Композиційний електродний матеріал на основі срібла для нанесення електроіскрових покриттів

Композиційний електродний матеріал на основі срібла для нанесення електроіскрових покриттів на струмопровідні контактні деталі, який відрізняється тим, що він додатково містить вуглець при такому співвідношенні компонентів, мас вуглець срібло 0,22 - 0,46 решта потоку тепла за рахунок короткої тривалості імпульсу струму при іскровому розряді електрична ерозія електродів значною мірою протікає в паровій фазі, в той час як масивні покриття формуються лише з рідкої фази Високий тиск срібної пари веде до її розсіювання із зони обробки, а, отже, до утрат матеріалу, Тому коефіцієнт переносу срібла дуже низький лише при утворенні покриттів товщиною близько Юмкм він ледве досягає 50%, подальший ріст товщини покриття веде до зниження коефіцієнту переносу до 20% і нижче При цьому додаткова обробка сформованого шару механічним деформуванням з метою його ущільнення і згладжування рельєфу, що звичайно запроваджується в практиці електроіскрового легування (ЕІЛ), виявляється малоефективною ВІДОМІ спроби використання електродів з промислових композиційних матеріалів на основі ері О о о> о 1^ ю 57090 бла, зокрема, системи срібло-нікель (Ag + 10% Ni) Ці електроди мають дещо більшу продуктивність і характеризуються меншими утратами матеріалу при електроіскровому нане-сенні покриттів (Электроискровые серебро-никелевые покрытия электрических контактов / Л И Тучинский, Г Н Братерская, ЕА Зайцев, RB Галинов, В И Швачко // Электрические контакты Пути повышения качества и надежности, Киев Ин-т пробл материаловед АН УССР, 1987 -С 182-188) Недоліком срібло-нікелевих електродів є недостатня продуктивність і все ще високий рівень утрат матеріалу, до того ж присутність нікелю обмежує використання контактів з такими покриттями в техніці слабких струмів в зв'язку з низькою корозійною СТІЙКІСТЮ нікелю Найбільш близьким по технічній суті до об'єкту, що заявляється, є композиційний матеріал на основі срібла, що містить до 2% фториду кальцію та оксиду кальцію В порівнянні із срібними електродами вони дозволяють підвищити продуктивність процесу майже ВДВІЧІ І одержати покриття товщиною близько 200мкм (Ас СССР № 1780332, МКИ С22С 5/06, Н01Н 1/02, В23Н 1/06,3/06 Опубл 08 08 92 г) Недоліком цього матеріалу недостатня продуктивність формування електроіскрових шарів, що виявляється в не досить високому темпі приросту маси покриття Одержувана при цьому все ще невелика товщина покриттів із матеріалу прототипу обмежує їх застосування для контактів в апаратах релейної техніки з підвищеним ресурсом комутації струму До того ж висока твердість оксиду кальцію (6045МПа) викликає руйнування поверхні контртіла при їх використанні в контактних парах ковзання, що веде до виникнення в міжконтактному проміжку іскріння, внаслідок чого підвищується інтенсивність зношування поверхні покриття, а, отже, росте рівень контактного опору і його нестабільність Відомо, ЩО наявність вуглецю в матеріалі контакт-деталей забезпечує СТІЙКІСТЬ проти зварювання їх робочих поверхонь, але веде до різкого падіння їх електроерозійної СТІЙКОСТІ (В М Малышев, Д В Румянцев Серебро - М Металлургия, 1976 - 312 с ) Підвищенню електроерозійної СТІЙКОСТІ цих контактів присвячено багато публікацій і винаходів, проте ця проблема досі не вирішена В той же час, в технології електроіскрового нанесення покриттів вказаний недолік срібло-графітових