Способ получения композиционного железо-медного материала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ЖЕЛЕЗО-МЕДНОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Черниенко Василий Васильевич(72) Автор Черниенко Василий Васильевич(73) Патентообладатель Черниенко Василий Васильевич МАШКОВ А.К. и др. Порошковая металлургия. - 1974. -8. - С. 59-62. Новое в порошковой металлургии. М. Металлургия, 1970. - С. 35-61. ЧЕРНИЕНКО В.В. Технологические основы получения композиционных материалов для кокилей. - Киев УМК ВО, 1988. - С. 3-23.3307924, 1967.5145504 , 1992. Е 3335724 1, 1985.85110 2, 2008.(57) Способ получения композиционного железо-медного материала, при котором формируют матрицу из железного порошка прессованием или из стальных игл путем их сбора в блок, прессуют брикет пропитывающего сплава из меди и 2,5 мас.4, укладывают брикет на поверхность матрицы, нагревают их до температуры плавления меди и осуществляют жидкофазное спекание с пропиткой. Изобретение относится к области порошковой металлургии и композиционных материалов и может быть использовано для получения железо-медных материалов с дисперсным упрочнением в них меди. Известен способ получения сплава для пропитки формообразующих стальных блоков игольчатых кокилей А.с. СССР 1440064, МПК 22 97/00, 1968, который принят в качестве аналога. Разработанный сплав имеет следующий состав, мас.карбид бора 2,5-3,5 медь остальное. Порошки меди и карбида бора перед прессованием смешивают во вращающемся барабане с периодическим встряхиванием. Затем смесь подвергают прессованию под давлением 300-400 МПа. Полученные брикеты устанавливают на торцевую часть игольчатого блока, помещают в графитовый контейнер с засыпкой из окиси алюминия и графита и подвергают нагреву с помощью открытого индуктора до температуры 1523 К (7-12 мин) или в печи в среде гелия (15 мин). В качестве стальных игл применяют проволоку диаметром 3 мм из стали следующего состава 0,11 ,0,7-0,95 ,1,8-2,1 ,остальное. Предел прочности проволоки, которую применяют для получения игл, состав 18200 1 2014.04.30 ляет 500-520 МПа при пластичности 26-30 . Полученный материал обеспечивает повышение прочности и пластичности (в 430-490 МПа,40-53 ). Однако при разработке данного материала не установлен механизм упрочнения, в результате котрого достигнуто повышение механических свойств игольчатых блоков, не объяснены факторы, способствующие дисперсному упрочнению меди. Известен также способ получения железо-медного композиционного материала патент Украины 85110, 2008, который принят в качестве прототипа. В данном способе использовали пропитывающий сплав системы- 0,61,2. При пропитке им железной или стальной матрицы нейтральный по отношению к меди нитрид боравступает в реакцию с растворенным в расплаве меди железом с последующим полным растворением при температуре плавления меди и преобразованием в боридные соединения типа (, ) и (, ) с одновременным частичным образованием эвтектической фазы в виде отдельных включений- 2 В. Растворение нитрида бора в медном сплаве вызвано содержанием в его составе азота 5, атомы которого имеют идентичную структуру со стабильной конфигурацией атомов железа (5), благодаря чему атомы железа частично замещают атомы азота в нитриде бора, а освободившиеся атомы бора вступают в реакцию с атомами железа с образованием на их основе боридных соединений, прилегающих к железной матрице. Однако в данном способе из-за того, что боридные соединения прилегают к железной основе, а включения эвтектической фазы также переходят в ее объем, дисперсное упрочнение меди нитридом бора становится невозможным. Задачей изобретения является создание медно-боридного пропитывающего сплава, в котором его боридная составляющая не вызывала бы химического взаимодействия с атомами, входящими в состав медного сплава, а только смачивались бы поверхности их частиц или включений медью. Поставленная цель достигается способом получения композиционного железо-медного материала, при котором формируют матрицу из железного порошка прессованием или из стальных игл путем их сбора в