Композиційний матеріал для електричних контактів та спосіб його отримання

Реферат: Винахід належить до галузі порошкової металургії, а саме - до складу композиційного матеріалу для електричних контактів і способу його отримання. Композиційний матеріал складається з UA 104673 C2 (12) UA 104673 C2 матриці - малолегованого сплаву на основі міді з таким вмістом компонентів, мас. %: ітрій 0,01-1,0, цирконій - 0,01-1,0, ніобій - 0,01-0,5, мідь - решта, яка зміцнена дисперсними частками молібдену, оксиду міді та оксиду молібдену з таким співвідношенням компонентів у композиційному матеріалі, мас. %: молібден - 1,5-15, оксид міді - 0,1-5, оксид молібдену - 0,1-5, сплав Cu-Zr-Y-Nb - решта, при цьому матрицю - сплав Cu-Zr-Y-Nb додатково легують хромом при наступному вмісті компонентів в сплаві, мас. %: ітрій - 0,01-1,0, цирконій - 0,01-1,0, ніобій 0,01-0,5, хром - 0,2-0,41, мідь - решта. Спосіб одержання композиційного матеріалу для електричних контактів включає одночасне електронно-променеве випаровування міді при цьому, як сплав для випаровування через ванну-посередник використовують зливки Сu-(0,20,41)Сr, мас. %, що попередньо отримані електронно-променевим переплавом. Винахід забезпечує підвищення корозійної стійкості одержаного композиційного матеріалу в 1,5-2 рази і можуть застосовуватися в електричних контактах замість аналогічних срібловмісних матеріалів з рівня техніки. UA 104673 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі порошкової металургії, а саме - до складу і способу отримання композиційних матеріалів за допомогою вакуумної металургії, та може бути використаний для отримання матеріалів електричних контактів. Матеріали для електричних контактів, які застосовуються, в даний час умовно поділяють на три групи, різниця між якими пов'язана з типом та призначенням комутаційних апаратів. За даними [1, 2] ці групи містять в собі матеріали для малострумових середньонавантажених та великострумових або важконавантажених комутаційних апаратів. До матеріалів першої групи входять чисті метали: золото, срібло, паладій, платина, а також малолеговані сплави на їх основі, як матеріали другої групи можна назвати срібловмісні сплави, псевдосплави та інші композиційні матеріали (КМ) на основі срібла, паладію, міді. З композиційних матеріалів даної групи найбільше застосування знайшли такі матеріали як Ag-Ni, Ag-CgО, Ag-C Ag-CuO з широким діапазоном складів. Матеріали третьої групи призначені для роботи у важконавантажених комутаційних апаратах (повітряних, газових, масляних, вакуумних). До них входять псевдосплави на основі вольфраму, молібдену, хрому, карбіду хрому з сріблом, міддю та іншими добавками. Як ці добавки використовуються метали, металоподібні сполуки, оксиди, інтерметаліди та інші. Як відомо, традиційними методами отримання КМ для електричних контактів є методи порошкової металургії. Технологічні особливості виготовлення матеріалів для електричних контактів, їх експлуатаційні характеристики в області застосування наведені в роботах [1-7]. Незважаючи на широкий вибір матеріалів для електричних контактів різного призначення, проблема створення високонадійних електричних контактів до кінця не вирішена, оскільки вимоги до матеріалу контактів залежать від типу комутаційного апарата і змінюються по мірі його модернізації і заміни новим. Задовольнити ці вимоги можуть матеріали, які характеризуються оптимізованою структурою і відповідним комплексом властивостей, що забезпечують формування в робочому шарі вторинної структури з підвищеними електроерозійною стійкістю, терміном експлуатації і надійністю контактів. Визначальний вплив на експлуатаційні характеристики матеріалів електричних контактів має також структурний фактор. Підвищення дисперсності КМ в таких системах як Ag-Me, Ag-MeO сприяє зниженню інтенсивності плазмових потоків, підвищує електроерозійну стійкість середньонавантажених і низькострумових контактів з цих матеріалів [8]. Матеріали, отримані