контактів стає перевагою, оскільки в даному випадку продуктивність електродів визначається, в першу чергу, саме КІЛЬКІСНИМИ показниками його ерозійного руйнування під дією електричного розряду чим більший об'єм рідкої фази за кожний цикл розряду буде утворено на аноді і перенесено на катод, тим більшою буде продуктивність електроду, а, отже, і продуктивність формування покриття При цьому сформоване покриття, навпаки, повинно мати високу електроерозійну СТІЙКІСТЬ для забезпечення необхідної працездатності виробів, а звідси витікає, що електроіскровий шар срібла повинен бути вільним від домішку вуглецю (графіту) В основу винаходу "Композиційний матеріал на основі срібла для нанесення електроіскрових покриттів поставлено задачу шляхом введення в склад матеріалу 0,22 0,46мас,% вуглецю досягти суттєвого підвищення продуктивності формування електроіскрових покриттів із срібла для одержання шарів необхідної товщини, з високою ЗНОСОСТІЙКІСТЮ І електроерозійною СТІЙКІСТЮ, що дозволить значно розширити діапазон працездатності електротехнічних виробів, в тому числі електричних контактів різного призначення Суть винаходу полягає в тому, що оскільки масивні покриття формуються переважно з продуктів ерозії аноду в рідкій фазі, а рідке срібло не взаємодіє з вуглецем і не розчиняє його, відбувається розшарування перенесеної на катод маси матеріалу, причому в зв'язку з тим, що вуглець має майже в 5 разів меншу питому вагу по відношенню до срібла, по закінченню імпульсу струму він спливає над поверхнею рідкого срібла у вигляді тонкої плівки і наступний цикл розряду значною мірою здійснюється між анодом і плівкою вуглецю на катоді Введення оптимальної КІЛЬКОСТІ вуглецю (0,22 0,46мас % С) до складу електроду на основі срібла забезпечує регулярне формування тонкої вуглецевої плівки лише на локальних ділянках катоду, які підпадають під дію розряду (в межах катодних плям) Оскільки теплота сублімації тонкої плівки значно менша, ніж у монолітного матеріалу, це веде до зниження енергетичних витрат на випаровування і забезпечує найбільш сприятливі умови іонізації пари Таким чином створюються умови для стабілізації параметрів розряду, що веде до підвищення частки рідкої фази в продуктах ерозії аноду і, ВІДПОВІДНО, до росту продуктивності переносу речовини на катод Загалом, в межах вирішуваної задачі позитивний ефект введення малої КІЛЬКОСТІ вуглецю в склад електродного матеріалу на основі срібла полягає в тому, що електричний розряд уражає насамперед включення вуглецю, внаслідок чого на поверхні катоду осідає оптимальна КІЛЬКІСТЬ вуглецевого пилу, достатня для стабілізації іскрового розряду і водночас не перешкоджаюча злиттю окремих порцій рідкого срібла в суцільний шар, значно зменшується ураження срібної матриці аноду і відбувається більш повільна передача теплового потоку від вуглецевої фази з теплоємністю Ср = 710Дж/кг К до срібла (Ср = 237Дж/кг К), що веде до зменшення утрат срібла у вигляді парової фази, утворені на катоді тонкі вуглецеві шари випаровуються і іонізуються в прикатодній області, а покриття залишається вільним від вуглецю, або вміщує його такий мінімум, який лише сприяє підвищенню ЗНОСОСТІЙКОСТІ матеріалу В разі необхідності надмір вуглецю легко видаляється з покриття короткочасною його обробкою імпульсами струму малої енергії з використанням електроду із срібла Для експериментальної перевірки електродного матеріалу, що заявляється, на ефективність