RU2116370C1 - Method for production of copper-base dispersion-hardened materials - Google Patents

Method for production of copper-base dispersion-hardened materials Download PDF

Info

Publication number
RU2116370C1
RU2116370C1 RU97104859A RU97104859A RU2116370C1 RU 2116370 C1 RU2116370 C1 RU 2116370C1 RU 97104859 A RU97104859 A RU 97104859A RU 97104859 A RU97104859 A RU 97104859A RU 2116370 C1 RU2116370 C1 RU 2116370C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
carbide
carbon
oxide
copper
forming elements
Prior art date
Application number
RU97104859A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU97104859A (en
Inventor
Е.П. Шалунов
Original Assignee
Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-техническая фирма "Техма"
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 Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-техническая фирма "Техма" filed Critical Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-техническая фирма "Техма"
Priority to RU97104859A priority Critical patent/RU2116370C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2116370C1 publication Critical patent/RU2116370C1/en
Publication of RU97104859A publication Critical patent/RU97104859A/en

Links

Images

Abstract

FIELD: production of dispersion-hardened materials; may be used in manufacture of thermally-stressed parts of welding equipment and engines. SUBSTANCE: powders of copper, oxide- and carbide-forming elements and carbon are placed into attritor and subjected to mechanochemical activation by grinding in air atmosphere. In so doing, carbon is introduced in the amount exceeding its stoichiometric needs for complete carbonization of oxide- and carbide-forming elements of not in excess of 0.5 wt.%. Oxide- and carbide-forming elements are used in the form of metals taken from groups III, IV, V and VI of the Periodic System. EFFECT: simplified technology of production of blanks from the offered material and higher safety. 13 cl, 3 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам получения дисперсно-упрочненных материалов с высокой температурой рекрисаллизации, которые могут быть использованы в теплонапряженных деталях сварочной техники, а также двигателей. The invention relates to powder metallurgy, and in particular to methods for producing dispersion-hardened materials with a high temperature of recrystallization, which can be used in heat-stressed parts of welding equipment, as well as engines.

Детали, которые предназначены для сварочного производства, работают при воздействии высоких нагрузок и температуры 600 - 900oC). Детали, предназначенные для двигателестроения, эксплуатируются также в условиях высоких нагрузок при одновременном воздействии высоких температур (400 - 800oC).Parts that are intended for welding production, work under the influence of high loads and temperatures of 600 - 900 o C). Parts intended for engine construction are also used under high loads while exposed to high temperatures (400 - 800 o C).

Таким образом, материал всех названных деталей должен обладать высокой стойкостью к разупрочнению при высоких температурах, характеристикой которой служит температура рекристаллизации материала. Thus, the material of all these parts must have high resistance to softening at high temperatures, the characteristic of which is the temperature of recrystallization of the material.

Известны способы получения материалов, применяемых в условиях воздействия высоких нагрузок и температур, которые заключаются в смешивании порошков основного металла, например меди с порошками вольфрама и никеля, последующем прессовании и спекании [1]. Known methods for producing materials used under conditions of exposure to high loads and temperatures, which consist in mixing powders of the base metal, such as copper with tungsten and nickel powders, subsequent pressing and sintering [1].

Однако указанные материалы имеют очень высокую стоимость, обусловленную в основном применением для их изготовления дорогих материалов, в частности вольфрама. Кроме того, технологический процесс по этому способу достаточно сложен и дорог, поскольку требует применения защитных сред при спекании. However, these materials have a very high cost, due mainly to the use of expensive materials for their manufacture, in particular tungsten. In addition, the technological process of this method is quite complicated and expensive, since it requires the use of protective media during sintering.

Известны способы получения дисперсно-упрочненных материалов на основе меди путем смешивания порошков меди и оксидов Al2O3 и SiO2 с содержанием их до 12 об.%, последующего гидростатического холодного прессования порошковой смеси, спекания прессовки при температурах 500 и 1000oC и горячего прессования при температуре 760oC [2, 3]. При этом для предохранения содержащейся в прессовках меди от окисления и, следовательно, снижения физико-механических свойств материала, например электропроводности, спекание производят в среде водорода, что предъявляет к технологическому процессу повышенные требования по технике безопасности и охране труда, которые еще более ужесточаются, если учесть, что для достижения эффекта упрочнения материала порошки упрочняющих фаз должны иметь размеры мене 1 мкм, а это означает, что они обладают высокой пирофорностью. Все это приводит в итоге к высокой стоимости материала и технологии его получения.Known methods for producing dispersion-strengthened materials based on copper by mixing powders of copper and oxides of Al 2 O 3 and SiO 2 with a content of up to 12 vol.%, Subsequent hydrostatic cold pressing of the powder mixture, sintering of the pressing at temperatures of 500 and 1000 o C and hot pressing at a temperature of 760 o C [2, 3]. At the same time, in order to protect the copper contained in the compacts from oxidation and, consequently, reduce the physicomechanical properties of the material, for example, electrical conductivity, sintering is carried out in a hydrogen medium, which imposes high safety and labor protection requirements on the technological process, which are further tightened if note that in order to achieve the effect of hardening of the material, the powders of the hardening phases must have sizes less than 1 μm, which means that they have high pyrophoricity. All this leads ultimately to the high cost of the material and technology for its production.

