойств при повышенных температурах. Также важно для электропроводных материалов наличие мелкозернистой структуры, так как известно, что повышение температуры сопровождается ростом зерна.

Цель работы - получение литых медематричных композитов системы Си-СгВ2 и исследование влияния технологических факторов на их структуру и физико-механические свойства.

Композиционные сплавы системы Си-СгВ2 получали в индукционной тигельной печи с графитовым тиглем. В качестве исходного материала брали медь марки М3. Зеркало расплава покрывали флюсом (80 % CaF2 + 20 % №3А!Р6) и после снятия шлака в медной фольге вводили смесь порошкообразного хрома (фракции до 1 мм). Расплав выдерживали в течение 5 мин и затем в медной фольге в него добавляли смесь порошков меди и бора для синтеза в системе бо-рида хрома. Расплав выдерживали в течение еще 10 мин и разливали в металлический кокиль. Из полученных цилиндрических слитков готовили образцы для металлографических исследований и механических испытаний.

На рис. 1 представлена зависимость содержания борида хрома в литой меди марки М3 на предел прочности (св).

Из приведенных данных следует, что с повышением содержания борида хрома, синтезированного в расплаве меди, прочность повышается в 1,5-2 раза по сравнению с чистой медью при комнатной и повышенной температурах. Так, для образца, содержащего 1,5 % СгВ2, предел

прочности на разрыв при температуре рекристаллизации составляет 100 МПа, а для образца из чистой меди - 48 МПа, что делает возможным применение данного материала для деталей, работающих при повышенных температурах эксплуатации.

На рис. 2 представлена зависимость содержания борида хрома в медематричном композиционном материале (КМ) на твердость полученных образцов и размер зерна.

Согласно полученным результатам, с увеличением содержания борида хрома повышается твердость КМ. Однако размер зерна также увеличивается. Укрупнение зерен может быть вызвано несколькими факторами. Во-первых, в процессе синтеза происходит выделение из раствора Сг и В в виде частиц СгВ2 по реакции с выделением тепла, поэтому перегрев расплава в тигле увеличивается, что дает возможность роста зерна.

о, МПа

Севере: сЧ.еСГ.зес л

Рис. ¡.Влияние содержанияборидахромавлитоймедимаркиМЗ на пределпрочности(ав) при 20 °С (a) и350 "С (Ь)

Fig.l. Theinfluenceofthecontentofchromium boridein castcoppor grade M5on the tensi(e strengthi) at 20 °C (a)gnd 350 "CO.)

МБ, МПа

90 85 00 75 70 65 60 55 50 45 40

Размер

l—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—г 0 0,10,20,30,40,50,60,70,30,9 1 1,11,21,31,41,5 Содержание С г В-., вес. %

0.9 0,3 0.7 0.6 0,5 0.4 0.3

Рис. 2. Влияние содержания борида хрома в литой меди марки М3 на твердость (а) и размер зерна (b)

Fig. 2. The influence of the content of chromium boride in cast copper grade M3 on hardness (a) and grain size (b)

Во-вторых, при нагреве и последующем плавлении медь окисляется с образованием закиси меди (С^О) и легкоплавкой эвтектики, которая располагается по границам зерен, ухудшая ее механические свойства и способность к пластической деформации. Основу эвтектики (светлое поле на рис. За) составляет твердый раствор кислорода в меди. Получение медематричного композита связано с перегревом расплава до 1250 °С. При этой температуре происходит плавление С^О (1234,8 °С) [2]. Выше температуры плавления в равновесии находятся жидкая медь, насыщенная кислородом и оксидная жидкая фаза, насыщенная медью . Жидкий оксид меди не смачивает частицыдиборида хрома,поэтому возможно их укрупнение с образованием конгломератов (рис. ЗЬ). Кроме того, жидкая медь не смачивает жидкий оке ид меди, в результате чего возможна коалесценц ия,способствующаяобразова-ниюкрупных капель.

В предыдущих работах [2] методо термического нализа нами было исследовано на-сы ение расплава меди кислородом и в зможность его раскисления на ор зме ным алмазо-графитом, входящим в состав реакционной смеси, применяемой для синтеза карбида хрома припопучении мкдематричных композитов. Однако на основании расчета свободной энергии Гиббсабыроуспановлено, чтчэффективностьтьсюислзния расплавомеде Чкром,входящим в се став раакреоинт6 смеаи для ьинтеза Тчридо хрома, венлт, чеке ^лерьдом:

СидОИ С = ЬСи + С02 ^Кви = -282 лДж/мооь

ЗСьиО + ИВ д Вк<Л3+6Си Д^о =ц -д708 кДж/моль

На рис. 4 представлено влияние содержания борида хрома в литом медематричном КМ на удельное электрическое сопротивление (УЭС) меди.

