РАСПЛАВЫ
2 • 2008
УДК 669.35-154:534 29
© 2008 г. Л. Е. Бодрова, Э. А. Попова, Э. А. Пастухов, А. В. Долматов, Т. Ф. Григорьева, С. А. Петрова, Р. Г. Захаров
ПОЛУЧЕНИЕ ЛИТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Си-Сг3С2 ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА РАСПЛАВЫ НИЗКОЧАСТОТНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ
Показана возможность получения литых композитов Си-Сг3С2 при замешивании карбида в расплав меди воздействием на него низкочастотными колебаниями. Использованы различные способы механического активирования карбида, что позволило управлять распределением карбидной фазы по объему и получать как градиентные, так и объемно-упрочненные композиты, а также их прекурсоры.
Медь, как заменитель серебра, - предмет постоянного внимания. На ее основе создаются различные сплавы и композиционные материалы, соответствующие требованиям, предъявляемым для различного рода электроконтактных материалов.
В композитах Си-Сг-С, используемых в настоящее время для разрывных электроконтактов, графит играет роль восстановителя оксидов меди, а хром - упрочнителя матрицы. Однако такие композиты имеют высокое удельное и переходное электросопротивление [1]. Основными причинами этого являются образование твердых растворов хрома в меди, что сильно снижает ее электропроводность, а также чрезвычайно высокое удельное электросопротивление свободного графита, превышающее таковое для меди на 2-3 порядка. Кроме того, получение таких композитов возможно только энергоемкими и трудозатратными методами порошковой металлургии, так как графит практически не смачивается жидкой медью [2].
Перспективной заменой такому материалу может стать, на наш взгляд, композит Си-Сг3С2, упрочняющая фаза в составе которого нерастворима в матрице и плавится при 1830°С с разложением [3]. При возникновении электрической дуги между разрывными контактами на воздухе углерод, появляющийся при разложении карбида, будет образовывать СО и предотвращать окисление рабочих поверхностей контактов. Карбид хрома Сг3С2 имеет плотность 6.7 г/см3, микротвердость 13000 МПа, удельное электросопротивление 75 мкОм ■ см, устойчив до температуры плавления, не подвержен действию кислорода воздуха до 1100-1400°С, отличается высокой стойкостью против действия кислот, в промышленности используется для получения сплавов с высокой жаропрочностью, окалиностойкостью и твердостью [4]. Все эти свойства Сг3С2 позволяют выбрать его в качестве компонента композита на основе меди, у которой плотность составляет 8.96 г/см3, микротвердость - 400-500 МПа, удельное электросопротивление - 1.55-1.67 мкОм ■ см.
Цель настоящей работы - получение литых композиционных материалов (ЛКМ) Си-Сг3С2 при различной механохимической подготовке порошкообразного карбида путем замешивания его в расплав меди воздействием низкочастотных колебаний.
В качестве источников механохимического воздействия на порошок карбида в работе использовали лабораторную центробежную мельницу РЫТБСН и планетарный фрикционный дискретный активатор АГО-2С. Замешивание порошков Сг3С2 в медный расплав проводили на установке по воздействию на расплавы низкочастотными акустическими колебаниями. В качестве исходных материалов были использованы
Диаметр частиц, мкм
Рис. 1. Гистограммы распределения размеров частиц Сг3С2 (номер над пиками совпадает с номером серии).
прутковая медь (катанка) чистотой 99.99% марки МКЛБ-8 ТУ1733-005-05774969-95, тонкодисперсный порошок меди ЧДА и порошкообразный карбид хрома Сг3С2 марки ХЧ, просеянный через сито с размерами ячеек 56 х 56 мкм2.
Обычно перед замешиванием керамических частиц в жидкий металл для улучшения смачивания и во избежание образования коагулятов частицы изолируют металлом матрицы, например, плакируют. В связи с этим замешивание порошка Сг3С2 в медный расплав проводили после предварительного смешения его с порошком меди в различных условиях. Проведено четыре серии опытов. В опытах 1-й серии перемешивание порошков проводили вручную (квартованием). В серии 2 порошок Сг3С2 был предварительно измельчен на мельнице РЫТЗСИ в течение 120 мин, а затем перемешан квартованием с медным порошком. В 3-й серии измельченные на РИТБСИ порошки Сг3С2 были дополнительно активированы и плакированы порошком меди в активаторе АГО-2С в течение 5 мин. Для приготовления образцов сравнения (4-я серия сплавов) в медный расплав замешивали исходный карбид без его измельчения, активации и плакирования. Фракционный состав порошков определяли1 на лазерном дифракционном анализаторе ЬА-950. Замешивание порошков в жидкую медь проводили в различных термовременных условиях воздействия НЧК: длительность воздействия увеличивали от 1 до 10 минут, а температуры изменяли от 1100 до 1350°С. С каждой термовременной ступени воздействия НЧК отбирали пробы металла на анализы. Последние порции металла выливали в графитовые формы. Плавки вели в печи сопротивления в тиглях из графита марки МГ1 с использованием поршня-излучателя НЧК из этого же графита. Защитную атмосферу создавали из аргона и оксидов углерода, помещая на зеркало расплава слой древесного угля.