Известны способы получения материала на основе меди, содержащих упрочняющие фазы, например керамические, и применяемых при повышенных температурах, которые предусматривают введение углерода или углеродосодержащих компонентов в качестве основной добавки [4, 5]. Углерод вводят при перемешивании исходных компонентов и он, образуя на поверхности медных частиц пленку, препятствует окислению меди, способствует образованию структуры материала, обеспечивающей улучшенные свойства материалов. Однако частицы упрочняющих фаз, вводимые в исходную порошковую композицию, изначально имеют довольно крупные размеры и склонны к дальнейшей коагуляции, что отрицательно сказывается на свойствах материалов. Known methods for producing copper-based material containing hardening phases, such as ceramic, and used at elevated temperatures, which include the introduction of carbon or carbon-containing components as the main additives [4, 5]. Carbon is introduced with stirring of the starting components and, forming a film on the surface of copper particles, prevents the oxidation of copper, promotes the formation of a material structure that provides improved material properties. However, the particles of the strengthening phases introduced into the initial powder composition initially have rather large sizes and are prone to further coagulation, which negatively affects the properties of the materials.

Известны также способы, предусматривающие использование углерода в качестве карбидообразующего элемента для добавок в виде порошков карбидов различных элементов, например титана [6] к медному порошку. Однако, как и в предыдущем случае, частицы карбидов имеют довольно крупные размеры, что также отрицательно сказывается на свойствах этих материалов. Methods are also known involving the use of carbon as a carbide-forming element for additives in the form of powders of carbides of various elements, for example titanium [6] to copper powder. However, as in the previous case, carbide particles have rather large sizes, which also negatively affects the properties of these materials.

Известен способ получения дисперсно-упрочненных материалов из порошков сплава меди и легирующих элементов, при котором наряду с другими присущими ему операциями производят "внутреннее окисление" порошка сплава меди и легирующего металла [7]. "Внутреннее окисление" заключается в окислении порошка сплава меди и оксидообразующего металла, например алюминия, имеющего большое сродство к кислороду. При последующей термической обработке в восстановительной среде медный порошок восстанавливается из оксидов меди, а оксидообразующий металл остается в виде мелкодисперсных и равномерно распределенных частиц его оксидов, в частности Al2O3. Температура рекристаллизации материалов, полученных указанным методом, достигает 0,75 температуры плавления меди.There is a method of producing dispersion-hardened materials from powders of an alloy of copper and alloying elements, in which, along with other operations inherent to it, produce "internal oxidation" of the powder of the alloy of copper and alloy metal [7]. "Internal oxidation" is the oxidation of a powder of an alloy of copper and an oxide-forming metal, for example aluminum, having a high affinity for oxygen. During subsequent heat treatment in a reducing medium, the copper powder is reduced from copper oxides, and the oxide-forming metal remains in the form of finely dispersed and evenly distributed particles of its oxides, in particular Al 2 O 3 . The recrystallization temperature of materials obtained by this method reaches 0.75 of the melting point of copper.

Этот способ не позволяет получать материалы с большим содержанием частиц фаз-упрочнителей, что необходимо для увеличения прочностных свойств материалов при высоких температурах. Это объясняется тем, что при содержании окисляемого элемента более 0,5 мас.% он остается в твердом растворе или в виде соединений с медью, а выделяющиеся частицы оксидов имеют большие размеры, что существенно ухудшает свойства материалов. This method does not allow to obtain materials with a high content of particles of phase hardeners, which is necessary to increase the strength properties of materials at high temperatures. This is because when the content of the oxidizable element is more than 0.5 wt.%, It remains in solid solution or in the form of compounds with copper, and the released oxide particles are large, which significantly impairs the properties of the materials.

Известен способ получения дисперсно-упрочненного материала на основе меди, включающий механохимическую активацию путем размола смеси порошков меди и алюминия в шаровой мельнице в окислительной атмосфере [8]. Но такой способ для восстановления окисленной меди требует проведения последующих диффузионного отжига полученных гранул при 700oC и восстановительного отжига в смеси водяного пара и водорода при их соотношении 100:1 при 700oC. Для получения заготовок для деталей, работающих при высоких температурах, полученные после такое обработки гранулы необходимо подвергнуть компактированию в брикеты вхолодную и экструдировать в пруток или профиль при температуре 750 - 850oC (см. фиг. 1).A known method of producing a dispersion-strengthened material based on copper, including mechanochemical activation by grinding a mixture of powders of copper and aluminum in a ball mill in an oxidizing atmosphere [8]. But such a method for the recovery of oxidized copper requires subsequent diffusion annealing of the obtained granules at 700 o C and reductive annealing in a mixture of water vapor and hydrogen at a ratio of 100: 1 at 700 o C. To obtain blanks for parts operating at high temperatures, the obtained after this treatment, the granules must be compacted into briquettes cold and extruded into a rod or profile at a temperature of 750 - 850 o C (see Fig. 1).

Благодаря механохимической активации порошковых компонентов во время размола в шаровой мельнице значительно сокращается время протекания окислительно-восстановительных реакций по сравнению со способом, предусматривающим "внутреннее окисление", снижается температура, при которой они протекают. Однако способ остается сложным и дорогим, достаточно длителен, требует применения защитных атмосфер и сред со строго определенным соотношением окислителя и восстановителя. Due to the mechanochemical activation of the powder components during grinding in a ball mill, the time for the occurrence of redox reactions is significantly reduced in comparison with the method involving "internal oxidation", and the temperature at which they occur is reduced. However, the method remains complex and expensive, quite long, requires the use of protective atmospheres and environments with a strictly defined ratio of oxidizing agent and reducing agent.

