Способ изготовления порошкового композита сu-cd/nb для электроконтактного применения


 


Владельцы патента RU 2516236:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (RU)

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению металлокерамических электроконтактных материалов Cu-Cd/Nb. Из порошков меди и ниобия готовят шихту, проводят холодное прессование и спекание. Введение кадмия в заготовку осуществляют диффузионным насыщением путем ее выдержки в атмосфере, содержащей пары кадмия. Спеченную заготовку подвергают глубокой обработке давлением, которую сочетают с горячей экструзией и последующей холодной прокаткой или вытяжкой. После чего проводят допрессовку и отжиг. Обеспечивается понижение переходного сопротивления в контактной паре, повышение электроэрозионной стойкости, а также в возрастании длительной механической прочности в режимах многоцикловых ударных нагрузок и стойкости против сваривания. 1 табл.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к получению металлокерамических электроконтактных материалов методами порошковой металлургии.

В связи с дефицитностью, высокой и постоянно растущей стоимостью основного электроконтактного металла - серебра, не прекращаются попытки его эффективной замены на медь, обладающую необходимыми для такого использования электрическими, теплофизическими и физико-механическими свойствами. Наиболее сложным препятствием для широкого применения является склонность меди к окислению, что ведет к неконтролируемому росту переходного межконтактного сопротивления в ходе эксплуатации. Тем не менее, разработаны составы электроконтактных композитов, позволяющие преодолевать указанную трудность и успешно использовать контактные элементы на медной основе в ряде применений. Наиболее высокий уровень эксплуатационных характеристик обеспечивает композиционный материал электрического контакта, имеющий гетерогенную, тонкодисперсную микроструктуру, а также включающий добавки, способствующие гашению дуги, снижающие переходное сопротивление и повышающие стойкость против сваривания [Иванов В.В. Физико-химические основы технологии и материаловедение порошковых электроконтактных композитов / В.В.Иванов. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. - 234 с.].

Эффективной дугогасящей добавкой в меди является металлический кадмий уже при небольшом содержании ≥0,5% [SU №939579, С22С 9/00, С22С 1/04, С22С 1/10, Н01Н 1/02, опубл. 13.03.1978; RU №2038400, Н01Н 1/02, опубл. 27.06.1995; RU №2073736, С22С 9/00, опубл. 20.02.1997; RU №2131941, С22С 9/00, Н01Н 1/02, опубл. 20.06.1999].

Добавление тугоплавкого металла ниобия [SU №1746416, Н01Н 1/02, опубл. 07.07.1992; RU №2009562, Н01Н 1/02, С22С 9/00, С22С 32/00, опубл. 15.03.1994], который имеет очень малую растворимость в меди, а также низшие оксиды с металлической проводимостью, создает гетерогенную структуру электроконтактного материала при слабом снижении электропроводности, способствует понижению переходного сопротивления в симметричной контактной паре. Одновременное введение кадмия и ниобия обеспечивает хорошие эрозионные характеристики, удовлетворительно низкое для меди межконтактное сопротивление, стойкость против сваривания контактной пары и механическую прочность в многоцикловых режимах работы.

Известны способы получения контакт-деталей для электроаппаратуры из композиционного материала, содержащего нерастворимые друг в друге тугоплавкий металл и медь [Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы / Под ред. В.Шатта. - М.: Металлургия, 1983. - 519 с.]. Это делают с помощью методов порошковой металлургии, создавая пористый каркас из тугоплавкой компоненты, который затем пропитывают жидкой медью, повышающей электро- и теплопроводность материала. Такие композиты обладают высокой дугостойкостью, но способ требует большого содержания тугоплавкого металла (до 2/3 по объему). Поэтому их электро- и теплопроводность имеет относительно невысокие значения, переходное сопротивление достаточно высокое, дугогасящая способность - слабая, что снижает их служебные свойства и сужает область применения.

Известен способ получения беспористых порошковых микрокомпозитов на основе меди [Башилов В.А. Композиционные сверхпроводящие материалы волокнистого строения / В.А.Башилов, В.А.Близнюк, И.А.Киянский, М.М.Сухарев. - М.: Металлургия, 1986. - 136 с.], содержащих ниобий или ванадий, и используемых в производстве сверхпроводников для криогенной техники. Материалы получают глубокой обработкой давлением, в процессе которой формируется высокодисперсная волокнистая микроструктура, полностью удаляется пористость, уплотняются межзеренные и межфазные границы.

Материал, изготовленный по этому способу, в электроконтактном назначении не используется, хотя обладает рядом необходимых свойств, наряду с высокими тепло- и электропроводностью, механической прочностью: хорошим уровнем коэффициента трения, износостойкости и переходного сопротивления при передаче тока в скользящем контакте [Liu P., Bahadur S., Verhoeven J.D. Electrical sliding friction and wear behavior of Cu-Nb in situ composites // IEEE Trans. CPMT-17. Part A, 1994, №4, pp.616-624].

Однако для электроконтактного применения он имеет существенный недостаток - отсутствие в его составе дугогасящих и упрочняющих медную матрицу добавок, что снижает эрозионную стойкость как в дуговом режиме, так и при искрении в скользящих контактах. В то же время, введение металлического кадмия на стадии смешивания порошков в данном случае исключается вследствие невозможности дальнейшей глубокой обработки давлением такого материала. Другая известная форма - добавка кадмия в виде оксида, также в данном материале неприемлема из-за более низкой термодинамической прочности этого оксида по сравнению с оксидами металлов-добавок, которые в процессе термообработки окисляются, восстанавливая CdO.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является техническое решение, описанное в патенте [RU №2122039, С22С 9/00, Н01Н 1/02, опубл. 20.11.1998]. Порошковые композиционные электроконтактные материалы для контакт-деталей электроаппаратуры на основе меди, содержащие одновременно нерастворимый в меди тугоплавкий металл ниобий и легкоплавкий кадмий, также производят методом порошковой металлургии, смешивая одновременно все исходные ингредиенты, взятые в виде порошков, которые далее прессуют в стальной пресс-форме в виде заготовок требуемой формы и размеров, спекают в инертной среде, уплотняют допрессовкой и отжигают для снятия механических напряжений.

Однако такой способ не обеспечивает получения беспористого композита (остаточная пористость обычно составляет 2-3% и более) с плотными границами Cu/Cu и Cu/Nb, что негативно сказывается на всех функциональных свойствах материала и, в особенности, на работоспособности разрывных контактных элементов в условиях многоцикловых ударных нагрузок. Такие контакты обычно не выдерживают требуемого числа рабочих циклов.

Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик электроконтактных изделий на основе меди, содержащих ниобий и кадмий, в частности, улучшение эрозионных характеристик и снижение переходного сопротивления на основе создания беспористого порошкового композита Cu-Cd/Nb с волокнистой микроструктурой.

Таким образом, технический результат, получаемый в результате использования предлагаемого изобретения, состоит в понижении переходного сопротивления в контактной паре, повышении электроэрозионной стойкости, а также в возрастании длительной механической прочности в режимах многоцикловых ударных нагрузок и стойкости против сваривания.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления порошкового композита Cu-Cd/Nb для электроконтактного применения, включающем получение шихты смешиванием порошковых ингредиентов, холодным прессованием, спеканием, уплотнением допрессовкой и отжигом, новым является то, что шихту готовят из порошков меди и ниобия, спеченную заготовку подвергают глубокой обработке давлением, причем глубокую обработку давлением сочетают с горячей экструзией спеченной объемной заготовки с последующей холодной прокаткой или вытяжкой, а введение кадмия в заготовки осуществляют диффузионным насыщением, путем их выдержки в атмосфере, содержащей пар кадмия.