блок, прессуют брикет пропитывающего сплава из меди и 2,54, устанавливают брикет на поверхность матрицы, нагревают их до температуры плавления меди и осуществляют жидкофазное спекание с пропиткой. Сущность изобретения объясняется приложенными графиками разделения элементов в композиционных материалах, схемами электронных конфигураций химической связи компонентов в боридных соединениях, рисунками отличия игольчатых блоков, рентгенограммами основных элементов в композиционных материалах, микроструктурой характерных участков композиционных материалов, таблицами механических свойств и примером конструкции игольчатого сборного кокиля. Фиг. 1 - график распределения элементов в композиционном материале системы- ( - 2,54). Фиг. 2. - микроструктура композиционного материала системы- ( - 2,54) 1-4 - структура с изображением частиц 4 в объеме медного сплава в световых лучах, где 1, 3 (500), 2 (800), 4 (320) 5-7 - структура отдельных участков медного сплава, проникшего на глубину до 40 мкм в поверностный слой железной матрицы, где 5, 7 (1250),8 (2000). Фиг. 3 - фрагмент рентгенограммы меди, представленный согласно фиг. 2, п. 8 с увеличением масштаба в 2,5 раза. Фиг. 4 - график распределения элементов в композиционном материале системы Ст. СВ 08 Г 2 С (иглы) - ( - 2,54). Фиг. 5 - микроструктура композиционного материала системы Ст. СВ 08 Г 2 С (иглы) ( - 2,54) в световых лучах 1-4 - изображение участков медного сплава в поперечном сечении игольчатого блока, проникшего в поверхностный слой игл на 60 мкм (500). 18200 1 2014.04.30 Фиг. 6 - примеры получения композиционных материалов с гексагональным (1), квадратным (2) и квадратно-гексагональным расположением игл. Фиг. 7 - график разделения элементов в композиционном материале системы- ( 1). Фиг. 8 - рентгенограмма и микроструктура композиционного материала системы- ( - 1) в световых лучах 1 - рентгенограмма железа, бора и меди (1000) 2 изображение участков с покрытием медного каркаса боридной фазой (, )с показом отдельного включения эвтектики- 2(800) 5-8 - изображение боридных оболочек(, ) , где 5 (320), 6, 7(500), 8 (800). Фиг. 9 - схема построения электронных конфигураций в виде ячеек и уравнений электронной связи. Фиг. 10 - пример конструкции игольчатого кокиля 1 - корпус кокиля, 2 - корпус стержня, 3 - опора верхняя, 4 - опора нижняя, 5 - крышка, 6, 7 - игольчатый блок, 8 - элемент системы охлаждения, 9, 10 - стержень песчаный, 11, 12, 13 - отверстия для отвода,подвода и перетока воды, 14 - отверстия для выхода газов из литейной полости, 15 направляющая втулка, 16 - иглы в блоке. Таблица 1 Композиционные материалы, полученные пропиткой железной и стальной матриц медными сплавами (400-500 МПа, вак 1476 К,20 мин) Примечание х/ - применялись игольчатые каркасы из стали СВ 08 Г 2 С. Таблица 2 Композиционные материалы системы Железо (сталь) - медный сплав 2,5-3,54 на основе игольчатых блоков Механические свойства композиционных материалов Примечание игольчатые блоки кокилей изготовляли из стали СВ 08 Г 2 С, где СВ - сварочная проволока, Г - марганец, С - кремний. Известно, что степень дисперсного упрочнения металлов карбидными или боридными соединениями выше, чем самими металлами, входящими в их соединения. Так, эффект дисперсного упрочнения ниобия карбидами , ,или боридами 2 и 2 в 20 раз больший, чем при легировании вольфрамом Захаров М.В., Захаров А.М. Жаропрочные сплавы. - М. Металлургия, 1972. - С. 328, рис. 88. 3 18200 1 2014.04.30 Экспериментальное исследование пропитывающих сплавов на основе меди проводили с помощью двух систем- ( - 2,53,54) и Ст. СВ 08 Г 2 С (иглы) - ( 2,53,54). В результате испытания первой системы определили влияние 4 на степень упрочнения меди (фиг. 1-3, табл. 1). Во второй системе (фиг. 4-6) для упрочнения меди применяли, кроме карбида бора,дисперсные включения марганца, которые, благодаря частичному растворению поверхности игл в пропитывающем сплаве меди, переходят в ее твердый раствор в качестве легирующего элемента. Для сравнения результатов использовали (фиг. 7-9) известную систему (табл. 1, п. 7-8)- ( - 0,61,2) Патент