Прототипом изобретения является способ получения дисперсно-упрочненных материалов на основе меди [9], включающий механохимическую активацию, при которой на первой стадии раздельно обрабатываются путем размола в среде аргона, например, в шаровой планетарной мельнице порошок меди и смесь порошков меди, оксидо- и карбидообразующих элементов, например титана, и углерода. При этом углерод берется в количестве, стехиометрически необходимом для того, чтобы весь он без остатка образовал карбиды, например TiC. Кроме того, способ предусматривает и добавки в виде оксидов металлов, которые также засыпаются в мельницу вместе с оксидо- и карбидообразующими элементами. The prototype of the invention is a method for producing dispersion-strengthened copper-based materials [9], including mechanochemical activation, in which the first stage is separately processed by grinding in an argon medium, for example, in a ball planetary mill, copper powder and a mixture of copper, oxide and carbide-forming powders elements, such as titanium, and carbon. In this case, carbon is taken in an amount stoichiometrically necessary so that all of it will form carbides, for example, TiC without residue. In addition, the method also provides additives in the form of metal oxides, which are also poured into the mill along with oxide and carbide-forming elements.

На второй стадии также в среде аргона производится совместный размол прошедших первую стадию обработки порошков. При этом общеизвестно, что содержание упрочняющей фазы в материале должно быть в пределах 0,5-5,0 об.%. Такой способ не требует диффузионного и восстановительного отжига, в отличие от ранее описанных способов. Однако необходимость в длительной многоэтапной раздельной обработке порошков в шаровой мельнице для обеспечения полного взаимодействия оксидо- и карбидообразующих элементов с углеродом и равномерного распределения продукта этого взаимодействия (упрочняющей фазы), а также использование инертного газа при этом значительно снижает производительность и увеличивает стоимость материалов, получаемых данным способом. At the second stage, also in argon medium, the powders passed through the first stage of processing are milled together. It is well known that the content of the hardening phase in the material should be in the range of 0.5-5.0 vol.%. This method does not require diffusion and reductive annealing, in contrast to the previously described methods. However, the need for a long multi-stage separate processing of powders in a ball mill to ensure complete interaction of oxide and carbide-forming elements with carbon and uniform distribution of the product of this interaction (hardening phase), as well as the use of an inert gas, significantly reduces productivity and increases the cost of materials obtained way.

Кроме того, для получения заготовок для деталей, работающих при повышенных температурах, необходимо так же, как и в предыдущем способе, предварительно спрессованные гранулы материала, полученного способом-прототипом, подвергнуть деформационной обработке (горячей экструзии, прокатке и т.п.) также в среде защитных газов, что также повышает стоимость дисперсно-упрочненных материалов, усложняя технологический процесс (см. фиг. 2). In addition, to obtain blanks for parts operating at elevated temperatures, it is necessary, as in the previous method, to pre-compress the granules of the material obtained by the prototype method, to deform (hot extrusion, rolling, etc.) also in shielding gas environment, which also increases the cost of dispersion-hardened materials, complicating the process (see Fig. 2).

Изобретение решает задачу создания способа получения дисперсно-упрочненных материалов на основе меди, обеспечивающего этим материалам высокие значения температуры рекристаллизации при одновременной простоте, высокой производительности, безопасности, экономичности. Техническим результатом заявляемого способа является упрощение технологии получения заготовок деталей из материала, полученного с помощью способа, повышение безопасности. The invention solves the problem of creating a method for producing dispersion-strengthened materials based on copper, providing these materials with high temperatures of recrystallization while simplicity, high productivity, safety, efficiency. The technical result of the proposed method is to simplify the technology for producing workpieces of parts from material obtained using the method, increasing safety.

Этот результат достигается тем, что в способе получения дисперсно-упрочненных материалов на основе меди преимущественно для деталей, эксплуатируемых в условиях повышенных температур, включающем механохимическую активацию путем размола порошков меди, оксидо- и карбидообразующих элементов, углерода и оксидов, механохимическую активацию ведут одностадийно на воздухе, при этом оксиды получают путем засыпки в зону размола оксидо- и карбидообразующих элементов, а углерод вводят в количестве, превышающем не более чем на 0,5 мас.% стехиометрически необходимые его количество для полной карбидизации оксидо- и карбидообразующих элементов. В качестве карбидо- и оксидообразующих элементов могут быть использованы металлы, выбранные из III, IV, V и VI групп периодической системы элементов Д.И. Менделеева. This result is achieved by the fact that in the method for producing dispersion-hardened materials based on copper, mainly for parts operated at elevated temperatures, including mechanochemical activation by grinding powders of copper, oxide and carbide-forming elements, carbon and oxides, the mechanochemical activation is carried out in one step in air , while the oxides are obtained by filling in the grinding zone of the oxide and carbide-forming elements, and carbon is introduced in an amount exceeding no more than 0.5 wt.% stoichiometric cally necessary amount for its complete carbonization oksido- and carbide-forming elements. As carbide and oxide-forming elements, metals selected from groups III, IV, V and VI of the Periodic Table of Elements D.I. can be used. Mendeleev.