Суть предложения состоит в том, что композит Cu-Cd/Nb для электроконтактного применения, имеющий высокодисперсную, волокнистую микроструктуру (волокна ниобия в матрице из кадмиевой бронзы) получают глубокой обработкой давлением (горячая экструзия, волочение, прокатка) бескадмиевого порошкового композита Cu/Nb, создавая при этом требуемую микроструктуру - волокна ниобия в медной матрице, которая образуется вследствие близости прочностных свойств этих металлов. Далее, в заготовки изделий вводят кадмий путем их экспонирования в газовой среде, содержащей пар этого легколетучего компонента.

Наличие в составе тугоплавкого металла ниобия необходимо для снижения электродугового и электроискрового износа, а также переходного сопротивления в контактной паре. Наличие кадмия усиливает дугогасящие свойства материала и упрочняет медную основу, что повышает стойкость против сваривания. Образование тонкодисперсной волокнистой структуры после глубокой обработки давлением способствует усилению указанных свойств и, дополнительно, существенному росту длительной прочности материала в условиях многоцикловых ударных нагрузок в процессе службы контактных изделий.

От прототипа заявляемый способ отличается тем, что

- шихту готовят из порошков меди и ниобия;

- спеченная заготовка подвергается глубокой обработке давлением для создания высокодисперсной, волокнистой микроструктуры;

- введение кадмия в заготовки с целевой микроструктурой осуществляется диффузионным насыщением, путем их выдержки в атмосфере, содержащей пар кадмия.

Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей химии и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Для осуществления предлагаемого способа получения электроконтактов исходные порошковые компоненты - медь и ниобий, взятые в пропорции 9:1, перемешивают в смесителе в течение часа. Далее шихту подвергают двухстороннему прессованию в стальной пресс-форме при давлении 300 МПа. Прессовку спекают при температуре 900°С в течение двух часов в среде аргона, в результате чего получают спеченную заготовку диаметром около 60 мм. Заготовку подвергают горячей экструзии с получением полосы сечением 5×25 мм для максимального снижения остаточной пористости и формирования волокнистой микроструктуры псевдосплава, а затем холодной прокатке до толщины 2 мм. Далее штамповкой получают контакт-детали ⌀ 8-10×2 мм. Введение кадмия проводят из паровой фазы при температуре 900°С до содержания кадмия в готовых контакт-деталях 1,0…1,2%. Часть образцов не кадмируют для сравнительного тестирования (в таблице 1 они обозначены - X).

После завершения всех технологических операций плотность готовых контактов составляет 8,8…8,82 г/см3, твердость НВ=80-85, удельное сопротивление 3,2…3,4 мкОм·см.

Для сравнительных испытаний также были изготовлены образцы из материала такого же состава, как и предлагаемый, но с использованием способа-прототипа, т.е. не подвергнутых глубокой обработке давлением. Контактные элементы в симметричных парах протестированы на лабораторном стенде по коммутационной износостойкости на переменном токе и переходному падению напряжения в процессе ее измерений. Условия испытаний: I=30 A, U=380 В, cosφ=0,8, количество циклов вкл/откл - 10000. Падение напряжения - среднее из 15-30 измерений. Измерена также твердость материалов по Бринеллю. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1.
Результаты измерений свойств электроконтактных материалов
Способ и материал Коммутационный износ, г/цикл*106 Падение напряжения, мВ Твердость, НВ
Подвижный контакт Неподвижный контакт
Прототип 8,8 8,6 515 60…65
Предлагаемый 5,4 4,2 320 80…85
Х 12,3 11,7 445 97…102

Как показывают результаты измерений, контакт-детали, изготовленные по предлагаемому способу, обладают более низкими значениями электроэрозионного износа и переходного сопротивления. Видно, что важное значение для служебных свойств имеет как композиционная волокнистая микроструктура, так и наличие дугогасящей добавки в материале. Более высокая твердость бескадмиевого материала (X) вызвана отсутствием термического отжига после обработки давлением.

