Композиційний матеріал для електричних контактів і електродів та спосіб його отримання

1. Композиційний матеріал для електричних контактів і електродів, який містить легкоплавку складову і тугоплавку складову - вольфрам, який відрізняється тим, що як легкоплавку складову використано малолегований сплав на основі міді з C2 2 (19) 1 3 Постійно зростаючі попит та ціна на срібло та вольфрам, змушують дослідників концентрувати свої зусилля на розробці нових електроконтактних матеріалів, які не поступаються по своїх експлуатаційних характеристиках срібловміщуючим композиціям. Особливу актуальність ця проблема має для України, де сировинні запаси руд, які містять срібло, відсутні. В світовій практиці в електротехніці композиційні матеріали, які не містять срібла використовуються з 20-х років минулого століття з моменту появи першого патенту "General Electric Co" на WCu псевдо сплави і вироби із них [2, 3]. В Україні розробки композиційних матеріалів на основі вольфраму, міді і срібла були розпочаті в 50-х роках минулого століття під керівництвом академіка І.Н.Францевича [4, 5]. До теперішнього часу накопичено значний науковий і експериментальний матеріал по розробці композиційних матеріалів в системі W-Cu і контактів і електродів із них [6-9]. Ці відомості дозволяють зробити висновок, що накопичений досвід розробок композиційних матеріалів на основі вольфраму і міді ставить перед нами все нові завдання, які направлені на підвищення терміну і надійності експлуатації комутаційних апаратів, оснащених контактами на основі W-Cu композицій. Вирішення задач підвищення ефективності використання контактів із порошкових композиційних матеріалів W-Cu пов'язано із вибором дисперсності, технологічних умов ущільнення, в тому числі середовищ, які контролюються, параметрів гарячої обробки під тиском. Основні методи модифікацій передбачають також макроструктур не "конструювання" матеріалу виробів, які дозволяють створити шарові і градієнтні контакти, і реалізувати підвищений рівень спеціальних властивостей. Принципово важливим є створення альтернативних порошкової металургії методів отримання композиційних матеріалів для електричних контактів. Останнім часом для отримання матеріалів електричних контактів став широко застосовуватись метод високошвидкісного електроннопроменевого випаровування і наступною конденсацією у вакуумі металів і неметалів [10-12]. Розроблено ряд нових конденсованих із парової фази композиційних матеріалів на основі мало легованого сплаву міді (Cu-Zr-Y) і молібдену для електричних контактів, які працюють при струмах до 1000А і напругах до 1000В [10-13]; матеріалів на основі міді і хрому для вакуумних дугогасних камер [14] і конструкцій контактних систем на їх основі [15]. В той же час, в технічній літературі відсутні відомості про композиційні матеріали на основі міді і вольфраму, отриманих випаровуванням і наступною конденсацією у вакуумі вихідних компонентів. Як відомо, [10] переваги технології отримання масивних матеріалів цим методом заключаються в тому, що, знаходячись в паровій фазі, речовини не піддаються законам розчинності. Тому, випаровуючи одночасно декілька речовин, змішуючи їх парові потоки і потім конденсуючи на підкладку, можливо отримувати такі поєднання і такі співвідношення компонентів, які 86434 4 важко або взагалі неможливо здійснити іншими методами, а саме методом порошкової металургії. Найбільш цікавим з точки зору отримання експлуатаційних характеристик являється формування функціональних матеріалів з градієнтною структурою. Подібні матеріали досить важко отримати методами порошкової металургії і в них не завжди вдається забезпечити оптимальне поєднання властивостей. Найбільш близьким по технічній суті до заявленого винаходу являється композиційний градієнтний матеріал на основі міді і вольфраму, описаний в [13, 16]. Авторами [16] для