УДК 621.762.(047.31)

к.т.н, доцент. В. А. Гулевский , магистрант Киреев Е.В. ,

магистрант Спирина И.Д., д.т.н., профессор Кидалов Н.А.

Волгоградский государственный технический университет

ПРИМЕНЕНИЕ ЛИТИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДНОГРАФИТОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

e-mail: no_one-91@mail.ru

В статье анализируется влияние тетробората лития на свойства меди, а также приводятся результаты экспериментов по изготовлению углеграфитовых композиционных материалов, пропитанных боридо–литиевыми сплавами на основе меди.

Ключевые слова: медь, борид лития, пропитка, углеграфит, смачивание, краевой угол.

The effect of tetraborate of lithium on the structure and properties of copper is evaluated in the paper, as well as the results of the experiments on the production of carbon-graphite composite materials impregnated with multicomponent copper-based alloys are shown.

Keywords: copper, tetraborate of lithium impregnation, carbon-graphite, wetting, contact angle.

Метод пропитки довольно широко используется в металлургии, машиностроении и смежных отраслях для получения композиционных материалов (далее – КМ). При этом основной целью пропитки является заполнение открытых пор твердых каркасов. При пропитке в получаемых материалах матричный сплав механически проникает в каркас, образуя сложную структуру типа «скелет в скелете» [1].

Пропитка позволяет добиться сочетания в одном материале веществ с различными свойствами и тем самым придать желаемые характеристики КМ. Кроме того, использование пропитки открывает очень широкое поле для экспериментов с целью получения новых КМ [2]. От краевого угла смачивания зависит проникновение металла в поры каркаса. В данной статье в качестве основы разрабатываемых сплавов для пропитки углеграфита была исследована медь. Угол смачивания меди на поверхности углеграфита при температуре 1100 °С составляет 140° [2].

Целью данной работы является разработка сплава на основе меди, с хорошими литейными свойствами легированная литием и бором. При этом, необходимо, чтобы пропитывающие сплавы обладали следующими свойствами:

1) Уменьшенной усадкой

2) Высокими прочностными свойствами

3) Высокой степенью заполняемости пор

4) Сохранением электротехнических свойств

Как легирующая добавка особое внимание заслуживает борид лития, который способен улучшить определённые характеристики медных сплавов. Диаграмма Li–Сu имеет эвтектический характер. Растворимость Сu в жидком Li состовляет 0,3 , 0,04 и 0,01 при температурах 400 , 250 и 180,6 ^o C [3].

Известно, что тетраборат лития (Li₂B₄О₇) содержит лития – 8,2 мас.%, бора – 25,6 мас.%, кислород – остальное. Изменение соотношения компонентов смеси до 29% бора и 6% лития за счет добавления лигатуры медь – бор (Стандарт CM121C) (содержащий бор – 1,6 мас.%, медь – остальное), приводит к увеличению межфазного взаимодействия между пропитывающим сплавом на медной основе и графитом, увеличению жидкотекучести и снижению краевого угла смачивания.

Материалы и методика проведения эксперимента

Приготовление сплава производилось следующим образом: в сплав меди М0 (ГОСТ 859–2001) и МФ-9(ГОСТ4515–93) взяли для сравнения, как наиболее близкого к цели исследования [3] , при температуре 1150 °C добавляли лигатуру бор-медь (Стандарт CM121C) (с содержанием бора 1,6%) и порошкообразную смесь тетрабората лития B₄Li₂O₇ (с содержанием бора 25,6 мас.% и лития 8,2 мас.% соответственно, предварительно помещенную в медную трубку диаметром 10 мм с герметично закрытыми концами, в количестве 2,5 мас.%. При этом, заранее приготовили однородную смесь порошков ~6мас.% лития и ~26 мас.% бора в указанном соотношении, смешивание производили в течение 15 мин в смесителе.

