PL226657B1 - Materiał kompozytowy na osnowie miedzi umocniony związkiem międzymetalicznym i sposób jego wytwarzania - Google Patents

Materiał kompozytowy na osnowie miedzi umocniony związkiem międzymetalicznym i sposób jego wytwarzania

Info

Publication number
PL226657B1
PL226657B1 PL406931A PL40693114A PL226657B1 PL 226657 B1 PL226657 B1 PL 226657B1 PL 406931 A PL406931 A PL 406931A PL 40693114 A PL40693114 A PL 40693114A PL 226657 B1 PL226657 B1 PL 226657B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
copper
composite material
intermetallic compound
volume
temperature
Prior art date
Application number
PL406931A
Other languages
English (en)
Other versions
PL406931A1 (pl
Inventor
Krzysztof Naplocha
Kazimierz Granat
Jacek Kaczmar
Original Assignee
Politechnika Wroclawska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Wroclawska filed Critical Politechnika Wroclawska
Priority to PL406931A priority Critical patent/PL226657B1/pl
Publication of PL406931A1 publication Critical patent/PL406931A1/pl
Publication of PL226657B1 publication Critical patent/PL226657B1/pl

Links

Landscapes

  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Description

Przedmiotem wynalazku jest materiał kompozytowy na osnowie miedzi umocniony preformą ze związku międzymetalicznego, oraz sposób wytwarzania materiału kompozytowego na osnowie miedzi umocnionego związkiem międzymetalicznym, przeznaczonego na elementy wymagające podwyższonych właściwości mechanicznych, dobrej przewodności cieplnej i elektrycznej, oraz odporności na utlenianie, zwłaszcza do produkcji elementów elektrycznych, elementów narażonych na działanie gazów wysokotemperaturowych, styków, wykładzin pantografów i przełączników.
Znane są metody wytwarzania materiałów kompozytowych z użyciem techniki metalurgii proszków, w których osnowa metaliczna umocniona jest cząstkami metaloceramicznymi. Między innymi w publikacji W. Rutkowski „Projektowanie właściwości wyrobów spiekanych z proszków i włókien, PWN 1977 r. opisano metody wytwarzania materiałów kompozytowych o porowatej strukturze na styki elektryczne miedziowo-grafitowe, w których w osnowie miedzi znajdują się cząstki grafitu.
Znane i stosowane są materiały kompozytowe wzmacniane cząstkami ceramicznymi ze związków takich jak AI2O3, SiO2, ZrO2, MgO, BeO, Cr2O3 lub azotków, węglików i borków. Materiał umacniający wprowadzany jest często do metalicznej osnowy w procesach infiltracji ciśnieniowej albo też nasycania bezciśnieniowego. W publikacji Kumar, P., Travitzky, N.A., Beyer, P., Sandhage, K.H., Janssen, R., Claussen, N., Reactive casting of ceramic composites (r-3C), Scripta Materialia, Volume 44, Issue 5, March 26, 2001, pp. 751-757, opisano sposób polegający na infiltracji ciekłym glinem pod ciśnieniem preform wykonanych z tlenków Ti, Cr, Co, Fe.
Jednym ze sposobów otrzymywania umacniających twardych faz ceramicznych jest metoda samorozwijającej się syntezy wysokotemperaturowej (SHS), opisana np. w publikacji A.G. Merzhanov, Journal of Materiale Processing Technology, vol. 56, 1996 r., str. 222-241, która umożliwia syntezę tych faz z substratów o stosunku atomowym odpowiadającym stechiometrii danego związku. Z patentu europejskiego nr EP1450973 znany jest sposób umacniania kompozytu, zgodnie z którym w formie przeznaczonej do otrzymywania odlewanego metalu umieszcza się wkładkę z mieszaniny proszków, które reagują ze sobą pod działaniem ciepła dostarczanego przez metal podczas odlewania go w wysokiej temperaturze (> 1400°C).
Rekcja między proszkami jest inicjowana przez ciepło odlewanego metalu. Po reakcji typu SHS proszki z wkładki reaktywnej tworzą porowatą masę z twardych cząstek ceramicznych wytworzonych in situ. Gdy ta porowata masa powstaje i jest jeszcze w wysokiej temperaturze, natychmiast przenika przez nią odlewany metal.
W dokumencie WO02/053316 ujawniono element z kompozytu, otrzymywany drogą reakcji SHS między tytanem i węglem w obecności środków wiążących, co umożliwia wypełnienie porów w szkielecie utworzonym przez węglik tytanu. Elementy te są wytwarzane z proszków poddanych sprasowaniu w formie. Gorąca masa otrzymana po reakcji SHS pozostaje plastyczna i jest ona prasowana do swojego ostatecznego kształtu.