підвищення опору дії плазми, іонному і електронному променю запропонований процес виготовлення W-Cu градієнтного матеріалу шляхом пресування, спікання і пропитки шарової заготовки із порошків із різною дисперсністю і вмістом міді в сусідніх шарах. Робочий шар контакту діаметром 25мм із W-Cu градієнтного матеріалу характеризується меншим рівнем термічних напружень при багатоцикловій комутації струму, чим із чистого W, спаяного AgCu-Ті припоєм із мідним контактотримачем (Фіг.1). Аналіз запропонованого технічного рішення свідчить про достатньо складний технологічний процес отримання подібних матеріалів. Стрибкоподібна зміна вмісту міді і вольфраму в композиційному матеріалі приводить до деякого зниження рівня термічних напружень на границі розподілу контактотримач (мідь) - градієнтний композит, однак до кінця не усуває їх. З іншої сторони відтворення властивостей в шаровому порошковому композиті низьке із-за технологічних ускладнень отримання порошків міді і вольфраму необхідної чистоти і фракційного складу, забезпечення постійних умов пресування, спікання і пропитки шарової заготовки. Ціллю даного винаходу є отримання композиційного градієнтного матеріалу Cu-W, який не має вказаних вище недоліків. Ціль досягається тим, що композиційний матеріал для електричних контактів, який містить легкоплавку складову і тугоплавку складову-вольфрам, згідно з винаходом в якості легкоплавкої складової використаний мало легований сплав на основі міді з добавкою ніобію, цирконію та ітрію із наступним співвідношенням компонентів, % за масою: вольфрам 20-50 ніобій 0,01-0,1 цирконій 0,01-0,1 ітрій 0,01-0,15 мідь Інше. Композиційний матеріал для електричних контактів отримують одночасним електроннопроменевим випаровуванням із роздільних джерел зливків мало легованого сплаву на основі міді і вольфраму із наступною конденсацією змішаного парового потоку на попередньо підігріту до 900±20°С підкладку із плавним переходом вмісту на підкладці від чистого мало легованого сплаву на основі міді до чистого вольфраму. Композиційні матеріали Cu-Nb-Zn-Y-W отримували в робочої камері промислової електроннопроменевій установці, робота якої описана в [13]. 5 Технологічний процес отримання композиційних матеріалів Cu-Nr-Zn-Y-W проводили наступним чином. В чотири мідних водоохолоджуючих тиглі діаметром 100мм розміщували по черзі зливки мало легованого сплаву на основі міді і вольфраму. При досягненні глибини вакууму 1,3...4-10-2 Па включали електронно-променеві нагрівачі за допомогою яких підкладка, на яку здійснювалась конденсація, прогрівалась до 900±20°С. Конденсацію змішаного парового потоку здійснювали на підкладку, яка була виготовлена із Ст3 у вигляді диска діаметром 1000мм і товщиною 12...20мм. Поверхню підкладки, на яку здійснювалась конденсація, обробляли по 8...9 класу чистоти. Для легкого відділення сконденсованого матеріалу від підкладки на неї попередньо осаджували тонкий 10...15мкм розділювальний шар фториду кальцію (СаF2). Відокремлений від підкладки матеріал у вигляді диска, товщиною від 1 до 5мм, діаметром 1000мм, розрізали на заготовки, які потім напаювали на контактотримачі. Технологія виготовлення композиційних матеріалів Cu-Nr-Zn-Y-W є простішою порівняно з методами порошкової металургії. Програмне управління потужністю електронних променів при випаровуванні вихідних матеріалів дозволяють отримати плавний перехід від чистого мало легованого сплаву на основі міді Cu-Nr-Zn-Y до чистого вольфраму на товщині від 1 до 5мм. Параметри подібної градієнтної структури диктуються конкретними технічними умовами експлуатації контактів. Додаткове легування цирконієм, ітрієм і ніобієм приводить до суттєвого підвищення жаростійкості композитів і, як результат, підвищення експлуатаційної надійності. За даною технологією виготовлені електричні контакти для вакуумних дугогасних камер. Зовнішній