RU2718523C1 - Method for production of powdered copper-based composite with improved strength characteristics - Google Patents
Method for production of powdered copper-based composite with improved strength characteristics Download PDFInfo
- Publication number
- RU2718523C1 RU2718523C1 RU2019136808A RU2019136808A RU2718523C1 RU 2718523 C1 RU2718523 C1 RU 2718523C1 RU 2019136808 A RU2019136808 A RU 2019136808A RU 2019136808 A RU2019136808 A RU 2019136808A RU 2718523 C1 RU2718523 C1 RU 2718523C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- copper
- thermally expanded
- expanded graphite
- graphene
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/12—Both compacting and sintering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения композиционных материалов на основе меди с улучшенными эксплуатационными характеристиками, в первую очередь, с повышенной прочностью на растяжение; данные композиты могут быть использованы, например, в электротехнической промышленности.The invention relates to powder metallurgy and can be used to obtain composite materials based on copper with improved performance characteristics, primarily with increased tensile strength; These composites can be used, for example, in the electrical industry.
Известен способ изготовления спеченных изделий из металлических порошков (Тарусов И.Н. и др., патент СССР SU 1726131 от 30.01.1990, опубл. 15.04.1992 по классу B22F3/16). Изделия из медного порошка изготавливали методом порошковой металлургии с применением стеариновой кислоты в качестве смазочного материала (лубриканта). Для этого использовали порошок меди МПС-1 и готовили лигатуру, содержавшую 5% стеариновой кислоты; данную лигатуру сушили при 60 °С, перемешивали в течение 30 минут, после чего просеивали при температуре 15 °С. За счет этой процедуры удавалось обеспечить одинаковые размеры частиц медного порошка и углерод-содержащей смазки (стеариновой кислоты). После этого путем смешения порошка меди МПС-1 и лигатуры готовили шихту, содержавшую 0,3% стеариновой кислоты, смешение проводилось при 20 °С в течение 15 минут. Полученную шихту прессовали при комнатной температуре до плотности 80% от теоретической и далее предварительно спекали при температуре 350 °С в течение 60 минут и окончательно спекали при температуре 950 °С в течение 90 минут. Техническим результатом известного способа является получение спеченных заготовок с качественной гладкой поверхностью и высокими физико-механическими свойствами, предлагаемый способ также позволяет уменьшить расход смазочного материала (лубриканта). Однако, природа используемого в качестве лубриканта вещества – стеариновой кислоты – требует комплекса мер для предотвращения комкования, приводящего к образованию частиц значительных размеров, которые, в свою очередь, в процессе спекания неизбежно приводит к наличию пор большого размера в итоговом материале. Предлагаемые способы устранения данной проблемы существенно усложняют процесс производства изделий. Кроме этого, возможны химические реакции с образованием стеаратов и их последующего частичного разложения и выгорания при высокотемпературном спекании, что приводит к неоднородности итогового материала, и, тем самым, к ухудшению его физико-механических свойств.A known method of manufacturing sintered products from metal powders (Tarusov I.N. and others, USSR patent SU 1726131 from 01/30/1990, publ. 04/15/1992 in class B22F3 / 16). Copper powder products were made by powder metallurgy using stearic acid as a lubricant (lubricant). For this, copper powder MPS-1 was used and a ligature containing 5% stearic acid was prepared; this ligature was dried at 60 ° C, stirred for 30 minutes, and then sieved at a temperature of 15 ° C. Due to this procedure, it was possible to ensure the same particle sizes of copper powder and carbon-containing lubricant (stearic acid). After that, by mixing the MPS-1 copper powder and the ligature, a mixture containing 0.3% stearic acid was prepared, mixing was carried out at 20 ° С for 15 minutes. The resulting mixture was pressed at room temperature to a density of 80% of theoretical and then pre-sintered at a temperature of 350 ° C for 60 minutes and finally sintered at a temperature of 950 ° C for 90 minutes. The technical result of the known method is to obtain sintered billets with a high-quality smooth surface and high physical and mechanical properties, the proposed method also allows to reduce the consumption of lubricant (lubricant). However, the nature of the substance used as a lubricant - stearic acid - requires a set of measures to prevent clumping, which leads to the formation of particles of significant size, which, in turn, in the process of sintering inevitably leads to the presence of large pores in the final material. The proposed methods for eliminating this problem significantly complicate the manufacturing process of products. In addition, chemical reactions are possible with the formation of stearates and their subsequent partial decomposition and burning during high-temperature sintering, which leads to heterogeneity of the final material, and, thereby, to a deterioration in its physical and mechanical properties.