Украины 85110, 2008. В отличие от карбида бора 4,частицы нитрида борарастворяются в твердом растворе меди с железом в связи со взаимодействием с атомами железа. Карбид бора не взаимодействует с растворенным железом в объеме меди из-за того,что атомы углерода 4 в его составе не соответствуют стабильной конфигурации железа(5). Образование боридных соединений (, )становится возможным только в контактной зоне с железной матрицей, благодаря небольшой части частиц 4, которые соприкасаются с железной матрицей. При пропитке железной или стальной матриц медным сплавом -4 происходит перегруппирование частиц карбида бора с относительно равномерным распределением их в твердом растворе меди с железом, благодаря постепенному повышению его нагрева от температуры 1356 до 1473 К и продолжительности жидкофазного спекания, составляющего от 20 до 90 мин. По данным работы Самсонов Г.В., Эпик А.Г. Тугоплавкие покрытия. - М. Металловедение, 1973. - С. 49, краевой угол смачиваемости 4 медью в вакууме при Т 1363 К 135-17, т.е. при указанном выше режиме угол смачиваемости становится достаточным для обволакивания твердых частиц 4 медью. Дисперсное упрочнение меди марганцем, обладающим высокой растворимостью в ней(80 ), осуществляли в том же режиме спекания (1473 К,20-90 мин). Атомы марганца в твердом растворе меди с железом образуют стержневые включения с короткими боковыми отростками в виде латинской буквы(фиг. 5, п. 2). Все включения марганца концентрируются в центральных частях капиллярных объемов межиглового пространства с небольшими промежутками между включениями. В связи с тем что в твердом растворе меди с железом карбид бора остается в химически связанном состоянии, бор не может образовать с марганцем боридные соединения,подобно образованию их с нитридом бора, который взаимодействует с растворенным железом в сплаве и преобразуется в сложные соединения (, ) и (, ) (фиг. 9). В приведенных графиках (фиг. 1, 4, 7) содержание атомов железа в твердом растворе является практически одинаковым, но только карбид бора (фиг. 1, 4) является пригодным для дисперсного упрочнения меди, что способствует повышению механических свойств данного типа композиционных материалов (табл. 1, п. 6,9), особенно по степени пластичности, которая является большей (40-53 ), чем при использовании нитрида бора(22-26 ), и большей, чем у самой проволоки (26-30 ). Столь высокий показатель пластичности обусловлен очень надежной химической связью медного сплава -4 со стальными иглами СВ 08 Г 2 С и степенью проникания меди в поверхностный слой игл на глубину до 60 мкм (фиг. 4, внизу слева и фиг. 6, п. 5-8). Кроме того, с помощью пропитывающего сплава -4 получены также проницаемые игольчатые композиционные материалы (фиг. 6) путем манжетной пропитки игольчатых матриц, и за счет этого одновременно достигнуто повышение газопроницаемости и теплопроводности кокиля. Теплопроводность композиционного материала системы Матрица из стальных игл пропитывающий сплав на основе меди повышают за счет того, что теплопроводность ме 4 18200 1 2014.04.30 ди (380 Вт(мК является большей, чем у железа (76 Вт(мК, т.е. удалось повысить исходную теплопроводность стального кокиля в два раза. При этом количество каналов для газов отрегулировали путем квадратно-гексагонального размещения игл в блоках (фиг. 6,п. 3). Получили составной игольчатый кокиль (фиг. 10). Таким образом, данный способ обеспечивает получение композиционных материалов на основе железа и стали с одновременным дисперсным упрочнением меди карбидными соединениями. Кроме того, данным способом можно проводить наплавку медного сплава на стальную подложку, которая, благодаря образованию на ее контактной поверхности боридного слоя, прочно соединяется с медной формообразующей составляющей, т.е. способ пригоден для изготовления вкладышей подшипников скольжения коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, работающих при высоких морозах (в традиционных двигателях при высоких морозах латунь вкладышей отслаивается от стальной подложки). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 10