W patencie US6451249 ujawniono wzmocniony element kompozytowy zawierający szkielet ceramiczny z ewentualnymi węglikami, które są powiązane ze sobą osnową metalową jako spoiwem, i który zawiera termit zdolny do reagowania w reakcji SHS z wytworzeniem ciepła topnienia niezbędnego do aglomeracji granulek ceramicznych.
Istotę wynalazku stanowi materiał kompozytowy na osnowie miedzi, umocniony związkiem międzymetalicznym, mający postać mieszaniny quasi eutektycznej, który zawiera od 45 do 55% objętościowych, w przeliczeniu na objętość kompozytu, fazy cząstek umacniających przedstawionych wzorem CrxAlyCu100.x.y, w którym współczynniki oznaczają: x=48-55 i y=33-38, osadzonych w 45 do 55% objętościowych osnowy, przedstawionej wzorem Cu100.a.bAlaCrb, w którym współczynniki oznaczają: a=21-41 i b=12-20.
Materiał kompozytowy według wynalazku charakteryzuje się jednorodną strukturą o budowie zbliżonej do mieszaniny eutektycznej, w której kształt i morfologia przetworzonej preformy nie podlegają zmianom.
Istota sposobu wytwarzania materiału kompozytowego na osnowie miedzi, umocnionego związkiem międzymetalicznym, obejmująca infiltrację preform wytworzonych metodą wysokotemperaturowej samorozwijającej syntezy (SHS), polega na tym, że z mieszaniny proszków chromu (Cr) i glinu (Al), użytych w proporcji 75-85% wagowych proszku Cr i 15-25% proszku Al, wytwarza się na zimno i pod ciśnieniem 300-500 MPa sprasowane porowate wypraski, w których stosunek atomowy Al i Cr odpowiada stechiometrii związku Al9Cr4. Następnie na powierzchni wyprasek inicjuje się syntezę SHS,
PL 226 657 B1 a uzyskaną porowatą preformę ze związku międzymetalicznego Al9Cr4 poddaje się reaktywnej infiltracji ciekłą miedzią przy ciśnieniu wynoszącym 10-100 MPa, temperaturze 1100-1200°C i w atmosferze gazu inertnego, z przekształceniem związku Al9C4 w Al8Cr5(Cu) a następnie z rozpadem na fazę cząstek umacniających przedstawionych wzorem CrxAlyCu100-x-y, w którym współczynniki oznaczają: x=48-55 i y=33-38, osadzonych w fazie osnowy.
Korzystnie, stosuje się proszki glinu (Al) i chromu (Cr) o czystości co najmniej 99% oraz wielkości ziarna nie większej niż 200 μm.
Korzystnie, proces wysokotemperaturowej samorozwijającej syntezy SHS inicjuje się przez punktowe podgrzanie wyprasek, uprzednio podgrzanych do temperatury 500-600°C, w izolowanej komorze procesowej, przy użyciu rozgrzanego drutu wolframowego, wiązki laserowej lub mikrofal.
Zgodnie ze sposobem według wynalazku, podczas infiltracji materiał preformy samorzutnie reagujący z ciekłą miedzią ulega przemianie i traci atomy glinu, które przez granicę rozdziału dyfundują do osnowy Cu. Rosnąca zawartość Al w osnowie prowadzi do przekształcenia Cu osnowy w związek, który pod względem stechiometrycznym odpowiada fazie Cu9Al4, co w efekcie umacnia materiał kompozytowy.
Materiał kompozytowy, będący przedmiotem wynalazku, nadaje się do wytwarzana elementów o dużej twardości, odporności na zużycie, małej rozszerzalności cieplnej i dużej żarowytrzymałości, takich jak elementy elektryczne, styki, przełączniki oraz elementy silników spalinowych. Kompozyty mogą być szczególnie przydatne w produkcji elementów narażonych na agresywne działanie gazów o wysokiej temperaturze, osłon silników lotniczych, dysz gazów spalinowych, zaworów w komorach silników narażonych na ścieranie i korozję.
Istotną zaletą sposobu jest przekształcenie składu chemicznego preformy i osnowy prowadzące do ujednorodnienia mikrostruktury kompozytu, której budowa zbliżona jest do mieszaniny eutektycznej z zachowaniem kształtu i morfologii umocnienia.
Umacnianie Cu sposobem według wynalazku przynosi pożądany wzrost twardości i odporności na ścieranie w stosunku do czystej miedzi, oraz znaczący wzrost oporności na utlenianie. Kompozyt, będący przedmiotem wynalazku ma zwartą strukturę, pozbawioną nieciągłości strukturalnych, wysoki stopień przyswojenia fazy umacniającej i jej równomierny rozkład, co prowadzi do uzyskania wysokiego poziomu własności wyrobów gotowych.
Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach realizacji oraz na Fig. 1 obrazującej mikrostrukturę materiału kompozytowego i na Fig 2 obrazującej mikrostrukturę kompozytu utlenianego przez 24 h w temperaturze 800°C.
P r z y k ł a d 1