формування електроіскрових покриттів та ЗНОСОСТІЙКІСТЬ нанесених шарів при терті було виготовлено і випробувано КОМПОЗИЦІЙНІ матеріали 6 різних складів Результати випробувань наведено в таблиці 1 Оптимальні результати одержано для електродів -№№ 2 5 Вміст вуглецю менше нижньої межі (< 0,22мас %) не забезпечує умови регу 57090 лярного утворення тонкої вуглецевої плівки на поверхні катоду за рахунок його вигорання, ВІДПОВІДНО, це зменшує і масоперенос при електроіскровому нанесенні покриттів (склад № 1 табл 1), В той же час введення в срібло більше 0,46мас % С виявляється недоцільним, бо веде до його надмі рного зсідання з парової фази на катод, що перешкоджає злиттю в монолітний шар крапель рідкого срібла, яке переноситься з аноду, в результаті чого знижується товщина покриття і збільшуються утрати матеріалу До того ж значно погіршується і працездатність покриттів (склад № 6 табл 1) Таблиця 1 Вплив вмісту вуглецю на інтенсивність масопереносу і властивості електроіскрових покриттів на основі срібла № п/п 1 2 3 4 5 6 7 Склад матеріалу, мас % Сумарний приКонтактний опір, мОм Коефіцієнт пе- Інтенсивність зноріст маси катоВуглець срібло реносу, % шування, мг/км МІНІМ макс ду, мг 0,20 99,80 27,3 42,2 0,13 11 28 0,22 99,78 58,7 58,1 0,06 8 13 0,29 99,71 73,2 61,3 0,01 5 6 0,33 99,67 73,5 62,7 0,02 6 9 0,46 99,54 55,1 63,5 0,08 8 17 0,47 99,53 40,9 53,4 0,11 13 26 прототип 35,0 60,0 0,12 9 24 Додатково були проведені випробування на електроерозійну СТІЙКІСТЬ сформованого електроіскрового покриття Результати, які наведено в табл 2, свідчать, що покриття з матеріалу прототипу витримало випробування лише для обмеженого строку комутації струму І = 2А(п - 3 - Ю 4 циклів), після чого контактний опір Rk пари різко зростає внаслідок інтенсивного зносу покриття В той же час покриття, нанесене композиційним електродом, витримало 2,5 • 106 циклів комутацій з низьким і стабільним контактним опором, при цьому ЗОВНІШНІЙ вигляд покриття залишався в задовільному стані, що свідчить про наявність в нього високого запасу працездатності Таблиця 2 Результати випробувань електроіскрових покриттів на електроерозійну СТІЙКІСТЬ №№ п/п 1 2 Склад матеріалу, мас % вуглець срібло 0,29 99,71 прототип Контактний опір Контактної пари, Rk мОм До випробувань 0,3 0,6 Після 3 - Ю 4 Після 2,5- 10ь ЦИКЛІВ ЦИКЛІВ 0,3 1,7 Електроди виготовляли методом порошкової металургії шляхом пресування заготівок, їх спікання у водні з наступним двократним допресуванням, прокаткою і волочінням заготівок до одержання прутків необхідного розміру Продуктивність електродів визначали при нанесенні електроіскрових покриттів на 1см2 поверхні катоду з МІДІ МІ за допомогою установки "Елітрон-22А" на II режимі (робочий струм Ір = 0,8А, Ср = ЗбОмкФ) протягом Юхв, і вимірюванням зміни мас аноду і катоду за допомогою ватів "ВЛА200М" Коефіцієнт переносу обчислювали за формулою К = (Дк/Да) 100%, де Дк - сумарний приріст маси катоду, Да - сумарна ерозія аноду за однаковий проміжок часу Випробування на ЗНОСОСТІЙКІСТЬ проводили на випробувальному стенді при терті по кільцях з бронзи БрБ-2 мідних контактів типу Заклепка" з нанесеними протягом Зхв електроіскровими покриттями із срібла, матеріалу прототипу та композиції срібло-вуглець Для цих випробувань електроіскрові покриття наносили електродами діаметром 3,0мм на Ш режимі (Ір = 1,ЗА) Умови 0,3 9,1 0,4 88,0 Зміна маси контактів після 2,5 • 106 циклів, мг Катод Анод -1,5 -7,4 +1,3 +3,3 випробувань швидкість тертя v = 0,5м/с, контактний тиск Nk = 1Н, комутуємий струм І = 0,5А, шлях тертя L = 10км Динамічний контактний опір визначали шляхом виміру падіння напруги за допомогою швидкодіючого вольтметру Н-341 на контактній парі під час тертя СТІЙКІСТЬ проти електроерозійного зносу визначали шляхом випробувань при комутації постійного струму силою І = 2А, напругою U = 36В при контактному тиску Nk = 0,5Н протягом п = 2,5106 спрацювань Приклад виготовлення електродів з композиційного матеріалу складу 99,71% мас Ад + 0,29% мас С Для одержання 1кг суміші було взято 997,1г порошку срібла марки ПСр-1 і 2,9г порошкового вуглецю (графіт марки С-1) ВИХІДНІ порошки зважували з погрішністю до 0,001г і змішували у фарфоровому барабані, заповненому на 50% об'єму Для одержання рівномірної суміші в барабан було завантажено 50 - 60 фарфорових куль і додано 200,0мл спирту-ректифікату Швидкість оберту 57090 8 барабана становила 6 - 7рад/с, час змішування - 2 години Обчислені наважки суміші пресували на гідравлічному пресі в стальній прес-формі з питомим тиском 50МПа Спресовані заготівки було укладено у деко шарами і пересипано глиноземом Деко завантажували у муфель, який продували осушеним воднем протягом ЗОхв при кімнатній температурі, потім муфель вставляли в піч, здійснювали підйом температури до 600°С і витримували протягом 1год Спечені заготівки ДВІЧІ допрасовували з питомим тиском 400МПа і 800МПа ВІДПОВІДНО З проміжним віддаленням у водні при температурі 500°С протягом 1год ДВІЧІ допресовані заготівки прокатували на прокатному стані до одержання прутків діаметром Змм, частину з яких додатково волочили крізь філь'єри до діаметру 2мм Таким чином було виготовлено електроди для нанесення електроіскрових покриттів криття за 10 км шляху тертя становив 0,1 мг, тобто інтенсивність зношування дорівнює 0,1мг/10км = 0,01мг/км Падіння напруги на контактній парі дорівнювало 2,5 З.ОмВ, отже контактний опір має рівень (2,5 3,0)мВ/0,5А= (5 6)мОм Оптимальний вміст вуглецю в складі електродів (0,22 0,46% мас) дозволяє мінімізувати його КІЛЬКІСТЬ в одержуваному покритті для забезпечення високої ЗНОСОСТІЙКОСТІ контакт-деталей при терті ковзанням, так і при комутації струму шляхом замикання-розмикання електричного ланцюга Так, одержано позитивні результати додаткових випробувань контактів з електроіскровим покриттям, виконаним електродом складу 99,71% мас Ад + 0,29% мас С, в складі замків запалювання автомобілей (завод Тепел", м В Мостн Львівської обл ), тепловентшшторів "Уют-бК" (Харківський з-д електроапаратури), клавішних перемикачів КР-2 (СКБ "Ритм", м Київ) та інш За допомогою виготовлених електродів були нанесені електроіскрові покриття на пластини з МІДІ При цьому за 10 хвилин обробки було досягнуто наступні конкретні характеристики масопереносу сумарна ерозія аноду Да = 119,41мг, сумарний приріст маси катоду Дк = 73,2мг Коефіцієнт масопереносу К = (73,2/119,41)-100 = 61,3% Таким чином, введення 0,22 0,46% мас вуглецю в срібну основу дозволяє суттєво підвищити продуктивність формування електроіскрових шарів на основі срібла і забезпечити їх високу ЗНОСОСТІЙКІСТЬ при використанні як для контактів ковзання, так і розривних контактів з підвищеним комутаційним ресурсом Під час випробувань на ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ЗНОС по Комп'ютерна верстка С Волобуєва Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна