Разработка технологии получения литейных дисперсно-упрочненных сплавов электротехнического назначения на основе меди и исследование их свойств

Актуальность работы. Создание новых дисперсно-упрочненных материалов, обладающих повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами в широком интервале температур и давлений, является одним из направлений современного материаловедения. В частности, композиционные сплавы электротехнического назначения на медной основе с улучшенными функциональными свойствами находят широкое применение в электротехнике для создания силовых кабелей, контактов в электрических машинах, электродов контактной точечной сварки и др.
Технологии порошковой металлургии, включающие в себя операции размола, компактирования и пластической деформации в различных температурных интервалах получили наибольшее распространение среди известных методов получения композиционных материалов на основе меди. Однако они имеют ряд недостатков, такие как сравнительно высокая стоимость металлических порошков, необходимость спекания в защитной атмосфере, ограниченность по конфигурации и размерам изготавливаемых изделий и т.д.
Описанные в литературе методы замешивания порошковых материалов в металлический расплав ограничены номенклатурой компонентов, химически не взаимодействующих друг с другом, термодинамически устойчивых и хорошо смачиваемых матричным расплавом.
Метод реакционного синтеза (in situ), является функциональным и простым способом получения композиционных материалов. Он отличается быстротечностью процесса, высокой адгезией фаз, термической стабильностью и высокой дисперсностью.
Формирование наноразмерных фаз в реакциях in-situ является принципиально новым подходом к созданию медноматричных композитов электротехнического назначения с заданным комплексом свойств, однако, информация о синтезе объемно-армированных композиционных материалов с медной матрицей не многочисленна. В связи с этим, совершенствование этой

5
технологии и разработка новых методов производства медноматричных материалов электротехнического назначения с улучшенными свойствами является актуальной проблемой, решение которой позволит получать материалы высокого качества при минимальных затратах.
Степень разработанности. Вопросом получения литых медноматричных композиционных материалов электротехнического назначения занимается достаточно небольшое число авторских коллективов.
Композиционные сплавы на медной основе, упрочненные синтезированными в расплаве частицами карбидов вольфрама, ниобия, ванадия, хрома и др., обладают высокими механическими и электротехническими характеристиками. Большой вклад в развитие и реализацию этого направления внесли Бодрова Л. Е., Пастухов Э. А., Попова Э. А., Гойда Э. Ю., Еремина М. А. Ввиду плохого смачивания расплавом меди частиц карбидов авторам пришлось применить внешнее воздействие на расплав (низкочастотные колебания, механическое и электромагнитное перемешивание).
Теоретическими и экспериментальными исследованиями образования синтезированных в расплаве меди карбидов хрома занимаются О. В. Самойлова, Г. Г. Михайлов, Л. А. Макровец, Е. А. Трофимов, В.И. Гераскин.
В зарубежных источниках также встречаются исследования по синтезированию в расплаве меди карбидов различных переходных металлов. Вклад в это направление внесли H. Zuhailawati, A. R. Kennedy, A. Chrysanthou, N. Radhika, K. Prakasan.
Однако в литературе недостаточно широко описаны параметры технологического процесса изготовления литых композиционных материалов, а также способы предварительной подготовки расплава меди для эффективного синтеза в нем упрочняющих фаз.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка комплекса новых технических и технологических решений, обеспечивающих получение литейных дисперсно-упрочненных сплавов

6
электротехнического назначения на основе меди с заданной структурой и исследование их свойств.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
• дать термодинамическое обоснование синтеза упрочняющих карбидных и боридных фаз в расплаве меди и устойчивости образующейся дисперсной системы с труднорастворимыми нано- и микроразмерными частицами;
• исследовать окисление меди в условиях открытой плавки и влияние кислорода на ее физико-механические свойства, а также оценить возможность синтеза упрочняющих фаз в расплаве меди с повышенным содержанием кислорода;
• разработать эффективный флюс для выплавки дисперсно- упрочненных сплавов на основе меди;
• разработать технологический регламент получения дисперсно- упрочненных сплавов на основе меди, изучить их структуру и свойства;
исследовать влияние комплексной модифицирующей и микролегирующей добавки на процесс кристаллизации, структурообразования и физико – механические, эксплуатационные и технологические свойства литых дисперсно- упрочненных сплавов.
Научная новизна полученных результатов.
1. Впервые научно обоснована возможность глубокого раскисления расплава электротехнической меди наноразмерным алмазографитом (побочный продукт взрывного синтеза алмазов) и синтеза в бескислородной меди упрочняющих фаз карбидов титана, хрома и диборида хрома заданного количества и состава.
2. На основе физик о-химического анализа реакций взаимодействия наноразмерного алмазографита и фторсодержащих солей с примесями, присутствующими в расплаве технической меди, научно обоснована возможность

7
применения флюса растворно-химического действия, повышающего эффективность экстрагирования из расплава технической меди вредных примесей.
3. Впервые получен дисперсно-упрочненный сплав системы Cu-Cr3C2, в котором с увеличением содержания карбида хрома до 3 масс. %, синтезированного в расплаве меди, одновременно повышается прочность и увеличивается в 2-3,5 раза его пластичность, что обусловлено глобулярной морфологией упрочняющей фазы со средним размером менее 2 мкм и ее равномерным распределением в бескислородной медной матрице.
4. Научно обоснована возможность получения дисперсно-упрочненного сплава системы Cu-CrB2 с применением комплексной модифицирующей добавки, состоящей из поверхностно-активного кадмия, обеспечивающего получение мелкозернистой структуры матрицы композиционного материала, и микролегирующей добавки РЗМ, способствующей глобуляризации нано- и микроразмерных частиц упрочняющих фаз.