Materiał kompozytowy powstały w wyniku reaktywnej infiltracji metaliczną miedzią preformy w postaci AI9Cr4 zawiera, w przeliczeniu na objętość kompozytu, 45% objętościowych fazy umacniającej w postaci zaokrąglonych wydzieleń Cr49Al38Cu13 osadzonych w fazie Cu47Al41Cr12. Zaokrąglone wydzielenia stanowią 80% objętościowych umocnienia, jakim jest przereagowana preforma. Osnowę kompozytu w ilości 55% objętościowych tworzy związek Cu70Al28Cr2 powstały na bazie infiltrującej miedzi (Cu), oraz dyfundujących do niej glinu (Al) i w niewielkich ilościach chromu (Cr).
P r z y k ł a d 2
Materiał kompozytowy zawiera 50% objętościowych fazy umacniającej w postaci zaokrąglonych wydzieleń Cr54Al33Cu13 osadzonych w fazie Cu64Al21Cr15. Zaokrąglone wydzielenia stanowią 75% objętościowych umocnienia, tj. przereagowanej preformy. Osnowę kompozytu w ilości 50% objętościowych tworzy związek Cu70Al28Cr2 powstały na bazie infiltrującej miedzi (Cu), oraz dyfundujących do niej glinu (Al) i w niewielkich ilościach chromu (Cr).
Udział Al oraz Cr wzmacnia materiał kompozytowy i zapobiega rozrostowi tlenku CuO na jego powierzchni, a także hamuje rozwój korozji międzykrystalicznej.
P r z y k ł a d 3
Proszki Al oraz Cr o ziarnistości 44 μm miesza się w proporcji 20% wagowych Al z 80% wagowych Cr w młynku kulowym przez 0,5 h. Następnie umieszcza się 67,5 g mieszaniny proszków w stalowej cylindrycznej matrycy i prasuje na zimno, jednoosiowo, pod ciśnieniem 400 MP. Wytworzoną walcową wypraskę o średnicy 20 mm i wysokości 10 mm umieszcza się w komorze pieca z atmosferą ochronną argonu (Ar). Nagrzaną do temperatury 600°C próbkę miejscowo nadtapia się rozgrzanym drutem wolframowym inicjując w ten sposób syntezę SHS. Po przereagowaniu i wystygnięciu porowatą preformę poddaje się infiltracji metodą prasowania ze stanu ciekłego w formie wykonanej ze stali żarowytrzymałej, pokrytej substancją izolującą. W tym celu przetopioną w piecu indukcyjnym miedź
PL 226 657 B1 o temperaturze 1150°C, pod atmosferą ochronną azotu N2, wlewa się do formy z wcześniej umieszczoną tam preformą i poddaje działaniu ciśnienia 100 MPa wywieranego bezpośrednio na lustro metalu za pomocą stempla, którego temperatura wynosi 500°C, podobnie jak temperatura formy. Ciśnienie 90 MPa utrzymuje się do czasu zakrzepnięcia odlewu tj. co najmniej 30 s. W wyniku stopniowej przemiany preformy związek AI9Cr4 przekształca się w Al8Cr5(Cu) a następnie rozpada na znacznie mniejsze zaokrąglone wtrącenia związków, przedstawionych wzorem C r49Al38Cu13, zatopione w fazie osnowy przedstawionej wzorem Cu70Al28Cr2.
P r z y k ł a d 4
Proszki Al oraz Cr o ziarnistości 10 gm miesza się w proporcji 25% wagowych Al z 75% wagowych Cr w młynku kulowym przez 0,5 h. Następnie umieszcza się 135 g mieszaniny proszków w stalowej cylindrycznej matrycy i prasuje na zimno, jednoosiowo, pod ciśnieniem 500 MP. Wytworzoną walcową wypraskę o średnicy 20 mm i wysokości 20 mm umieszcza się w komorze pieca w próżni. Próbkę nagrzaną do temperatury 550°C nadtapia się wiązką laserową inicjując syntezę SHS. Uzyskaną porowatą preformę, przymocowaną do ramienia prowadnicy, w autoklawie, w temperaturze 1100°C, zanurza się w ciekłej Cu podgrzanej do temp. 1100°C. Pod ciśnieniem 10 MPa wywieranym na powierzchnię miedzi przez gaz inertny, w postaci argonu, prowadzi się infiltrację preformy. Ciśnienie utrzymuje się przez 2 min, po czym za pomocą prowadnicy wysuwa się nasyconą preformę z kąpieli miedzianej do strefy chłodzenia pieca. Po zakrzepnięciu ciśnienie gazu się obniża i wyjmuje próbkę z autoklawu.
Wyniki twardości HV0,2 materiału kompozytowego poddanego infiltracji reaktywnej w porównaniu z twardością osnowy Cu i umocnienia przedstawione w tabeli 1 świadczą, że osnowa według wynalazku charakteryzuje się kilkakrotnie większą twardością rzędu 350-650, również twardsze jest umocnienie międzymetaliczne, przy wzroście z 450 do 715 jednostek. Odporność na utlenianie w podwyższonej temperaturze także ulega znacznej poprawie. Na materiale kompozytowym poddanym utlenianiu w powietrzu w temperaturze 800°C tworzy się ochronna warstwa tlenku AI2O3 (Fig. 2), który bardzo skutecznie hamuje wzrost zgorzeliny. Przyrost masy próbki kompozytowej jest kilkaset 2 razy mniejszy od nieumocnionej osnowy (zmniejsza się 40 na 0,03 mg/cm2).
T a b e l a 1. Twardość HV 0.2 składników kompozytu bez i z przeprowadzoną infiltracją reaktywną
Kompozyt Umocnienie Osnowa
Bez reakcji 450 ± 15 88 ± 15
Po reakcji 715 ± 30 350 - 650
Zastrzeżenia patentowe