Отличием заявляемого способа от прототипа является проведение всех операций технологического процесса получения материалов на воздухе без применения каких-либо окислительных, восстановительных или защитных газов (см. фиг. 3). Это преимущество, выражающееся в значительном упрощении и удешевлении технологического процесса (ср. фиг. 2 и 3) и соответственно снижении стоимости получаемых этим способом материалов, достигается введением в материалы такого количества углеродов, которое максимально на 0, 5 мас.% превышает стехиометрически необходимое его количество для полной карбидизации легирующих элементов. Благодаря этому нагрев на воздухе продукта механохимической активации - гранул не приводит к окислению содержащейся в них меди, поскольку находящийся в них в свободном виде остаточный ультрадисперсный и равномерно распределенный углерод связывает кислород воздуха в печи с образованием газов CO и CO2. Более того углерод при этом восстанавливает окисленную при механохимической активации медь. Образующийся при этом углекислый газ выходит из пор брикета и дополнительно препятствует попаданию в них кислорода воздуха. Кроме этого, углерод взаимодействует с легирующими элементами с образованием мелкодисперсных его карбидов.The difference of the proposed method from the prototype is to carry out all operations of the technological process of obtaining materials in air without the use of any oxidizing, reducing or protective gases (see Fig. 3). This advantage, which is manifested in a significant simplification and cheapening of the technological process (cf. FIGS. 2 and 3) and, accordingly, reduction in the cost of the materials obtained by this method, is achieved by introducing into the materials such an amount of carbon that is at most 0.5 wt.% Higher than the stoichiometrically necessary amount for complete carbidization of alloying elements. Due to this, heating in air of a product of mechanochemical activation - granules does not lead to oxidation of the copper contained in them, since the residual ultrafine and evenly distributed carbon in them in free form binds air oxygen in the furnace with the formation of CO and CO 2 gases. Moreover, carbon at the same time restores copper oxidized during mechanochemical activation. The carbon dioxide generated in this process leaves the pores of the briquette and further prevents the ingress of air oxygen into them. In addition, carbon interacts with alloying elements with the formation of finely dispersed carbides.

Таким образом, указанные избыточное, в отличие от способа, выбранного в качестве прототипа, введение в порошковую смесь углерода не только дает возможность получить требуемую дисперсно-упрочненную структуру материала, но и обеспечивает восстановление меди и ее защиту в них от окисления, что дает возможность избежать длительных и дорогостоящих окислительно-восстановительных отжигов в среде специальных (взрывоопасных) газов, а весь процесс вести на воздухе. Thus, these excess, in contrast to the method selected as a prototype, the introduction of carbon into the powder mixture not only makes it possible to obtain the required dispersion-hardened material structure, but also provides copper recovery and its protection from oxidation in them, which makes it possible to avoid long and expensive redox annealing in the environment of special (explosive) gases, and the whole process is carried out in air.

Кроме указанных функций, свободный углерод, размеры частиц которого после механохимической активации стали, как показали исследования, 0,01-0,05 мкм, имеет еще две функции: выступает в качестве дополнительной упрочняющей фазы в материале и в качестве своего рода сухой смазки, повышая материалу его антифрикционные и противоадгезионные свойства, что также весьма важно для изделий указанных выше областей применения. In addition to these functions, free carbon, the particle sizes of which after mechanochemical activation of steel, as shown by studies, 0.01-0.05 μm, has two more functions: it acts as an additional hardening phase in the material and as a kind of dry lubricant, increasing material its anti-friction and anti-adhesive properties, which is also very important for products of the above applications.

Осуществление механохимической активации на воздухе, в отличие от способа, выбранного в качестве прототипа, имеет также, кроме простоты и более низкой стоимости операции, еще одно преимущество: кислород воздуха реагирует с оксидо- и карбидообразующими элементами и образует их оксиды, которые так же, как и карбиды, дополнительно упрочняют материал. The implementation of mechanochemical activation in air, in contrast to the method selected as a prototype, also has, in addition to simplicity and lower cost of operation, another advantage: atmospheric oxygen reacts with oxide and carbide-forming elements and forms their oxides, which are the same as and carbides, additionally harden the material.

Наличие в материалах одновременно разнородных упрочняющих фаз (оксидов, карбидов и углерода), как известно [7], существенно уменьшает их склонность к коагуляции, по сравнению со случаем, когда в материалах содержится лишь одна однородная фаза-упрочнитель, что препятствует разупрочнению материалов при высоких температурах и обеспечивает им высокие значения температуры рекристаллизации. The presence of simultaneously heterogeneous hardening phases (oxides, carbides, and carbon) in materials, as is known [7], significantly reduces their tendency to coagulate, compared with the case when the materials contain only one homogeneous hardening phase, which prevents softening of materials at high temperatures and provides them with high temperatures of recrystallization.