вид контактів показано на рис. 1 днопромислові випробування контактів проведені в у Врацславському політехнічному інституті (Польща). Випробування показали, що по експлуатаційній надійності нові контакти не поступаються порошковим композитам Ag-CdO. В той же час вони в 2,5 рази дешевші ніж срібловмісні. Сьогодні вже розпочато серійне виробництво вказаних контактів для республіки Польща. Література до заявки "Композиційний матеріал для електричних контактів" 1. Свойства порошков металлов, тугоплавких соединений и спеченных материалов. Информационный справочник. Отв. редактор И.М.Федорченко. Издание 3-е, исправленное и дополненное. Киев «Наукова думка», 1978,182с. 2. Спеченные материалы для электротехники и электроники /Под ред. Г.Г.Гнесина. М.:Металлургия, 1981. - 343с. 3. Р.В.Минакова, А.П.Крескнова, М.М.Чураков, Е.В.Хоменко. Тенденции развития технологий изготовления композиционных материалов и контактов из них. Электрические контакты и электроды. Сборник научных трудов. Серия «Композиционные материалы». Киев, 1998 с.5-19. 4. Францевич И.Н. Электрические контакты, получаемые методами порошковой металлургии. Порошковая металлургия. - 1980. №8. с.36-47. 86434 6 5. Минакова Р.В., Грекова М.Я., Кресанова А.П., Крячко Л.А. Композиционные материалы для контактов и электродов. Там же 1995. №7-8. с.3252. 6. Rabin B.N., German R. M. Microstructure effects on tensile properties of tungsten - nicel - iron composite. Met.Trans.1988. №6. p.1523-1532 7. Lu Raming, Tan Anging, Мои Kigiang, Ling Xianyc. HIP treatment of tungsten-copper composition. Proc. Of the 12th Intern. Plansee Seminar 89/Ed. H. Bildstein and Hugo M. Ortner. 1989. Vol l. p587-595. 8. Ковальченко М.С., Лаптев А.В., Жидков А.Б., Свердел В.В. Связь количественных характеристик структуры с механическими свойствами керметов на основе карбида вольфрама. Материалы на основе карбидов. Киев ИПМ АН УССР, 1987.С.104-113. 9. В.Я.Бернт. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта. Москва, Интекст. 2005, 408с. 10. Н.И.Гречанюк, В.А.Осокин, И.Б.Афанасьев, И.Н.Гречанюк. Электроннолучевая технология получения материалов для электрических контактов. Сборник научных трудов. Серия «Композиционные материалы». Киев 1998. С.51-66. 11. Н.И.Гречанюк, В.А.Осокин, И.Н.Гречанюк, Р.В.Минакова. Композиционные материалы на основе меди и молибдена для электрических контактов, конденсированные из паровой фазы. Структура, свойства, технология. Часть 1 Современное состояние и перспективы применения технологии электронно-лучевого высокоскоростного испарения - конденсации для получения материалов электрических контактов. 12. Н.И.Гречанюк, В.А.Осокин, И.Н.Гречанюк, П.П.Кучеренко, Р.В.Минакова, М.Е.Головкова, Г.Е.Копылова. Композиционные материалы на основе меди и молибдена для электрических контактов, конденсированные из паровой фазы. Часть 2 Основы электронно-лучевой технологии получения материалов для электрических контактов. Современная электрометаллургия 2006, №2 с.9-19. 13. Гречанюк М.Л., Осокін В.О., Афанасьев І.Б., Гречанюк І.М. Композиційний матеріал для електричних контактів та спосіб його отримання. Патент України №34875. Опубл. 16.12.2002. Бюл №12 14. Гречанюк М.І., Плащенко М.М., Осокін В.І., Афанасьев І.Б., Гречанюк І.М. Контактний матеріал для дугогасних камер та спосіб його отримання. Патент України №32318А. Опубл. 15.12.200. Бюл. №7-11 15. Гречанюк М.І., Плащенко М.М., Зварич А.В., Осокін В.О. Контактна система вакуумної дугогасної камери. Патент України №76737. Опубл. 15.09.2006. Бюл №9. 16. Takahashi M., Iton Y., Miazaki Metal Fabrication of tungsten/copper graded material. Proc. Of the 13th Intern. Plansee seminar/Ed. H. bildstein and R. Eck.-Metallwork Plansee Rentte. 1993. Vol 4 p.17-28 7 Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 86434 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601