Известен способ изготовления лубрикантов для порошковых композитов (Ahlin A. и др., Lubricant for powder metallurgical compositions. Заявка WO № 2007/078228, опубл. 12.07.2007 по классам МПК B22C1/00, CIOM 177/00, CIOM 171/06, С22С33/02). Способ предполагает использование углеродных (графитовых) частиц с характерными размерами от 5 нм до 10 мкм, покрытых слоем жирных органических кислот (например, стеариновой, пальметиновой, бегеновой кислоты) или их производных, а также ряда других органических соединений. При этой диаметр таких бинарных лубрикантов (покрытых органическим веществом графитовых частиц) находится в диапазоне от 0,5 до 100 мкм, наиболее ощутим эффект при размерах частиц 5-40 мкм. Весовое содержание собственно графитовых частиц в лубриканте составляет 0,1-25 мас.%, наиболее оптимальным являются составы, содержащие 1-7 мас.% графита. Предлагаемый лубрикант может быть использован для изготовления изделий из металлических порошков на основе железа, а также меди и других металлов (никеля, хрома, молибдена и ряда других). Способ изготовления изделий состоит в следующем. Бинарные лубриканты изготавливаются путем смешения графитовых частиц, например, порошка графита со средним размером частиц 5,2 мкм с оболочкой, например, стеарамидом в механической мешалке при температуре 50 °С, перемешивание происходит при скорости вращения ротора 1000 оборотов в минуту на протяжение 25 минут. Полученная смесь высушивается, отбирается требуемая по размеру частиц фракция, которая добавляется к металлическому порошку. Смешение партий проводится в мешалке с загрузкой 25 кг. Техническим результатом известного способа являлось улучшение свойств заготовок для изготовления изделий методом порошковой металлургии – снижение количества задиров при формовании заготовок и улучшение плотности формуемых заготовок. Однако, предлагаемый способ также имеет ряд недостатков: необходимость дополнительных этапов производства для подготовки лубриканта и устранения его комкования, а также возможность протекания химических реакций между металлическим порошком и оболочкой лубриканта с образованием нежелательных соединений.A known method of manufacturing lubricants for powder composites (Ahlin A. et al., Lubricant for powder metallurgical compositions. Application WO No. 2007/078228, published July 12, 2007 according to IPC classes B22C1 / 00, CIOM 177/00, CIOM 171/06, C22C33 / 02). The method involves the use of carbon (graphite) particles with characteristic sizes from 5 nm to 10 μm, coated with a layer of fatty organic acids (for example, stearic, palmetic, behenic acid) or their derivatives, as well as a number of other organic compounds. At the same time, the diameter of such binary lubricants (graphite particles coated with organic matter) is in the range from 0.5 to 100 microns, the effect is most noticeable with particle sizes of 5-40 microns. The weight content of the actual graphite particles in the lubricant is 0.1-25 wt.%, The most optimal are compositions containing 1-7 wt.% Graphite. The proposed lubricant can be used for the manufacture of products from metal powders based on iron, as well as copper and other metals (nickel, chromium, molybdenum and several others). A method of manufacturing products is as follows. Binary lubricants are made by mixing graphite particles, for example, graphite powder with an average particle size of 5.2 μm with a shell, for example, stearamide in a mechanical stirrer at a temperature of 50 ° C, mixing occurs at a rotor speed of 1000 rpm for 25 minutes. The resulting mixture is dried, the required particle size is selected, which is added to the metal powder. Batch mixing is carried out in a mixer with a load of 25 kg. The technical result of the known method was to improve the properties of the workpieces for the manufacture of products by powder metallurgy - reducing the number of scoring when forming workpieces and improving the density of the workpieces. However, the proposed method also has several disadvantages: the need for additional production steps to prepare the lubricant and eliminate clumping, as well as the possibility of chemical reactions between the metal powder and the lubricant shell with the formation of undesirable compounds.
Известен способ получения антифрикционных порошковых материалов на основе меди, выбранный за прототип (Горчакова С.А. и Гриванова О.В., РФ № 2285582, опубл. 20.10.2006 по классу МПК B22F3/12, C22C1/05, B22F8/00, F16C33/12). В предлагаемом способе изделия из медь-содержащих порошков изготавливали методом порошковой металлургии с использованием графита в качестве смазочного материала (лубриканта). Для этого бронзографитовый порошок, содержащий 12,5-14,4 мас.% графита, 0,4-0,5 мас.% олова и 85,1-87,1 мас.% меди размалывали в шаровой мельнице, размеры частиц при этом составляли не более 250 мкм; размолотый порошок смешивали с порошком меди с аналогичными размерами частиц в соотношении 88-89 мас.% бронзографитового порошка – 11-12 мас.