Таким образом, в процессе получения дисперсно-упрочненных материалов по заявленному способу протекают следующие основные химические реакции и взаимодействия:
а) в процессе механохимической активации:
- реакции меди и оксидо- и карбидообразующего элемента Me с кислородом воздуха:
Cu+O2_→ CuO(CuO2) - химическое соединение, отрицательно влияющее на физико-механические свойства материала;
Me+O2_→ MeO (МеO2, Me2O3 и др.) - упрочняющая фаза;
- баланс по углероду:
C _→ C′+C″,
где
C' - количество углерода, необходимое для полной карбидизации оксидо- и карбидообразующего элемента (стехиометрически необходимое количество);
C''- избыточный углерод, находящийся в гранулах; во время обработки в шаровой мельнице он лишь измельчается.
Thus, in the process of obtaining dispersion-hardened materials according to the claimed method, the following basic chemical reactions and interactions proceed:
a) in the process of mechanochemical activation:
- reactions of copper and the oxide and carbide-forming element Me with oxygen in the air:
Cu + O 2 _ → CuO (CuO 2 ) - a chemical compound that adversely affects the physical and mechanical properties of the material;
Me + O 2 _ → MeO (MeO 2 , Me 2 O 3 , etc.) - hardening phase;
- carbon balance:
C _ → C ′ + C ″,
Where
C 'is the amount of carbon required for complete carbidization of the oxide and carbide-forming element (stoichiometrically necessary amount);
C '' is the excess carbon in the granules; during processing in a ball mill it is only crushed.

- реакции оксидо- и карбидообразующего элемента с углеродом C':
Me+C′ _→ MeC (Me4C3, Me3C2 и др.) - упрочняющая фаза;
б) в процессе термообработки брикетов перед экструзией:
- баланс по избыточному углероду C'':
C'' = C''b + C''a + C''c
где Cb'' - количество избыточного углерода, расходуемого при
нагреве брикета перед экструзией на восстановление меди из ее окислов;
Ca - количество избыточного углерода, расходуемого на образование защитной атмосферы при нагреве брикетов перед экструзией;
Cc - количество избыточного углерода, находящегося в материале в свободном ультрадисперсном состоянии и выполняющего роль дополнительной фазы-упрочнителя, а также антифрикционной и противоадгезионной добавки;
- реакции восстановления меди из ее окислов:

Figure 00000002
- матрица материала;
- взаимодействие углерода с кислородом воздуха:
Figure 00000003
- защитная атмосфера.- reactions of the oxide and carbide-forming element with carbon C ':
Me + C ′ _ → MeC (Me 4 C 3 , Me 3 C 2 and others) - hardening phase;
b) in the process of heat treatment of briquettes before extrusion:
- excess carbon balance C '':
C '' = C '' b + C '' a + C '' c
where C b '' is the amount of excess carbon consumed at
heating the briquette before extrusion to restore copper from its oxides;
C a - the amount of excess carbon spent on the formation of a protective atmosphere when heating briquettes before extrusion;
C c - the amount of excess carbon in the material in a free ultrafine state and acting as an additional phase hardener, as well as anti-friction and anti-adhesive additives;
- reactions for the reduction of copper from its oxides:
Figure 00000002
- material matrix;
- interaction of carbon with oxygen:
Figure 00000003
- protective atmosphere.

В итоге дисперсно-упрочненный материал, получаемый заявляемым способом и содержащий в исходном состоянии лишь один оксидо- и карбидообразующий элемент Me и углерод C, представляет собой следующую систему. As a result, the dispersion-hardened material obtained by the claimed method and containing in the initial state only one oxide and carbide-forming element Me and carbon C, represents the following system.

Cu - MeO - MeC - Cc'',
в которой содержатся одновременно три упрочняющие фазы: оксид, карбид и избыточный углерод. В материале, получаемом по способу-прототипу при введении в порошковую медь также одного оксидо- и карбидообразующего элемента и углерода, будет в итоге присутствовать лишь одна упрочняющая фаза, а именно карбид. Ввиду того, что механохимическую активацию по способу-прототипу производят в среде аргона (т.е. отсутствии воздуха, а значит кислорода в нем), то оксидо- и карбидообразующий металл, например титан, не имеет возможности образовать свой оксид. Для того, чтобы конечный материал содержал бы и оксид, необходимо в исходную порошковую смесь добавить порошок этого оксида.
Cu - MeO - MeC - C c '',
which simultaneously contains three hardening phases: oxide, carbide and excess carbon. In the material obtained by the prototype method when introducing into powder copper also one oxide and carbide-forming element and carbon, in the end there will be only one strengthening phase, namely carbide. Due to the fact that the mechanochemical activation by the prototype method is carried out in an argon medium (i.e., the absence of air, which means oxygen in it), the oxide and carbide-forming metal, for example titanium, cannot form its own oxide. In order for the final material to contain oxide, it is necessary to add the powder of this oxide to the initial powder mixture.

Очевидно, что, если в исходную порошковую смесь ввести не один оксидо- и карбидообразующий элемент, а сразу два (например титан и алюминий), то в материале, получаемом по способу-прототипу, будет две разнородные упрочняющие фазы (в данном случае TiC и Al4C3), тогда как в материале, получаемом по заявленному способу, количество фаз-упрочнителей будет равно пяти (в данном случае TiC, TiO2, Al4C3, Al2O3 и избыточный углерод).Obviously, if not one oxide and carbide-forming element is introduced into the initial powder mixture, but two at once (for example, titanium and aluminum), then the material obtained by the prototype method will have two heterogeneous strengthening phases (in this case, TiC and Al 4 C 3 ), while in the material obtained by the claimed method, the number of phase hardeners will be five (in this case, TiC, TiO 2 , Al 4 C 3 , Al 2 O 3 and excess carbon).