В полученных ЛКМ анализировали химический состав и исследовали макро- и микроструктуру. Изучение микроструктуры проводили на инвертируемом металлографическом микроскопе ОХ-51 (ОЫМРиБ) при увеличениях от 50 до 1500 с использованием компьютерной программы анализа изображений 81АМ8-700. Выборочно исследова-
1 Измерения проведены в лаборатории газофазной металлургии ИМЕТ УрО РАН.
Рис. 2. Макроструктура прекурсоров Cu-Cr3C2. Серии 1 (а), 2 (б), 3 (в), 4 (г).
ны2 спектры РФЭС, полученные на электронном спектрометре Multiprob фирмы Omicron (Германия), и дифрактограммы, полученные на дифрактометре ДРОН-УМ1 в медном излучении.
Результаты измерений размеров частиц до и после обработки на мельницах приведены на рис. 1. Видно, что после обработки на мельнице FRITSCH средний размер зерен уменьшился почти в 2 раза, а после дополнительной обработки в активаторе АГО -еще в 2.7 раза. Видно также, что все малые размеры частиц имеют завышенное значение, при этом процент скоагулировавшихся малых частиц линейно возрастает с уменьшением средних размеров частиц порошка. Отсутствие части кривой "диаметр - % фракции" со стороны малых размеров частиц можно объяснить тем, что принцип измерения основан на предварительном диспергировании порошка в жидких средах, а известно, что чем дисперснее порошок, тем хуже поддаются диспергированию его коагуляты.
2 Получение и исследование спектров РФЭС выполнены ст.н.с. лаборатории статики и кинетики процессов ИМЕТ УрО РАН д.х.н. Фетисовым А.В.
Исследования фазового состава, а также химический анализ показали, что карбид хрома присутствует в различных количествах во всех полученных сплавах. Наличие карбида Сг3С2 подтверждено рентгенофазовым анализом и спектрами РФЭС. Размеры и характер распределения карбидов в сплаве зависят от способа его подготовки перед введением в расплав. На рис. 2 представлена макроструктура прекурсоров, полученных в различных сериях экспериментов, на рис. 3 - микроструктура этих прекурсоров в участках различной плотности.
При замешивании 1% Сг3С2 в течение от 3 до 9 мин (серия 1) получили объемно-упрочненный композит, содержащий менее 1% Сг3С2 (здесь и далее используются массовые проценты). После 9 мин обработки в объеме слитка, по данным химического анализа, содержится только 0.75% Сг3С2.
Частицы карбида размерами более 10 мкм по данным металлографического анализа расположены в верхних слоях горизонтальных и в прибыльной части вертикальных слитков, а более мелкие частицы равномерно распределены по их объему. Используя гистограммы распределения частиц по размерам (рис. 1), можно оценить размеры 75% наиболее мелких частиц Сг3С2, распределенных в расплаве. Они оказываются в пределах от 3.0 до 8.8 мкм, что совпадает с данными измерений размеров частиц карбида под микроскопом.
По результатам проведенных нами ранее экспериментов [5], угол смачивания подложки из карбида хрома расплавом меди при температуре 1200°С составляет 8 град. При исследовании структуры межфазной границы полученных композитов на микроскопе при 1500-кратном увеличении наблюдалось равномерное смачивание частиц по всей их поверхности и отсутствие пористых участков. Травление шлифов на зеренную структуру показало, что карбиды, в отличие от оксида Си2О, охрупчивающего медные сплавы, не сосредотачиваются на границах зерен.
При увеличении замешиваемого карбида Сг3С2 до 4 % в сплавах серии 1 образовалось два типа композитов. Меньшая часть карбида (по данным РФА менее 1%) пошла на образование объемно-упрочненного композита. Основная часть карбида образует концентрат (рис. 2а, 3а), в котором содержание Сг3С2 соответствует составу вводимой смеси порошков. По данным РФА, концентрат содержит ~50% Сг3С2. Этот концентрат был использован далее как прекурсор для получения композита с заданным составом. Было обнаружено, что концентрат является довольно устойчивым образованием: за 6 мин обработки его масса уменьшилась лишь на 1/5 часть.
В серии 4 (замешивание в медный расплав 2% Сг3С2 без его предварительного плакирования, измельчения и механоактивации) карбид уже через 3 мин обработки распределился в объеме прекурсора небольшими гроздьями (рис. 2г), структура неоднородна - имеются участки разной плотности (рис. 36, в). В образовании объемно-упрочненной части композита, по данным химического анализа, участвует в два раза большее количество карбида, чем в аналогичном образце 1-й степени.
Предварительный подогрев вводимого в расплав карбида улучшает его замешивание. Однако если карбид был предварительно плакирован порошком меди, то подогрев их смеси даже под аргоном ухудшает смачиваемость карбида и соответственно его за-мешиваемость в расплав. В структуре такого композита встречаются конгломераты из карбидов хрома и скоплений частиц порошковой меди. По-видимому, замешивая карбид при температурах свыше 1200°С, мы попадаем в область несмешиваемости жидкостей Си и Си2О (нижняя граница купола несмешиваемости - 1200°С). При этом зерна меди покрываются оксидом меди и образуют своеобразные конгломераты с высокой устойчивостью к последующему диспергир
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.