% порошка меди. Полученную шихту подвергали рекристаллизационному отжигу при температуре 550-600 °С в течение 2 часов, после чего формовали заготовки в пресс-формах при давлении 250-270 МПа, после чего подвергали заготовки окончательному спеканию в защитной атмосфере, например, в вакууме или в водороде при температуре 890-910 °С в течение не менее 60 минут. Техническим результатом известного способа являлась возможность утилизации бронзографитовых подшипников при обеспечении высоких эксплуатационных свойств получаемых антифрикционных материалов. Использование графита в данном способе в качестве лубриканта позволило избежать проблем, связанных с использованием стеариновой кислоты и других органических соединений. Однако, способ производства по прототипу также имеет ряд существенных недостатков. Так, размол бронзографитового порошка, используемого в качестве компонента шихты, приводит к наклепу его частиц, что, в свою очередь, приводит к усложнению процесса за счет введения в него операции рекристаллизационного отжига. Во-вторых, предлагаемый процесс требует существенно большего количества углерод-содержащего лубриканта (до 10 мас.% в итоговой шихте).A known method of producing antifriction powder materials based on copper, selected for the prototype (Gorchakova S.A. and Grivanova O.V., RF No. 2285582, published on October 20, 2006 according to IPC class B22F3 / 12, C22C1 / 05, B22F8 / 00, F16C33 / 12). In the proposed method, articles of copper-containing powders were made by powder metallurgy using graphite as a lubricant (lubricant). For this, a bronze-graphite powder containing 12.5-14.4 wt.% Graphite, 0.4-0.5 wt.% Tin and 85.1-87.1 wt.% Copper was ground in a ball mill, the particle sizes were no more than 250 microns; ground powder was mixed with copper powder with similar particle sizes in the ratio of 88-89 wt.% bronze-graphite powder - 11-12 wt.% copper powder. The resulting mixture was subjected to recrystallization annealing at a temperature of 550-600 ° C for 2 hours, after which the blanks were formed in molds at a pressure of 250-270 MPa, after which the blanks were subjected to final sintering in a protective atmosphere, for example, in vacuum or in hydrogen at temperature of 890-910 ° C for at least 60 minutes. The technical result of the known method was the possibility of recycling bronze-graphite bearings while ensuring high operational properties of the obtained antifriction materials. The use of graphite in this method as a lubricant made it possible to avoid the problems associated with the use of stearic acid and other organic compounds. However, the prototype production method also has a number of significant drawbacks. Thus, the grinding of bronze-graphite powder used as a component of the charge leads to the hardening of its particles, which, in turn, leads to the complexity of the process due to the introduction of the operation of recrystallization annealing. Secondly, the proposed process requires a significantly larger amount of carbon-containing lubricant (up to 10 wt.% In the final charge).
Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность получения порошкового композита на основе меди с улучшенными прочностными характеристиками, в первую очередь, с повышенной прочностью на растяжение; технический результат достигается за счет использования графена в качестве смазочного материала (лубриканта).The technical result of the claimed invention is the ability to obtain a powder composite based on copper with improved strength characteristics, primarily with increased tensile strength; the technical result is achieved through the use of graphene as a lubricant (lubricant).
Достижение технического результата обеспечивается за счет заявляемого способа получения порошкового композита на основе меди с улучшенными прочностными характеристиками, включающего приготовление смеси порошков меди с размерами частиц не более 5,0 мкм и терморасширенного графита, в соотношении 99,0-99,95 мас.% порошка меди – 0,05-1,0 мас.% терморасширенного графита; помол приготовленной смеси с механоактивацией планетарной шаровой мельнице при 330-370 оборотах в минуту в течение 5-6 часов; прессование заготовок при давлении 16-18 тонн/см2 при комнатной температуре в течение 15-20 минут и последующий обжиг в вакуумной печи при следующих параметрах: температура обжига 1040-1060 °C в течение 1-1,5 часа при остаточном давлении менее 0,003 атм., при скорости нагрева 5-10 °С/мин и остывании до температуры 500 °C в течение 6-8 часов. The achievement of the technical result is ensured by the proposed method for producing a powder composite based on copper with improved strength characteristics, including the preparation of a mixture of copper powders with particle sizes of not more than 5.0 microns and thermally expanded graphite, in a ratio of 99.0-99.95 wt.% Powder copper - 0.05-1.0 wt.% thermally expanded graphite; grinding the prepared mixture with mechanical activation of a planetary ball mill at 330-370 rpm for 5-6 hours; pressing blanks at a pressure of 16-18 tons / cm 2 at room temperature for 15-20 minutes and subsequent firing in a vacuum oven with the following parameters: firing temperature 1040-1060 ° C for 1-1.5 hours with a residual pressure of less than 0.003 atm., at a heating rate of 5-10 ° C / min and cooling to a temperature of 500 ° C for 6-8 hours.