Claims (4)

  1. Zastrzeżenia patentowe
    1. Materiał kompozytowy na osnowie miedzi, umocniony związkiem międzymetalicznym, mający postać mieszaniny quasi-eutektycznej, znamienny tym, że zawiera 45-55% objętościowych, w przeliczeniu na objętość kompozytu, fazy cząstek umacniających przedstawionych wzorem CrxAlyCu100-x-y, w którym współczynniki oznaczają: x=48-55, y=33-38, osadzonych w 45-55% objętościowych osnowy, przedstawionej wzorem Cu100-a-bAlaCrb, w którym współczynniki oznaczają: a=21-41 i b=12-20.
  2. 2. Sposób wytwarzania materiału kompozytowego na osnowie miedzi, umocnionego związkiem międzymetalicznym, polegający na infiltracji preform wytworzonych metodą wysokotemperaturowej samorozwijającej syntezy (SHS), znamienny tym, że z mieszaniny proszków chromu (Cr) i glinu (Al), użytych w proporcji 75-85% wagowych proszku Cr i 15-25% proszku Al, wytwarza się na zimno i pod ciśnieniem 300-500 MPa sprasowane porowate wypraski, w których stosunek atomowy Al i Cr odpowiada stechiometrii związku Al9Cr4, następnie na powierzchni wyprasek inicjuje się syntezę SHS, a uzyskaną porowatą preformę ze związku międzymetalicznego AI9Cr4 poddaje się reaktywnej infiltracji ciekłą miedzią przy ciśnieniu wynoszącym 10-100 MPa, temperaturze 1100-1200°C i w atmosferze gazu inertnego, z przekształceniem związku Al9Cr4, w Al8Cr5(Cu) a następnie z rozpadem na fazę cząstek umacniających przedstawionych wzorem CrxAIyCu100-x-y, w którym współczynniki oznaczają: x=48-55 i y=33-38. osadzonych w fazie osnowy.
    PL 226 657 B1
  3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się proszki glinu i chromu o czystości co najmniej 99% oraz wielkości ziarna nie większej niż 200 μm.
  4. 4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że proces wysokotemperaturowej samorozwijającej syntezy SHS inicjuje się przez punktowe podgrzanie wyprasek, uprzednio podgrzanych do temperatury 500-600°C, w izolowanej komorze procesowej, przy użyciu rozgrzanego drutu wolframowego, wiązki laserowej lub mikrofal.
PL406931A 2014-01-24 2014-01-24 Materiał kompozytowy na osnowie miedzi umocniony związkiem międzymetalicznym i sposób jego wytwarzania PL226657B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL406931A PL226657B1 (pl) 2014-01-24 2014-01-24 Materiał kompozytowy na osnowie miedzi umocniony związkiem międzymetalicznym i sposób jego wytwarzania