Поскольку все пять указанные упрочняющие фазы разнородны, то материал, содержащий их, практически не будет иметь разупрочнения за счет коагуляции частиц упрочняющих фаз и будет обладать высокими значениями температуры рекристаллизации. Since all five of these strengthening phases are heterogeneous, the material containing them will have virtually no softening due to coagulation of particles of the strengthening phases and will have high values of the recrystallization temperature.

В качестве оксидо- и карбидообразующих элементов могут служить элементы III, IV, V или VI групп периодической системы элементов Д.И. Менделеева, в частности бор, алюминий, скандий, иттрий, лантан, кремний, титан, гафний, торий, ванадий, ниобий, хром, молибден, вольфрам, образующие стабильные при высоких температурах оксиды и карбиды. As oxide- and carbide-forming elements, elements of groups III, IV, V or VI of the periodic system of elements D.I. Mendeleev, in particular boron, aluminum, scandium, yttrium, lanthanum, silicon, titanium, hafnium, thorium, vanadium, niobium, chromium, molybdenum, tungsten, forming oxides and carbides stable at high temperatures.

В табл. 1 представлены данные сравнительного анализа технологических процессов получения заготовок, например прутков для деталей из дисперсно-упрочненных материалов на основе меди, используемых при повышенных температурах, с использованием способа, описанного в [8] (фиг. 1), способа-прототипа [9] (фиг. 2) и заявляемого (фиг. 3). In the table. 1 presents the data of a comparative analysis of technological processes for the preparation of preforms, for example, rods for parts from dispersion-hardened copper-based materials used at elevated temperatures, using the method described in [8] (Fig. 1), the prototype method [9] ( Fig. 2) and the claimed (Fig. 3).

Из табл. 1 следует, что технологический цикл изготовления заготовок с использованием заявляемого способа на две операции короче технологического цикла изготовления заготовок по способу, описанному в [8], и по способу, выбранному в качестве прототипа. From the table. 1 it follows that the technological cycle of manufacturing blanks using the proposed method is two operations shorter than the technological cycle of manufacturing blanks by the method described in [8], and by the method selected as a prototype.

Суммарное машинное время технологического процесса по заявляемому способу в 6,2 - 6,7 раз меньше машинного времени технологического цикла с использованием способа, описанного в [8], и во столько же раз меньше, чем по способу, выбранному в качестве прототипа. The total machine time of the technological process according to the claimed method is 6.2 - 6.7 times less than the machine time of the technological cycle using the method described in [8], and is as much less than the method selected as a prototype.

Кроме того, в технологическом процессе с использованием заявляемого способа нет операций, в которых используются защитные газы, тогда как в технологических процессах с использованием других способов таких операций четыре. In addition, in the technological process using the proposed method there are no operations in which protective gases are used, whereas in technological processes using other methods of such operations, four.

Вышеизложенное дает возможность утверждать, что заявляемый способ значительно проще, производительнее и безопаснее способа, выбранного в качестве прототипа, а стоимость заготовок, изготовленных из дисперсно-упрочненных материалов на основе меди с применением этого способа, существенно ниже стоимости заготовок, изготовленных по способу-прототипу. The foregoing makes it possible to assert that the claimed method is much simpler, more productive, and safer than the method selected as a prototype, and the cost of billets made of dispersion-strengthened materials based on copper using this method is significantly lower than the cost of billets made by the prototype method.

Пример. По способу-прототипу (см. фиг. 2) были изготовлены горячепрессованные прутки диаметром 16 мм, где оксидо- и карбидообразующим элементом являлся титан, причем количество его было таким, чтобы в конечном итоге в материале содержалось 3,0; 4,0 и 5,0 мас.% приведенного титана, при этом содержание углерода составляло стехиометрически необходимое количество для полной карбидизации титана, которое рассчитывалось по известной формуле:

Figure 00000004

где
Ac - атомный вес углерода;
Aэ - атомный вес легирующего элемента;
Kс и Kэ - коэффициент формулы, химической реакции между углеродом и легирующим элементом соответственно для углерода и легирующего элемента.Example. According to the prototype method (see Fig. 2), hot-pressed bars with a diameter of 16 mm were made, where titanium was the oxide- and carbide-forming element, and its amount was such that ultimately 3.0 was contained in the material; 4.0 and 5.0 wt.% Reduced titanium, while the carbon content was the stoichiometrically necessary amount for the complete carbidization of titanium, which was calculated by the well-known formula:
Figure 00000004

Where
A c is the atomic weight of carbon;
A e is the atomic weight of the alloying element;
K c and K e are the coefficient of the formula, the chemical reaction between carbon and the alloying element, respectively, for carbon and the alloying element.