Выбор заявляемого подхода обусловлен тем, что микромеханическое расщепление терморасширенного графита в процессе помола в планетарной мельнице является достаточно эффективным механизмом конверсии терморасширенного графита в графен. В свою очередь, полученный графен является более эффективным лубрикантом по сравнению с графитом и со стеариновой кислотой и ее аналогами за счет следующих факторов: геометрия частиц графена (большая площадь поверхности при относительно малой толщине) значительно уменьшает количество требуемого материала и обеспечивает эффективное обволакивание частиц меди, в то время как высокая прочность графена обеспечивает неразрушение его частиц во время помола в шаровой мельнице. Помимо основного эффекта, помол в шаровой мельнице также обеспечивает однородное перемешивание медного порошка с лубрикантом без его комкования; дополнительными эффектами также является измельчение исходного порошка меди, достигаемое несмотря на достаточную пластичность медных частиц порошка. Наличие графена в смеси порошков, подвергнутой помолу, приводит к тому, что в ходе последующей обработки заготовок по методикам порошковой металлургии, а именно, прессования и спекания в вакууме, частицы графена, расположенные по границам частиц порошка, препятствуют росту зерен меди в металлической матрице. В свою очередь, минимизация и однородность размеров зерен матрицы порошкового композита на основе меди обеспечивает повышение прочностных свойств изготавливаемого материала, в первую очередь, прочности на растяжение.The choice of the proposed approach is due to the fact that the micromechanical splitting of thermally expanded graphite during grinding in a planetary mill is a rather effective mechanism for the conversion of thermally expanded graphite to graphene. In turn, the obtained graphene is a more effective lubricant in comparison with graphite and with stearic acid and its analogues due to the following factors: the geometry of the graphene particles (large surface area with a relatively small thickness) significantly reduces the amount of material required and provides efficient enveloping of copper particles, while the high strength of graphene ensures non-destruction of its particles during grinding in a ball mill. In addition to the main effect, grinding in a ball mill also provides uniform mixing of copper powder with a lubricant without clumping; additional effects are also the grinding of the original copper powder, achieved despite the sufficient plasticity of the copper particles of the powder. The presence of graphene in the mixture of powders subjected to grinding leads to the fact that during subsequent processing of workpieces by powder metallurgy methods, namely, pressing and sintering in vacuum, graphene particles located at the boundaries of the powder particles prevent the growth of copper grains in the metal matrix. In turn, minimization and uniformity of grain sizes of the matrix of the powder composite based on copper provides an increase in the strength properties of the fabricated material, primarily tensile strength.
Предлагаемый способ может быть применен для получения порошкового композита на основе меди с улучшенными прочностными характеристиками. Полученный композиционный материал может быть использован в электротехнической промышленности, а также при производстве деталей и узлов в автомобилестроении и авиастроении. Для осуществления предлагаемого способа получения порошкового композита на основе меди с улучшенными прочностными характеристиками могут быть применены известные в технике средства и материалы. The proposed method can be applied to obtain a powder composite based on copper with improved strength characteristics. The resulting composite material can be used in the electrical industry, as well as in the production of parts and assemblies in the automotive and aircraft industries. To implement the proposed method for producing a powder composite based on copper with improved strength characteristics, methods and materials known in the art can be used.
Отбор требуемых фракций материалов медного порошка (например, ПМС-1 по ГОСТ 4960-2009) может быть произведен, например, с использованием с помощью методик газового сепарирования. Приготовление исходных порошковых композиций с требуемым соотношением компонентов (порошок меди 99,0-99,95 мас.% – 0,05-1,0 мас.% терморасширенного графита) может быть осуществлен как в автоматизированном режиме (например, с использованием дозаторов), так и путем применения аналитических весов требуемого класса точности. При содержании терморасширенного графита в исходной смеси более заявляемого количества в 1,0 мас.%, площадь поверхности частиц получаемого графена избыточна для осуществления технического результата способа; избыток графена агломерируется между частицами медного порошка. В результате этого, при дальнейшей обработке по методике порошковой металлургии, происходит обратный переход графена в графит. Итоговый материал в таком случае характеризуется вкраплениями слоев графита, ориентированных перпендикулярно оси прессования, данные вкрапления приводят к растрескиванию материала под нагрузкой. При массовой доле терморасширенного графита в исходной смеси порошков менее заявляемого количества в 0,05 мас.%, содержание образовавшегося графена мало для достаточного обволакивания частиц медного порошка, в результате чего не происходит блокирования роста зерен в медной матрице в ходе последующей обработки по методикам порошковой металлургии. Как следствие, в итоговом материале имеет место существенная неоднородность размеров зерен, приводящая к снижению его прочностных свойств. Перемешивание смеси порошков меди и терморасширенного графита и конверсия терморасширенного графита в графен путем микромеханического расщепления посредством помола с механоактивацией могут быть осуществлены с использованием планетарных мельниц (например, Pulverisette-4) в режиме 330-370 оборотов в минуту на протяжении 5-6 часов. Такой помол может осуществляться с использованием известных материалов необходимой твердости, например, в агатовом стакане с агатовой гарнитурой. Скорости помола, меньшие чем в заявляемом способе (менее 330 оборотов в минуту) на протяжении недостаточного времени (менее 5 часов) во-первых, не обеспечивают условий микромеханического расщепления терморасширенного графита с образованием графена и, во-вторых, недостаточны для обеспечения равномерности состава перемешиваемой смеси порошков. Результатом такого отклонения параметров помола от заявляемых является неоднородность смешения порошков и наличие в помолотой смеси порошков графита, приводящие к неоднородности итогового материала. Превышение заявляемых параметров помола (скорость более 370 оборотов в минуту на протяжении более 6 часов) приводит к тому, что относительно пластичные частицы медного порошка сплющиваются в пластинки, длина и ширина которых в разы превышает их толщину; формирование итогового материала из таких пластинок также приводит к существенной неоднородности получаемого композита и, как следствие, к снижению его прочностных характеристик. Прессование заготовок при комнатной температуре и давлении 16-18 т/см2 в течение 15-20 минут осуществляют с использованием типовых прессов в пресс-формах, изготовленных, например, из нержавеющей стали. При недостаточном давлении прессования (менее заявляемой величины 16 т/см2) и/или недостаточной продолжительности операции прессования (менее 15 минут), подготавливаемая заготовка имеет избыточную пористость и характеризуется наличием трещин, не позволяющих осуществлять дальнейшие операции с такой заготовкой: перемещение в вакуумную печь, обжиг и т.