Удельное электрическое сопротивление чистой меди при 20 °С составляет 1.710-8 Ом м. При увеличении содержания упрочняющей фазы до 0,5-0,7 % удельное электрическое со-противлниие медь пксышается приморнонс35 %, что якляетов доп^еымымдльэлектро-техмичесльь имди. Окмвьммтакжт повышение пдлкекхцоицкнтранкяв м^чнорми ком-поемлкна20 %ина 20-80 % льс рдости помравни ниюск истоемм дыаС поиышением температирь до Р6Ч°С эллкаобпрбеьдикьеькиообймеди скомпокиои снижьскмя в С,2 раза, однако имиттом жрскьостьльмпозмьа оттаетсязнииительно ьрпквпрокносле иеди. Низ-

a b

PHC.a.MaKpoctpyKTypa nojiy^eHHbix o6pa3tioB:a -aHCTaTMe,zc;b- K—I CHCTeMbiCu-CrB2 Fig. 3. Macrostructure of the obtained samples: a - pure copper; b - composite material systems of Cu-CrB2

- 430 -

УЭС-1№*

ОМ'М.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,5 0,7 0,3 0,3 1

Содержание С г Во, вес. %

Рис. 'иВлияниепАдеонинит ттюечняющай фааы1 сопфатоютенип меди орт

20 °С (а) и при 350 °С (b)

Fig. 4. The influence of the content of the strengthening phase on the electrical resistivity of copper at 20 °С (a) andat 350 °C(b)

кая прочность меди связана с наличием эвтектики по границам зерен (рис. 3 а), а в компо-зитеьеать бтраитиена раскистюнив мады. ^ооП.^е^ротттоди^ошт(^.^ь Oopa, требуется тщательное раскисление, например, с применением борсодержащей лигатуры. Отсутствие эвтектики по границам зерен будет способствовать повышению прочности меди при по-иышаниых епмиераюурах,аналттие.еф.чняющей фазеп.удет бопышмтьтеииераеурр as рекристеллизацеы.

Выводы

1. С повышением температуры до 350 °С резко снижается прочность чистой меди из-fa налииюе летюеплавко^етектики.ртаыиобженнойпоараурцаы ттрещпри эепмпроиыпабь Юопеееано-упрочненооаоКМые отуиапмеди тGжeoнижoетcя,oднaAoeeзнaчeния Пюетеыии в 2 .еза выше по сравнениюсопнаепмиямичистойметт.Нолюмиь уптюинтющюАфазыстапоб-ствует повышению температуры рекристаллизации меди.

2. С увеличением содержания упрочняющей фазы снижается удельная электрическая проводимость меди. При повышении температуры до 350 °С электросопротивление чистой меди повысилось на 40 % и на 42 % - упрочненной частицами диборида хрома, при этом значения прочности КМ выше по сравнению с чистой медью.

3. Увеличение размера зерна связано с выделением тепла в процессе реакций образования боридов хрома. Прочность и электропроводность можно повысить за счет измельчения зерна. Улучшить структуру можно двумя способами: 1) быстрое охлаждение с температуры синтеза боридов (литье в водоохлаждаемый кокиль); 2) перегрев расплава до гомогенного состояния и последующее быстрое охлаждение. Температуру перехода расплава в гомогенное состояние можно снизить, модифицируя его редокоземельными металлами (в составе мишметалла-модификатора, выпускаемого промышленностью).

4. Предложенные рекомендации будут опробованы в следующей серии экспериментов.

Список литературы

[1] Бабкин В.Г., Терентьев Н.А., Перфильева А.И. Литые металломатричные композиционные материалы электротехнического назначения. Журнал СФУ. Техника и технологии, 2014, 4, 416-423 [Babkin V.G., Terentiev N.A., Perphileva A.I. Cast Metal Matrix Composite Materials of Electrotechnical Purpose. J. Sib. Fed.Univ.Eng. technol, 4, 416-423 (in Russian)]

[2] Бабкин В.Г., Трунова А.И., Черепанов А.И. Влияние кислорода на механические свойства меди и медематричных композитов, упрочненных синтезированными в расплаве карбидами хрома. Металлы, 2016, 3, 25-30 [Babkin V.G., Trunova A.I. Cherepanov A.I. The effect of oxygen on the mechanical properties of copper and copper matrix composites reinforced by chromium carbides synthesized in the melt. Metals, 2016, 3, 25-30 (in Russian)]