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL406931A PL226657B1 (pl) 2014-01-24 2014-01-24 Materiał kompozytowy na osnowie miedzi umocniony związkiem międzymetalicznym i sposób jego wytwarzania

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL406931A1 PL406931A1 (pl) 2014-07-21
PL226657B1 true PL226657B1 (pl) 2017-08-31

Family

ID=51179332

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL406931A PL226657B1 (pl) 2014-01-24 2014-01-24 Materiał kompozytowy na osnowie miedzi umocniony związkiem międzymetalicznym i sposób jego wytwarzania

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL226657B1 (pl)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104942268A (zh) * 2015-05-11 2015-09-30 北京科技大学 铜基碳化钛/氧化铝表面颗粒强化复合材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
PL406931A1 (pl) 2014-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6788669B2 (ja) アルミニウム及びアルミニウム合金の粉末成形方法
Feng et al. Spark plasma sintering of functionally graded material in the Ti–TiB2–B system
Konstantinov et al. Ti-B-based composite materials: Properties, basic fabrication methods, and fields of application
JPH09227969A (ja) 金属セラミック複合材料成形体の製造方法、機械製造、装置製造、モータ製造及びタービン製造分野におけるこれからなる構成部材、腐食条件下及び/又は酸化条件下での使用のための部材、及び機械的、電気的及び磁気的機能性材料
JPS62220266A (ja) 金属ホウ化物含有材料の製造方法
CN107217168A (zh) 一种熔渗法氧化锆‑铜复合金属陶瓷及其制备方法
CN102676956B (zh) 一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法
Leon-Patino et al. Role of metal interlayers in the infiltration of metal–ceramic composites
PL226657B1 (pl) Materiał kompozytowy na osnowie miedzi umocniony związkiem międzymetalicznym i sposób jego wytwarzania
JP2009270141A (ja) Ti−Al系合金ターゲット材の製造法
KR101635792B1 (ko) 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료
EP1709209B1 (de) Verfahren zum leichtmetall-legierungs-sintern
CN114835496A (zh) 一种Cr3C2块体材料的制备方法
JP5117085B2 (ja) 金属−セラミックス複合材料及びその製造方法
Amosov et al. Applying SHS for the fabrication of the Ti 3 SiC 2–Ni composite
AU2010284750B9 (en) A process for producing a metal-matrix composite of significant deltaCTE between the hard base-metal and the soft matrix
RU2263089C1 (ru) Способ получения композиционного материала
You-wei et al. In-situ synthesis and characteristics of TiC− Fe cermet graded composite coating on a steel substrate
CN117684070A (zh) 一种Ni3Ti/WC复合材料及其液态金属熔渗工艺制备方法
JP3834283B2 (ja) 複合材料及びその製造方法
Dmitruk et al. Refinement of the Manufacturing Route and Evaluation of the Reinforcement Effect of MAX Phases in Al Alloy Matrix Composite Materials
JP4167318B2 (ja) 金属−セラミックス複合材料の製造方法
JPH11131108A (ja) セラミック粒子含有の傾斜機能Fe−Cu−C系金属焼結体
JP2002322524A (ja) 金属−セラミックス複合材料の製造方法
Manu et al. Fabrication and Characterization of a Hybrid Functionally Graded Metal-matrix Composite Using the Technique of Squeeze Infiltration