д. Превышение параметров прессования относительно заявляемых (давление более 18 т/см2 и/или продолжительность прессования более 20 минут) являются избыточными, улучшения качества итогового композита не наблюдается. Помимо этого, превышение параметров прессования относительно заявляемых может быть причиной частичного выдавливания графена из межзеренных областей в поры заготовки, что может быть причиной недостаточной блокировки роста зерен в матрице композита. Термообработка отпрессованных заготовок проводится в вакуумных печах (например, серий «Аверон» или «Сириус») при температуре обжига 1040-1060 °C в течение 1-1,5 часа при остаточном давлении менее 0,003 атм., при скорости нагрева 5-10 °С/мин и остывании до температуры 500 °C в течение 6-8 часов. Превышение требуемого остаточного давления в рабочем объеме вакуумной печи приводит к выгоранию углеродной составляющей заготовок (графена) за счет реакции углерода с остаточным кислородом воздуха, а также окислению медной матрицы. Превышение температуры обжига относительно заявляемой приводит к плавлению меди, результатом которого является изменение геометрии заготовок; недостаточная температура обжига не обеспечивает спекаемость изделий. Превышение скорости нагрева относительно заявляемой (более 10 °С/мин) приводит к неоднородному спеканию заготовок, в то время как меньшие относительно заявляемых скорости нагрева (менее 5 °С/мин) приводят к существенному увеличению длительности процесса и являются экономически нецелесообразными.The selection of the required fractions of copper powder materials (for example, PMS-1 according to GOST 4960-2009) can be made, for example, using gas separation techniques. The preparation of the initial powder compositions with the required ratio of components (copper powder 99.0-99.95 wt.% - 0.05-1.0 wt.% Thermally expanded graphite) can be carried out as in an automated mode (for example, using dispensers), and by applying analytical weights of the required accuracy class. When the content of thermally expanded graphite in the initial mixture is more than the claimed amount in 1.0 wt.%, The surface area of the particles of the obtained graphene is excessive for the implementation of the technical result of the method; excess graphene agglomerates between particles of copper powder. As a result of this, during further processing according to the powder metallurgy technique, graphene is converted back to graphite. The resulting material in this case is characterized by inclusions of graphite layers oriented perpendicular to the extrusion axis, these inclusions lead to cracking of the material under load. When the mass fraction of thermally expanded graphite in the initial mixture of powders is less than the declared amount of 0.05 wt.%, The content of graphene formed is small to sufficiently envelop the particles of copper powder, as a result of which grain growth in the copper matrix is not blocked during subsequent processing using powder metallurgy techniques . As a result, in the final material there is a significant heterogeneity of grain sizes, leading to a decrease in its strength properties. Mixing a mixture of powders of copper and thermally expanded graphite and the conversion of thermally expanded graphite to graphene by micromechanical cleavage by grinding with mechanical activation can be carried out using planetary mills (e.g. Pulverisette-4) at a speed of 330-370 rpm for 5-6 hours. Such grinding can be carried out using known materials of the required hardness, for example, in an agate beaker with an agate set. Milling speeds lower than in the claimed method (less than 330 rpm) for an insufficient time (less than 5 hours), firstly, do not provide the conditions for micromechanical splitting of thermally expanded graphite with the formation of graphene and, secondly, are insufficient to ensure uniformity of the composition being mixed mixtures of powders. The result of such a deviation of the grinding parameters from the claimed is the heterogeneity of the mixing of powders and the presence in the ground mixture of graphite powders, leading to heterogeneity of the final material. Exceeding the claimed grinding parameters (speed of more than 370 rpm for more than 6 hours) leads to the fact that relatively plastic particles of copper powder are flattened into plates, the length and width of which are several times greater than their thickness; the formation of the final material from such plates also leads to a significant heterogeneity of the resulting composite and, as a result, to a decrease in its strength characteristics. Pressing the blanks at room temperature and a pressure of 16-18 t / cm 2 for 15-20 minutes is carried out using standard presses in molds made, for example, of stainless steel. With insufficient pressing pressure (less than the declared value of 16 t / cm 2 ) and / or insufficient duration of the pressing operation (less than 15 minutes), the prepared workpiece has excessive porosity and is characterized by the presence of cracks that do not allow further operations with such a workpiece: moving to a vacuum furnace firing, etc. The excess of the pressing parameters relative to the claimed ones (pressure of more than 18 t / cm 2 and / or pressing duration of more than 20 minutes) are excessive; there is no improvement in the quality of the final composite. In addition, the excess of the pressing parameters relative to the claimed ones can cause partial extrusion of graphene from intergranular regions into the pores of the preform, which may be the reason for insufficient blocking of grain growth in the composite matrix. Heat treatment of pressed blanks is carried out in vacuum furnaces (for example, Averon or Sirius series) at a firing temperature of 1040-1060 ° C for 1-1.5 hours at a residual pressure of less than 0.003 atm., At a heating speed of 5-10 ° C / min and cooling to a temperature of 500 ° C for 6-8 hours. Exceeding the required residual pressure in the working volume of the vacuum furnace leads to burnout of the carbon component of the workpieces (graphene) due to the reaction of carbon with residual oxygen in the air, as well as the oxidation of the copper matrix. Exceeding the firing temperature relative to the claimed leads to melting of copper, the result of which is a change in the geometry of the workpieces; insufficient firing temperature does not provide sintering of products. Exceeding the heating rate relative to the claimed (more than 10 ° C / min) leads to inhomogeneous sintering of the workpieces, while lower relative to the claimed heating speeds (less than 5 ° C / min) lead to a significant increase in the duration of the process and are economically impractical.