Плавление осуществляли в индукционной вакуумной-литьевой машине Indutherm VC-400. Конструкция печи позволяет осуществлять непрерывное перемешивание ингредиентов сплава в вакууме и разливку под избыточным давлением аргона. Окончательно сплав получается в устройстве для пропитки, в котором одновременное действие температуры, давления и времени приводит к получению сплава с необходимым набором свойств в порах углеграфитового каркаса и ожидаемых характеристик готового композита. Изготовление КМ производилось пропиткой каркаса из углеграфита марки АГ-1500 матричным сплавом под давлением 12 МПа при температуре 1150 °C и выдержке 20 мин. Исследовались технологические характеристики сплава, такие как : краевой угол смачивания по отношению к углеграфитовому каркасу в окислительной среде (на воздухе), жидкотекучесть, твердость и удельная электрическая проводимость. А также технологические характеристики КМ: плотность и прочность на сжатие. Для определения поверхностного натяжения сплавов изготавливались углеграфитовые подложки, на которые помещались навески сплава. Подложки с навесками в свою очередь помещались в алундовую лодочку для нагрева в трубчатой печи[9]. Затем по контуру капли рассчитывали методом Дарси угол смачивания, а затем по известной зависимости определяли поверхностное натяжение. Измерение производили при температуре 1150 °C. Сравнение жидкотекучести сплава меди по ГОСТ28515–97 с оригинальной методикой определения проникающей способностью по отношению к углеграфитовому каркасу, которая определялась по глубине затекания сплава в отверстия диаметром 1,0 мм, выполненные в дне углеграфитового стакана (Рис.4). Для этого в графитовый стакан с конусным основанием вставляли углеграфитовый стакан меньшего диаметра, внутренние размеры: высота 65 мм диаметр 22 мм с выполненными в нем отверстиями [4–6]. Таким образом, капли расплава, протекшего через отверстия, собирались на дне внешнего графитового стакана. Капли взвешивали и рассчитывали объем металла, протекший через отверстия. Затем рассчитывали глубину затекания сплава в отверстия. Для уточнения результатов на проникающую способность сплавы исследовали по оригинальной методике, которая приводится ниже. В дне каждого стакана выполнялись четыре отверстия диаметром 1,0 мм. Проникающая способность определялась как среднее значение глубины затекания из трех опытов. Испытания проводились в атмосфере аргона. Время изотермической выдержки сплава при температуре 1150 °C составляло 20 мин, постоянство металлостатического давления на дно стакана обеспечивалось заливкой сплава в одинаковые стаканчики до одного уровня. Схема порезки полученных образцов для дальнейших исследований и методика изготовления подробно представлены в работе (Рис.4). Удельная электрическая проводимость матричного сплава определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 5 мм вихретоковым методом на приборе «Вихрь-АМ» по ГОСТ 27333–87 после предварительной подготовки образцов по ГОСТ 193–79 [6]. Плотность КМ определялась как процент заполнения открытых пор, гравиметрическим методом[7]. При этом объем открытых пор определялся на образцах, предварительно пропитанных водой в вакууме, с последующим определением веса и объема заполнившей образец воды. Сходимость результатов находится в пределах погрешности 1 % с определением открытой пористости на ртутном пористомере. Прочностные свойства КМ на сжатие и твердость матричного сплава определялись на образцах цилиндрической формы диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм при максимальной нагрузке разрывной машины 10000 Н и прессе Бринелля.

Результаты экспериментов

В ходе проведения эксперимента были получены медно-боридо-литиевые образцы (Рис 1.) с различным содержанием в них борида-лития.

Введение в состав сплава смеси борида меди и тетрабората лития в указанном диапазоне концентраций 2–2,5 % приводит к повышению прочностных свойств КМ, пропитанного данным матричным сплавом, вследствие измельчения структуры сплава. Параллельно происходит раскисление медной основы сплава вследствие дегазации бором газовых включений кислорода и водорода в сплаве, характеризуемой концентрацией газов в металлическом расплаве, т.к. бор имеют большее сродство к кислороду, чем медь.

Введение в состав сплава смеси борида меди и тетроборта лития менее 0,1 мас.% нецелесообразно ввиду отсутствия измельчения структуры сплава и образования эвтектики и, поэтому соответственно, нет увеличения прочностных свойств КМ.

Введение в состав сплава смеси борида меди и тетробората лития более 5 мас.% приводит к перерасходу дорогостоящей добавки , снижению прочностных свойств и повышению концентрации газовых включений в расплаве.

На основе экспериментальных данных были построенные зависимости влияния содержания боридов лития на свойства меди и композиционного материала на её основе. рис. (2-4). В результате было выяснено, что введение в состав сплава борида лития 2,5 мас.% приводит к хорошему раскислению меди, увеличение прочностных и механических свойств в среднем на 10-15%, понижению концентрации газовых включений в расплаве.

В таблице – 1 приведены полученные экспериментальные данные.