По заявляемому способу (см. фиг. 3) были изготовлены горячепрессованные прутки дисперсно-упрочненных материалов диаметром 16 мм, где оксидо- и карбидообразующими элементами являлись металлы III, IV, V и VI групп периодической системы Д.И. Менделеева, соответственно алюминий, титан, ванадий и хром. Содержание указанных выше элементов в исходной порошковой шихте составляло 3,0; 4,0 и 5,0 мас.%. Исходное содержание углерода превышало стехиометрически необходимое количество для полной их карбидизации на 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 и 0,5 мас.%. Стехиометрическое количество углерода C' при этом, необходимое для полной карбидизации легирующего элемента, рассчитывалось по вышеприведенной формуле. According to the claimed method (see Fig. 3), hot-pressed bars of dispersion-hardened materials with a diameter of 16 mm were manufactured, where the oxide and carbide-forming elements were metals of groups III, IV, V and VI of the periodic system D.I. Mendeleev, respectively, aluminum, titanium, vanadium and chromium. The content of the above elements in the original powder mixture was 3.0; 4.0 and 5.0 wt.%. The initial carbon content exceeded the stoichiometrically necessary amount for their complete carbidization by 0.1; 0.2; 0.3; 0.4 and 0.5 wt.%. The stoichiometric amount of carbon C 'in this case, necessary for the complete carbidization of the alloying element, was calculated by the above formula.

Технологический процесс получения прутков заключался в размоле исходных порошков в аттриторе в атмосфере воздуха, холодном компактировании в брикеты на воздухе, нагреве на воздухе до 750oC и экструзии с этой температуры в прутки.The technological process for the production of rods consisted in grinding the initial powders in an attritor in an atmosphere of air, cold compaction into briquettes in air, heating in air to 750 o C and extrusion from this temperature into rods.

Между указанными элементами и углеродами протекают следующие основные реакции:
4Al + 3C = Al4C3;
Ti + C = TiC;
V + C = VC;
3Cr + 2C = Cr3C2.
The following main reactions proceed between these elements and carbons:
4Al + 3C = Al 4 C 3 ;
Ti + C = TiC;
V + C = VC;
3Cr + 2C = Cr 3 C 2 .

Наличие карбидов указанных выше видов, как основных, образующихся при реакции данных элементов с углеродом, было подвержено рентгенофазовыми исследованиями полученных материалов. The presence of carbides of the above types, as the main ones formed during the reaction of these elements with carbon, was subjected to x-ray phase studies of the materials obtained.

Исходя из указанных реакций, стехиометрическое количество углерода C', необходимое для полной карбидизации 1 г алюминия, титана, ванадия и хрома, составляет соответственно 0,334; 0,250); 0,236 и 0,154 г. Based on these reactions, the stoichiometric amount of carbon C 'required for complete carbidization of 1 g of aluminum, titanium, vanadium and chromium is 0.334, respectively; 0.250); 0.236 and 0.154 g.

Полученные прутки всех материалов были подвергнуты испытаниям, целью которых являлось определение температуры их рекристаллизации. The resulting rods of all materials were tested, the purpose of which was to determine the temperature of their recrystallization.

Результаты исследований представлены в табл. 2. The research results are presented in table. 2.

Из табл. 2 видно, что во всем исследованном диапазоне содержаний оксидо- и карбидообразующего элемента и углерода температура рекристаллизации материалов, полученных заявляемых способом, выше, чем материалов, полученных по способу-прототипу. Это обусловлено наличием в материалах, полученных заявляемым способом, разнородных фаз-упрочнителей, менее подверженных процессам коагуляции и агломерации, чем однородные: во всем исследованном диапазоне содержаний оксидо- и карбидообразующих элементов и углерода средний размер частиц упрочняющих фаз в материалах, полученных по заявляемому способу, меньше, чем у материалов, изготовленных по способу-прототипу. From the table. 2 shows that in the entire investigated range of contents of the oxide and carbide-forming element and carbon, the temperature of recrystallization of the materials obtained by the claimed method is higher than the materials obtained by the prototype method. This is due to the presence in the materials obtained by the claimed method of heterogeneous hardening phases that are less susceptible to coagulation and agglomeration processes than homogeneous: in the entire range of studied contents of oxide and carbide-forming elements and carbon, the average particle size of the hardening phases in the materials obtained by the claimed method, less than the materials manufactured by the prototype method.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Спеченные материалы для электротехники и электроники. Справочник/Г.Г. Гнесин, В.А. Дубок, Г.Н. Братерская и др. - М.: Металлургия, 1981, с. 344.
Sources of information taken into account during the examination
1. Sintered materials for electrical engineering and electronics. Reference book / G.G. Gnesin, V.A. Dubok, G.N. Braterskaya et al. - M.: Metallurgy, 1981, p. 344.

2. Zwilsky K.M. a.o. J.Metals, 1957, v. 9, p. 1197-1201. 2. Zwilsky K.M. a.o. J. Metals, 1957, v. 9, p. 1197-1201.

3. Zwilsky K.M. a.o. Trans. AIME, 1961, v. 221, p. 371-377. 3. Zwilsky K.M. a.o. Trans. AIME, 1961, v. 221, p. 371-377.

4. Авторское свидетельство СССР N 1016067. 4. Copyright certificate of the USSR N 1016067.

5. Авторское свидетельство СССР N 1222698. 5. Copyright certificate of the USSR N 1222698.

6. Патент РФ N 2015851. 6. RF patent N 2015851.

7. Данелия Е. П., Розенберг В.М. Внутреннеокисленные сплавы. - М.: Металлургия, 1978, с. 232. 7. Danelia E.P., Rosenberg V.M. Internally oxidized alloys. - M.: Metallurgy, 1978, p. 232.