Пример осуществления способа получения порошкового композита на основе меди с улучшенными прочностными характеристиками. An example implementation of a method for producing a powder composite based on copper with improved strength characteristics.
Проводили отбор фракции порошка ПМС-1 по ГОСТ 4960-2009 с размерами не более 5,0 мкм с помощью воздушного сепаратора «Гольф-2». Полученную фракцию медного порошка смешивали с порошком терморасширенного графита (ТРГ по ТУ 2573-001-91200348-2011) в соотношении 99,90 мас.% медного порошка – 0,10 мас.% терморасширенного графита. Помол приготовленной смеси с механоактивацией компонентов и конверсией терморасширенного графита в графен путем микромеханического расщепления проводили с использованием планетарной шаровой мельницы Pulverisette-4 в агатовом стакане с агатовой гарнитурой в режиме 350 оборотов в минуту на протяжении 5,5 часов. Перемешанную смесь порошков загружали в пресс-формы из нержавеющей стали марки 08Х18Н10 и прессовали при комнатной температуре с использованием гидравлического пресса «KMG-50A» при давлении 17 т/см2 в течение 15 минут. Полученные заготовки диаметром 20 мм и высотой 10 мм загружали в вакуумную печь и подвергали термообработке при остаточном давлении 0,002 атм., скорость нагрева составляла 10 °С/мин, по достижении температуры 1050 °С образец был выдержан в течение 1 часа. Образец остывал вместе с печью (6 часов до температуры 500 °С).PMS-1 powder fractions were selected according to GOST 4960-2009 with sizes not exceeding 5.0 microns using the Golf-2 air separator. The obtained fraction of copper powder was mixed with thermally expanded graphite powder (TEG according to TU 2573-001-91200348-2011) in the ratio of 99.90 wt.% Copper powder - 0.10 wt.% Thermally expanded graphite. Grinding the prepared mixture with mechanical activation of the components and the conversion of thermally expanded graphite to graphene by micromechanical splitting was carried out using a Pulverisette-4 planetary ball mill in an agate beaker with an agate headset at 350 rpm for 5.5 hours. The mixed powder mixture was loaded into 08X18H10 stainless steel molds and pressed at room temperature using a KMG-50A hydraulic press at a pressure of 17 t / cm 2 for 15 minutes. The resulting preforms with a diameter of 20 mm and a height of 10 mm were loaded into a vacuum oven and subjected to heat treatment at a residual pressure of 0.002 atm., The heating rate was 10 ° C / min, and when the temperature reached 1050 ° C, the sample was aged for 1 hour. The sample cooled with the furnace (6 hours to a temperature of 500 ° C).
Полученные образцы порошкового композита на основе меди имели те же размеры, что и исходные заготовки (диаметр 20 мм при высоте 10 мм), визуальный осмотр показал отсутствие трещин и макродефектов. Полученные композиты были испытаны на механическое растяжение, для чего с помощью электроэрозионного станка были вырезаны образцы с размерами рабочей части 1 х 2 х 6 мм, которые подвергались механическому растяжению со скоростью 10-3 1/сек с помощью универсальной машины для механических испытаний Shimadzu AG-X Plus. The obtained samples of the copper-based composite powder had the same dimensions as the initial billets (
Конкретные примеры реализации способа и результаты исследований порошкового композита на основе меди с улучшенными прочностными характеристиками приведены в таблице 1, а также на Фиг. 1-3.Specific examples of the method and the results of studies of a copper composite powder with improved strength characteristics are shown in Table 1, as well as in FIG. 1-3.
Таблица 1. Примеры реализации способа получения порошкового композита на основе меди с улучшенными прочностными характеристиками.Table 1. Examples of the method for producing a powder composite based on copper with improved strength characteristics.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:
- на Фиг. 1 представлены результаты исследований, характеризующие максимальное напряжение образцов при растяжении по сравнению с порошковым изделием, изготовленным по той же технологии из медного порошка ПМС-1 без добавок графена;- in FIG. 1 shows the results of studies characterizing the maximum tensile stress of samples compared with a powder product made using the same technology of PMS-1 copper powder without graphene additives;
- на Фиг. 2 представлены результаты исследований, характеризующие удлинение образцов при растяжении до разрушения по сравнению с порошковым изделием, изготовленным по той же технологии из медного порошка ПМС-1 без добавок графена;- in FIG. 2 presents the results of studies characterizing the elongation of the samples under tension to failure compared to a powder product made by the same technology from PMS-1 copper powder without graphene additives;
- на Фиг. 3 представлены результаты исследований, характеризующие предел ползучести образцов по сравнению с порошковым изделием, изготовленным по той же технологии из медного порошка ПМС-1 без добавок графена.- in FIG. Figure 3 presents the results of studies characterizing the creep limit of samples in comparison with a powder product made by the same technology from PMS-1 copper powder without graphene additives.