методом порошкової металургії без дорогоцінних матеріалів, досить широко розповсюджені в виробництві контактів комутаційних апаратів. Порошкові KM цих контактів містять 20-80 % (мас.) тугоплавкої складової, а легкоплавкою є мідь. Технологічними добавками можуть бути нікель, кобальт, функціональними - деякі оксиди, бор і інші елементи і сполуки. В промисловості в основному використовують KM з вмістом 50, 70 % W (Мо) [4,9]. При використанні контактів з матеріалів в системі W-Cu продуктами окиснення частіше всього є оксиди WO3 і Сu2О [7, 10]. Їх питомий електричний опір змінюється в достатньо широких межах, 12 для WO3 від 1 (при сильному відхилені) до 1·10 Ом/см (при стехіометричному складі), для 3 10 Сu2О, відповідно, від 1·10 до 1·10 Ом/см. При комутації струму на повітрі подібні процеси спостерігаються в робочому шарі контактів із псевдосплавів Мо-Cu. Молібден і мідь розчинні обмежено [11], в той же час їх оксиди взаємодіють і утворюють стійкі сполуки CuMoO4, Cu3MO2O9 та інші [12, 13]. При температурі вище 700 °C виникає легкоплавка евтектика в системі Мо2О3-Сu2О. Встановлено, що в цій системі оксидна плівка евтектичного складу легко розтікається по поверхні контакту, заповнюючи нерівності [12, 13]. Відшаровуючись після кристалізації від поверхні контакту з-за низької адгезії, плівка сприяє ефекту "самозачистки" і зниженню рівня перехідного опору контактної пари [9]. Метали і KM, які працюють в окиснюваних середовищах, захищають від окиснення шляхом легування або нанесення покриттів. Процеси випаровування і конденсації дозволяють конструювати матеріал на атомномолекулярному рівні. В цьому зв'язку значний науковий і практичний інтерес викликає використання високошвидкісного електронно-променевого випаровування-конденсації металів і неметалів у вакуумі для отримання масивних конденсованих KM для електричних контактів. Структура, властивості, технологія отримання композиційних матеріалів, конденсованих з парової фази на основі міді і молібдену, детально описані в роботі [14]. До теперішнього часу отримано більш ніж 15 т електроконтактних матеріалів на основі міді та молібдену (МДК), з яких виготовлено більш ніж 1,5 мільйона штук електричних контактів 376 типорозмірів відповідно до технічних умов України ТУ У 31.20113410-003-2002. 1 UA 104673 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Конденсовані матеріали на основі міді та молібдену мають ряд переваг порівняно з порошковими аналогами: їх отримують за один технологічний цикл, вони в 1,5-1,7 разу дешевші за композити, отримані методами порошкової металургії, і в 6 разів дешевші за срібловмісні контакти. За експлуатаційною надійністю конденсовані КМ на основі міді та молібдену не поступаються матеріалам на основі срібловмісних композицій. Вказані матеріали витримують максимальну величину комутаційного струму (до 1200А). Вони добре обробляються різанням, штамповкою, шліфуванням, свердлінням, легко паяються будь-яким з методів пайки з використанням стандартних срібловмісних і безсрібних припоїв. Найбільш близьким технічним рішенням до матеріалу, який пропонується, є композиційний матеріал і спосіб його отримання, описаний в патенті № 34875 бюл. № 12 2002 р. [15]. Композиційний матеріал складається з матриці, зміцненої дисперсними частками. Як матрицю використовують сплав Cu-Y-Zr-Nb з вмістом компонентів, мас. %: ітрій - 0,01-1,0, цирконій - 0,01-1,0, ніобій - 0,01-0,5, мідь - решта. Дисперсними частками слугують молібден, оксид міді та оксид молібдену з вмістом компонентів, відповідно, мас. %: 1,5-15; 0,1-5; 0,1-5. Композиційний матеріал отримують шляхом високошвидкісного електронно-променевого випаровування міді через ванну-посередник, яка містить ітрій, цирконій, мідь, ніобій та молібден з утворенням триоксиду молібдену і оксиду міді при регульованому напусканні кисню. Для підтримання постійного складу ванни-посередника виготовляють комбінований виливок, що складається з мідного виливка і розташованими