8. Oppenhein H. Herstellung, Eigenschaften und Verwendungs- moglichkeiten von dispersionsgehartetem Kupfer. Z. Metallkunde, 74, 1983, p. 319-322. 8. Oppenhein H. Herstellung, Eigenschaften und Verwendungs-moglichkeiten von dispersionsgehartetem Kupfer. Z. Metallkunde, 74, 1983, p. 319-322.

9. Offenlegung BRD DE 4418600 A1, 30.11.95. Verfahren zur Herstellung von dispersionsverstarkten metallischen Werkstoffen, insbesondere Kupfer und Silber. Kieback B. , Kubsch H. , G. , Sauer C. Aktenzeichen P4418600.2, 27.05.94. 9. Offenlegung BRD DE 4418600 A1, 11/30/95. Verfahren zur Herstellung von dispersionsverstarkten metallischen Werkstoffen, insbesondere Kupfer und Silber. Kieback B., Kubsch H., G., Sauer C. Aktenzeichen P4418600.2, 05.27.94.

Claims (2)

1. Способ получения дисперсно-упрочненных материалов на основе меди преимущественно для деталей, эксплуатируемых в условиях повышенных температур, включающий механохимическую активацию путем размола порошков меди, оксидо- и карбидообразующих элементов, углерода и оксидов, отличающийся тем, что оксиды получают путем засыпки в зону размола порошков оксидо- и карбидообразующих элементов, процесс проводят в одну стадию в атмосфере воздуха, а углерод вводят в количестве, превышающем не более чем на 0,5 мас.% стехиометрически необходимое его количество для полной карбидизации оксидо- и карбидообразующих элементов. 1. A method for producing dispersion-strengthened copper-based materials mainly for parts operated at elevated temperatures, including mechanochemical activation by grinding powders of copper, oxide and carbide-forming elements, carbon and oxides, characterized in that the oxides are obtained by filling in the grinding zone powders of oxide and carbide-forming elements, the process is carried out in one stage in an atmosphere of air, and carbon is introduced in an amount exceeding no more than 0.5 wt.% stoichiometrically necessary to lichestvo for complete carbonization oksido- and carbide-forming elements. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оксидо- и карбидообразующих элементов используют металлы, выбранные из III, IV или VI групп Периодической системы элементов Д.И.Менделеева. 2. The method according to claim 1, characterized in that as the oxide and carbide-forming elements use metals selected from groups III, IV or VI of the Periodic Table of Elements D. I. Mendeleev.
RU97104859A 1997-03-27 1997-03-27 Method for production of copper-base dispersion-hardened materials RU2116370C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97104859A RU2116370C1 (en) 1997-03-27 1997-03-27 Method for production of copper-base dispersion-hardened materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97104859A RU2116370C1 (en) 1997-03-27 1997-03-27 Method for production of copper-base dispersion-hardened materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2116370C1 true RU2116370C1 (en) 1998-07-27
RU97104859A RU97104859A (en) 1998-11-10

Family

ID=20191299

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU97104859A RU2116370C1 (en) 1997-03-27 1997-03-27 Method for production of copper-base dispersion-hardened materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2116370C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2003251511B2 (en) Method for preparing metallic alloy articles without melting
Locci et al. Field-activated pressure-assisted synthesis of NiTi
EP0079755B1 (en) Copper base spinodal alloy strip and process for its preparation
KR20010022884A (en) Titanium alloy based dispersion-strengthened composites
US5912399A (en) Chemical synthesis of refractory metal based composite powders
EP0282191B1 (en) Metal composites with fly ash incorporated therein and a process for producing the same
JPH04325651A (en) Oxide dispersion strengthened heat resistant sintered alloy
EP1781830B1 (en) Processes for producing dispersoid-strengthened material
US4077816A (en) Dispersion-strengthened metals
US3205099A (en) Stable dispersoid composites and production thereof
US3533760A (en) Dispersion strengthened nickel-chromium alloy composition
Rabin et al. Reaction processing of iron aluminides
US3300848A (en) Method of preparing oxides for neutronic reactor control
RU2116370C1 (en) Method for production of copper-base dispersion-hardened materials
Joshi et al. Reactive synthesis of titanium matrix composite powders
US4336065A (en) Method for the manufacture of a composite material by powder metallurgy
Joshi et al. Studies on copper-yttria nanocomposites: High-energy ball milling versus chemical reduction method
Van Dyck et al. Reactive powder metallurgy of Ni3Si-based alloys
US3203781A (en) Method of producing dispersion-hardened metal alloys
WO2001062420A1 (en) Process for producing titanium carbide, titanium nitride, or tungsten carbide hardened materials
RU2117063C1 (en) Method for manufacture of high-temperature and heat-resistant dispersion-hardened copper-base articles
Huang et al. Influence of pre-alloyed Ni-Fe-Mo binder metal on properties and microstructure of tungsten heavy alloys
US3990861A (en) Strong, high purity nickel
JP2564527B2 (en) Method for manufacturing heat-resistant, high-strength, high-ductility aluminum alloy member
Wickman et al. Diffusion bonding of titanium-titanium aluminide-alumina sandwich

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A License on use of patent

Effective date: 20070925

QB4A License on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20071120