Результаты проведенных исследований подтверждают, что заявляемый способ обеспечивает возможность создания порошкового композита на основе меди с улучшенными прочностными характеристиками. Как следует из представленных рисунков, прочностные характеристики на растяжение для изделий, изготовленных по заявляемому способу выше, чем результаты, полученные для образца сравнения, изготовленного по той же технологии из медного порошка ПМС-1 без добавок графена. Так, содержание графена в 0,1 мас.% увеличвает максимальное напряжение при растяжении до 160 МПа по сравнению с величиной 92 МПа, характерной для изделия, не содержащего графен. Аналогично, удлинение образцов при растяжении для порошкового композита, содержащего 0,1 мас.% графена максимально и составляет 48% по сравнению с образцом, не содержащим графена, характерная величина для которого составляет 17%. Дальнейшее увеличение содержания графена в композитах приводит к снижению прочностных характеристик на растяжение, при содержании графена в 1 мас.% они близки к величинам, полученным для образца сравнения, не содержащего графен. Дальнейшее увеличение содержания графена в образцах нецелесообразно, так как прочностных характеристики композитов становятся ниже, чем для образца сравнения. Как следует из Рис. 3, добавка графена сущестнно не влияет на предел ползучести образцов, для всего интервала заявляемых составов он чуть выше, чем у порошкового изделия, не содержащего графена. Таким образом, подтверждена, что заявляемый способ обеспечивает возможность создания порошкового композита на основе меди с улучшенными прочностными характеристиками, в первую очередь, с прочностными свойствами на растяжение.The results of the studies confirm that the inventive method provides the ability to create a powder composite based on copper with improved strength characteristics. As follows from the figures, the tensile strength characteristics for products manufactured by the present method are higher than the results obtained for the reference sample made by the same technology from PMS-1 copper powder without graphene additives. Thus, a graphene content of 0.1 wt.% Increases the maximum tensile stress to 160 MPa compared with the value of 92 MPa, which is typical for a product that does not contain graphene. Similarly, elongation of samples under tension for a powder composite containing 0.1 wt.% Graphene is maximum and is 48% compared to a sample containing no graphene, the characteristic value of which is 17%. A further increase in the graphene content in the composites leads to a decrease in tensile strength characteristics; when the graphene content is 1 wt.%, They are close to the values obtained for the reference sample that does not contain graphene. A further increase in the graphene content in the samples is impractical, since the strength characteristics of the composites become lower than for the reference sample. As follows from Fig. 3, the addition of graphene does not significantly affect the creep limit of the samples, for the entire interval of the claimed compositions it is slightly higher than that of a powder product that does not contain graphene. Thus, it is confirmed that the inventive method provides the ability to create a powder composite based on copper with improved strength characteristics, primarily with tensile strength properties.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019136808A RU2718523C1 (en) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | Method for production of powdered copper-based composite with improved strength characteristics |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019136808A RU2718523C1 (en) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | Method for production of powdered copper-based composite with improved strength characteristics |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2718523C1 true RU2718523C1 (en) | 2020-04-08 |
Family
ID=70156628
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019136808A RU2718523C1 (en) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | Method for production of powdered copper-based composite with improved strength characteristics |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2718523C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113122186A (en) * | 2021-04-21 | 2021-07-16 | 广东工业大学 | Nano-metal composite phase-change material and preparation method thereof |
| RU2769344C1 (en) * | 2021-08-04 | 2022-03-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН) | Material for arc-quenching and breaking electrical contacts based on copper and method of its production |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2244037C2 (en) * | 1998-12-16 | 2005-01-10 | Викториэн Рэйл Трэк | Low-resistance material with improved wearing capacity for current transfer and method for production thereof |
| RU2285582C1 (en) * | 2005-03-22 | 2006-10-20 | Владивостокский государственный университет экономики и сервиса (ВГУЭС) | Antifriction copper-base powder materials production method |
| RU2453397C2 (en) * | 2009-12-24 | 2012-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) | Method of preparation of mixture of metal powder and carbon nanotubes |
| CN105385883A (en) * | 2015-12-24 | 2016-03-09 | 济南大学 | Electrical contact material and preparation method thereof |
| CN106011520A (en) * | 2016-06-28 | 2016-10-12 | 杭州前进齿轮箱集团股份有限公司 | Dry copper-base powder metallurgy friction material used for clutch and preparing method of dry copper-base powder metallurgy friction material |