у ньому прутками сплаву Cu-Y-Zr-Nb, відповідно, мас. %: ітрій - 4-8, цирконій - 28-32, ніобій - 2-5, мідь - решта. В процесі використання вказаного матеріалу для електричних контактів було встановлено, що оптимальні експлуатаційні характеристики в них забезпечуються тільки при безперервній роботі. При їх циклічній експлуатації в атмосферних умовах утворюється оксидна плівка, що перешкоджає роботі контактів. Тому виникла необхідність в підвищенні корозійної стійкості вказаного матеріалу при збереженні решти експлуатаційних характеристик. Задачею даного винаходу є розробка такого композиційного матеріалу, який за електропровідністю, механічними властивостями, електричною міцністю та стійкістю до зварювання не поступався б найближчому аналогу, а за корозійною стійкістю суттєво переважав би його. Задача досягається тим, що в композиційному матеріалі для електричних контактів, який складається з матриці - малолегованого сплаву па основі міді з таким вмістом компонентів, мас. %: ітрій - 0,01-1,0, цирконій - 0,01-1,0, ніобій - 0,01-0,5, мідь - решта, яка зміцнена дисперсними частками молібдену, оксиду міді та оксиду молібдену з таким співвідношенням компонентів у композиційному матеріалі, мас. %: молібден - 1,5-15, оксид міді - 0,1-5, оксид молібдену - 0,1-5, сплав Cu-Zr-Y-Nb - решта, як матрицю-сплав використовують сплав Cu-Zr-YNb, який додатково легують хромом при наступному вмісті компонентів в сплаві, мас. %: ітрій 0,01-1,0, цирконій - 0,01-1,0, ніобій - 0,01-0,5, хром - 0,2-0,41, мідь - решта. Композиційний матеріал для електричних контактів одержують шляхом одночасного високошвидкісного електронно-променевого випаровування зливків сплаву Сu-(0,2-0,41)Сr, мас. %, через ванну-посередник, яка містить ітрій, цирконій, ніобій, мідь при наступному вмісту компонентів, мас. %: ітрій - 2-4, цирконій - 8-10, ніобій - 2-4, мідь - решта. Зливки сплаву Cu-Cr отримують за допомогою електронно-променевої плавки. Технологія отримання KM (Cu-Cr-Zr-Y-Nb)-Mo являється аналогічною, як у найближчого аналога. Порівняльні характеристики корозійної стійкості матеріалів МДК-3, які знайшли найбільш широке промислове застосування, і матеріалів МДК-3Х, додатково легованих хромом, наведені в таблиці. 2 UA 104673 C2 Таблиця Дистильована вода Водопровідна вода Бал Бал № п/п Хімічний склад, мас. % Кваг П 2 корозійної П мм/piк корозійної Кваг  г/м /год. 2 г/м /год. мм/piк стійкості стійкості Cu-0,07Y-0,06Zr1 0,04Nb-8,3Mo-2,6CuO- 0,01 0,0008 стійкі 3 0,012 0,012 стійкі 3 1,8MoО3 Cu-0,075Y-0,063Zr2 0,061Nb-11,9Mo0,027 0,029 стійкі 4 0,028 0,029 стійкі 4 2,3CuO-2,2MoО3 (Cu-0,34Cr)-0,072Y0,052Zr-0,041NbДосить стійкі Досить 3 0,004 0,0041 0,0043 0,0041 11,8Mo-2,63CuO2 стійкі 2 2,42МоО3 (Cu-0,34Cr)-0,057Y0,049Zr-0,047Nb-M, Досить стійкі Досить 4 0,0051 0,005 0,0061 0,006 8Mo-2,52CuO-2,71 2 стійкі 2 МоО3  Кваг – ваговий показник корозії, г/м /год.;  П – глибинний показник корозії, мм/рік. 2 5 10 15 20 25 30 35 Із табличних даних видно, що додаткове легування хромом дозволило в 1,5-2 рази підвищити корозійну стійкість промислових КМ МДК-3. Отримані результати по випробовуванню матеріалів електричних контактів стали базою для доповнення документів, що регламентують промисловий випуск матеріалів для електричних контактів ТУ У 20113410.001-98 і електричних контактів ТУ У31.2-20113410.003-2002 в їх серійному виробництві. Контакти з матеріалу МДК-ЗХ в промисловому масштабі виготовляються на наукововиробничому підприємстві "ЕЛТЕХМАШ" м. Вінниця і використовуються в комутаційних апаратах Смолінської та Інгульської шахт по видобутку урану, в атмосфері яких спостерігається підвищений вміст SO2 і СО2 при вологості близько 80 мас. %. Встановлено, що контактні матеріали МДК-3Х приблизно вдвічі переважають за корозійною стійкістю композити МДК-3 і в той же час в 6 разів дешевші в порівнянні з срібловмісними порошковими контактними матеріалами. В додатку 1 надано перелік контактів, що серійно виготовляються з матеріалу МДК-3Х. Перелік контактів виготовлених для Смолінської і Інгульської шахт: - КС-303 М - КТ-6030 П - КТ-6030 Н - КТ-6040 П - КТ-6040 Н - РВМ-2М П - РВМ-2М Н - ВАБ-43 П - ВАБ-43 Н - Нанесення покриттів на керамічну плиту дугогасильної камери. Джерела інформації: 1. Францевич И.