№	Соотношение используемых сплавов металлов, мас.частей		Температурный Режим, T°C	Время технологической операции, мин.	Полученный продукт,мас.час (в связанном виде LiB,%)
	Cu / CuP	Cu2B+B4Li2O7
1	160 /160	1	1150	20	160,8(LiB–0,5%)
2	160 /160	2	1150	20	161.5 (LiB – 1%)
3	160/160	3	1150	20	162,3(LiB–1,5%)
4	160/160	4	1150	20	163,2(LiB – 2%)
5	160/160	5	1150	20	164(LiB – 2,5%)
6	160/160	6	1150	20	164,8(LiB – 3%)
7	160/160	15	1150	20	173,3(LiB – 8%)

На Рис.4 изображена диаграмма влияния легирующих добавок на степень заполнения пор в % . Данные представленные на диаграмме были получены в ходе проведения экспериментов в рамках выполнения магистерской диссертации, на кафедре “Машины и технология литейного производства” ВолгГТУ.

Рисунок–1.Схема для изготовления сплава и образец медно-боридо-литиевый для дальнейших исследований.

Рисунок – 2. Влияние содержания борида лития на прочность сжатия меди и композиционного материала на ее основе.

Рисунок – 3. Влияние содержания борида лития на поверхностное натяжение меди и композиционного материала на ее основе.

Рисунок – 4. Влияние легирующих добавок (1– Сu-Ti-B; 2– Cu-Li-B;

3– Cu-P; 4– Cu;) на степень заполнения пор.%

Рисунок– 5. Микроструктура под увеличением образца на основе МФ-9.

Рисунок–6. Микроструктура под увеличением образца на основе М0.

На рис.5 и 6 видно, что боридо-литиевые включения образуются только на границах зерён и имеют разную высоту, это говорит о том , что включения добавляют медно сплаву более плотную и прочную структуру.

Вывод.

Введение в медный сплав однородной смеси порошка (~6мас.% лития и ~26 мас.% бора тетрабората лития) в количестве 2,5 % приводит, увеличению жидкотекучести в 1,4 раза и снижению краевого угла смачивания до 84° при сохранении на высоком уровне электротехнических свойств сплава, при этом прочностные характеристики выросли на 20-25 % по сравнению с обычными медно-графитовыми сплавами.

Литература:

1. Тучинский, Л. И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки / Л. И. Тучинский. – М.: Ме-таллургия, 1986. – 208 с.

2. Гулевский, В. А. Применение давления для получения литых композиционных материалов методом пропитки / В. А. Гулевский, А. Н. Загребин, Ю. А. Мухин, А. В. Пожарский // Заготовительные производства в машиностроении. – 2010. – № 6. – С. 3–8.

3. Лякишев, Н. П. Диаграмма состояния двойных металлических систем / Н. П. Лякишев. – М.: Машиностроение, 1996. – № 1. – 992 с.

4. Гулевский, В. А. Модель взаимодействия матричных сплавов при получении композиционных материалов /В. А. Гулевский, Ю. А. Мухин, Н. А. Кидалов // Материаловедение. – 2010. – № 3. – С. 13–18.

5. Гулевский, В. А. Проектирование бинарных сплавов для композиционныхматериалов / В. А. Гулевский, Ю. А. Мухин // Известия ВолгГТУ : межвуз. сб. науч. ст. № 10 /

ВолгГТУ. – Волгоград, 2008. – (Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении»;вып. 2). – C. 90–92.

6. Гулевский, В. А. Исследование влияния легирующих элементов на медную матрицу металлографитовых

композитов / В. А. Гулевский, Н. А. Кидалов, Ю. А. Мухин, А. Н. Загребин // Известия ВолгГТУ : межвуз. сб. науч. ст. № 4 / ВолгГТУ. – Волгоград, 2010. – (Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении»; вып. 4). – C. 91–95.

7. Гулевский, В. А. Исследование микроструктуры и свойств углеграфитовых каркасных композиционных материалов, пропитанных медными сплавами / В. А. Гулевский, Ю. А. Мухин, В. Ф. Жаркова, О. В. Калинина // Известия ВолгГТУ : межвуз. сб. науч. ст. № 5 / ВолгГТУ. – Волгоград, 2012. – (Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении»; вып. 5). – C. 142–144.

8. Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды — M.: Атомиздат, 1975. — 376 c.

9.Матричные сплавы на основе меди для получения металлографитовых композиционных материалов / В.А. Гулевский, Ю.А. Мухин, В.Ф. Жаркова, О.В. Калинина // Изв. ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 5. - C. 126-129.