| RU2623292C2 (en) * | 2015-11-19 | 2017-06-23 | Роман Владимирович Кобзарь | Manufacturing method of current conductive contact inserts |
| CN105908007B (en) * | 2016-06-06 | 2017-10-13 | 中国科学院过程工程研究所 | A kind of graphene carbon/carbon-copper composite material and preparation method thereof |
| CN106521230B (en) * | 2016-12-06 | 2018-03-09 | 湖南科技大学 | A kind of graphite flakes/carbon/carbon-copper composite material of vertical orientation heat transmission and preparation method thereof |
| RU2695854C2 (en) * | 2018-01-15 | 2019-07-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of producing high-temperature composite antifriction material |
-
2019
- 2019-11-15 RU RU2019136808A patent/RU2718523C1/en active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2244037C2 (en) * | 1998-12-16 | 2005-01-10 | Викториэн Рэйл Трэк | Low-resistance material with improved wearing capacity for current transfer and method for production thereof |
| RU2285582C1 (en) * | 2005-03-22 | 2006-10-20 | Владивостокский государственный университет экономики и сервиса (ВГУЭС) | Antifriction copper-base powder materials production method |
| RU2453397C2 (en) * | 2009-12-24 | 2012-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) | Method of preparation of mixture of metal powder and carbon nanotubes |
| RU2623292C2 (en) * | 2015-11-19 | 2017-06-23 | Роман Владимирович Кобзарь | Manufacturing method of current conductive contact inserts |
| CN105385883A (en) * | 2015-12-24 | 2016-03-09 | 济南大学 | Electrical contact material and preparation method thereof |
| CN105908007B (en) * | 2016-06-06 | 2017-10-13 | 中国科学院过程工程研究所 | A kind of graphene carbon/carbon-copper composite material and preparation method thereof |
| CN106011520A (en) * | 2016-06-28 | 2016-10-12 | 杭州前进齿轮箱集团股份有限公司 | Dry copper-base powder metallurgy friction material used for clutch and preparing method of dry copper-base powder metallurgy friction material |
| CN106521230B (en) * | 2016-12-06 | 2018-03-09 | 湖南科技大学 | A kind of graphite flakes/carbon/carbon-copper composite material of vertical orientation heat transmission and preparation method thereof |
| RU2695854C2 (en) * | 2018-01-15 | 2019-07-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of producing high-temperature composite antifriction material |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113122186A (en) * | 2021-04-21 | 2021-07-16 | 广东工业大学 | Nano-metal composite phase-change material and preparation method thereof |
| RU2769344C1 (en) * | 2021-08-04 | 2022-03-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН) | Material for arc-quenching and breaking electrical contacts based on copper and method of its production |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2590766B1 (en) | Molybdenum / molybdenum disulfide metal articles and methods for producing same | |
| RU2718523C1 (en) | Method for production of powdered copper-based composite with improved strength characteristics | |
| Liu et al. | Fabrication of TiAl alloys turbocharger turbine wheel for engines by metal injection molding | |
| CN108251670B (en) | Preparation method of high-temperature-resistant intermetallic compound alloy | |
| KR20140083165A (en) | Method for manufacturing diffusion bonding iron-based powders | |
| Tabie et al. | Microstructure and mechanical properties of particle reinforced high-temperature titanium composites | |
| KR102419945B1 (en) | hard sintered body | |
| Omidi et al. | Microstructural and tribological properties of nanostructured Al6061-CNT produced by mechanical milling and extrusion | |
| JP2010059480A (en) | METHOD FOR PRODUCING Ti PARTICLE-DISPERSED MAGNESIUM-BASED COMPOSITE MATERIAL | |
| RU2695854C2 (en) | Method of producing high-temperature composite antifriction material | |
| Stobrawa et al. | Characterisation of nanostructured copper-WC materials | |
| Gülsoy et al. | Injection molding of mechanical alloyed Ti–Fe–Zr powder | |
| Chang et al. | Effects of vacuum sintering, HIP and HP treatments on the microstructure, mechanical and electrical properties of Cr70Cu30 alloys | |
| Khalid et al. | Microstructure and properties of sintered tungsten heavy alloys | |
| Neves et al. | Mechanically activated reactive forging synthesis (MARFOS) of NiTi | |
| RU2781403C1 (en) | Method for producing aluminum-graphene composite material with improved plasticity | |
| Kargul et al. | Copper matrix composites reinforced with steel particles. | |
| CN113677459A (en) | Iron-based mixed powder for powder metallurgy and iron-based sintered body | |
| Kumar et al. | Dual matrix and reinforcement particle size (SPS and DPS) composites: influence on tribological behavior of particulate aluminum-SiC-Gr metal matrix composites | |
| RU2704343C1 (en) | Method of producing volumetric composite material of nickel-zirconium dioxide with high oxidation resistance | |
| Singh et al. | Processing, Microstructures and Properties of a Ti-6Al-4V Extrusion Produced by an Industrial Scale Setup | |
| Zheng et al. | Super high strength aluminum alloy processed by mechanical alloying and hot extrusion | |
| RU2788686C1 (en) | Composition for high-temperature ceramics and method for production of high-temperature ceramics based on silicon carbide and molybdenum silicide | |
| RU2783786C1 (en) | METHOD FOR OBTAINING LAYERED CERMET Al-Al2O3-Al4C3 | |
| RU2769344C1 (en) | Material for arc-quenching and breaking electrical contacts based on copper and method of its production |