Н. Электрические контакты, получаемые методом порошковой металлургии //Порошковая металлургия. - 1980. - № 8.- С. 36-47. 2. Минакова Р.В., Грекова М.Л., Кресанова А.П. Композиционные материалы для контактов и электродов // Порошковая металлургия. - 1999. № 7, № 8. - С. 32-52. 3. Раховский В.И., Левченко Г.В., Теодорович O.K. Разрывные контакты электрических аппаратов. - Москва: Металлургия, 1996. - 295 с. 4. Спеченные материалы для электротехники и электроники. Справочник / Под редакцией Г.Г. Гнесина. Москва: Металлургия, 1981. - 343 с. 5. Тучинский Л.И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки. - Москва: Металлургия, 1988. - 206 с. 3 UA 104673 C2 5 10 15 20 6. Композиционные материалы: Справочник / Под редакцией Д.М. Карпиноса. - Киев: Наукова Думка, 1985. - 591 с. 7. Материалы в приборостроении и автоматике. Справочник / Под редакцией Ю.М. Пятина. Москва: Машиностроение, 1982. - 527 с. 8. Leis Р, Schuster К.К. // Der einjlus des contactmaterials anf die austildundvon Plasvastranien / Electric. - 33, № 10 - 1979. - S. 514-516, 559. 9. Минакова Р.В., Кресанова A.П., Гречанюк Н.И. Композиционные материалы для контактов и электродов. Материалы на основе Мо // Электрические контакты и электроды. - Киев. Институт проблем материаловедения HAН Украины, 1996 - С. 95-105. 10. Slade Р.Е. Arc erosion oj tungsten bused contact materials. // A review | Internat J.O. Refractory and Hard Metals.-1986., 5, No. 4 - P. 208-214. 11. Двойные многокомпонентные системы на основе меди / Под редакцией Н.Х. Абрикосова. - Москва: Наука, 1979. - 135 с. 12. Mackey N., Ziolkowski J. Subsolidus phase diagram of Сu2O-CuO-МоО System // J. Solid Stat Chemu-1980, No. 31 - P. 135-143. 13. Mackey N., Ziolkowski J. Phase relatione in Cupric molibdates cuprous Molibdates System // Ibid. P. 145-151. 14. Гречанюк Н.И., Осокин В.Л., Гречанюк И.Н. Композиционные материалы на основе меди и молибдена для электрических контактов, конденсированных из паровой фазы. Структура, свойства, технология. Часть 2. Основы электронно-лучевой технологии получения материалов для электрических контактов // Современная электрометаллургия.-2006. - № 2. - С. 9-19. 15. Гречанюк М.І., Осокін В.О., Афанасьев I.Б., Гречанюк І.М. Композиційний матеріал для електричних контактів таспосіб йото отримання // Патент України № 34875. Опубл. в бюл. № 12, 2002 р. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 1. Композиційний матеріал для електричних контактів, який містить матрицю - малолегований сплав на основі міді з таким вмістом компонентів, мас. %: ітрій - 0,01-1,0, цирконій - 0,01-1,0, ніобій - 0,01-0,5, мідь - решта, яка зміцнена дисперсними частками молібдену, оксиду міді та оксиду молібдену з таким співвідношенням компонентів у композиційному матеріалі, мас. %: молібден - 1,5-15, оксид міді - 0,1-5, оксид молібдену - 0,1-1,5, сплав Cu-Zr-Y-Nb - решта, який відрізняється тим, що матриця-сплав Cu-Zr-Y-Nb додатково легована хромом при наступному вмісті компонентів в ній, мас. %: ітрій - 0,01-1,0, цирконій - 0,01-1,0, ніобій - 0,01-0,5, хром - 0,20,41, мідь - решта. 2. Спосіб одержання композиційною матеріалу для електричних контактів за п. 1, шляхом одночасного високошвидкісного електронно-променевого випаровування міді через ваннупосередник, яка містить ітрій, цирконій, ніобій, мідь при наступному вмісті компонентів, мас. %: ітрій - 2-4, цирконій - 8-10, ніобій - 2-4, мідь - решта, який відрізняється тим, що як сплав для випаровування через ванну-посередник використовуються зливки Сu-(0,2-0,41)Сr, мас. %, які попередньо отримані електронно-променевим переплавленням. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4