Применение разрывных и скользящих электроконтактов, изготовленных по предлагаемому способу, позволит повысить надежность и долговечность соответствующих коммутационных узлов.

Способ изготовления порошкового композита Cu-Cd/Nb для электроконтактов, включающий получение шихты смешиванием порошков, холодное прессование, спекание, последующее уплотнение заготовки допрессовкой и отжиг, отличающийся тем, что шихту готовят из порошков меди и ниобия, спеченную заготовку подвергают глубокой обработке давлением, которую сочетают с горячей экструзией спеченной объемной заготовки с последующей холодной прокаткой или вытяжкой, а введение кадмия в заготовку осуществляют диффузионным насыщением путем выдержки в атмосфере, содержащей пары кадмия.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым антифрикционным материалам для сильноточных скользящих контактов. Может использоваться для изготовления токосъемных щеток, например, униполярных генераторов или токосъемных башмаков, контактирующих с рельсом туннельной железной дороги.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу изготовления полуфабриката детали для электрических контактов в форме полосы. Из композиционного материала на основе серебра, содержащего один или более оксидов металла или углерод, изготавливают блок, наносят на блок из композиционного материала покрытия из порошка базового металла.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к производству изделий из металлических порошков. .

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении разрывных электроконтактов. .

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиочастотных коммуникационных системах. .

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим контактам низковольтных электрических реле. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к спеченным материалам на основе меди, предназначенным для изготовления разрывных и скользящих электрических контактов.

Изобретение относится к бытовому устройству, например посудомоечной машине, стиральной машине, холодильнику и т.д. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению порошковых металлокерамических материалов для электрических контактов, для электроконтактов, включающий приготовление шихты путем смешения готовых компонентов, холодное брикетирование, спекание, допрессовку и отжиг, отличающийся тем, что готовят шихту, содержащую порошки меди и кадмия с раствором термически нестабильной соли кадмия, сушат и термообрабатывают ее при температуре 300-500°С.
Изобретение относится к области электротехники, преимущественно к композиционным материалам, служащим для изготовления электрических контактов низковольтной аппаратуры, а также к способу изготовления таких контактов.

Изобретение относится к углеродсодержащим медным сплавам и может быть использовано в электротехнике для изготовления электрических проводов. Медный сплав получают добавлением графита гексагональной системы в высокотемпературную среду с температурой в диапазоне от 1200°С до 1250°С в количестве, необходимом для получения медного сплава с содержанием углерода в диапазоне от 0,01% до 0,6% по весу.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сплавов на основе меди, которые могут быть использованы для изготовления монет, бижутерии. Сплав на основе меди содержит, мас.%: медь 50,0-54,0; серебро 20,0-25,0; золото 2,0-3,0; галлий 10,0-13,0; олово 10,0-13,0.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сплавов на основе меди, которые могут быть использованы для изготовления монет, бижутерии. Сплав на основе меди содержит, в мас.%: медь 68,2-70,2; серебро 20,0-25,0; индий 0,3-0,5; галлий 6,0-9,0; олово 0,3-0,5.

Изобретение относится к области ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов с повышенной прочностью и электропроводностью, предназначенных для использования в электротехнической промышленности для изготовления деталей, проводников и электрических контактов, работающих в условиях повышенных температур и высоких механических нагрузок.

Изобретение относится к пайке, в частности к разработке оптимальной формы выпуска и состава припоя, применяемого при пайке изделий из вольфрама и его сплавов с изделиями из меди и ее сплавов, например энергонапряженных узлов для термоядерной энергетики.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению порошковых материалов на основе меди. .
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способу изготовления порошковых оловянистых бронз при утилизации отходов порошковых формовок.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу изготовления порошковых оловянистых бронз при утилизации пылевидных отходов шихт на основе меди.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к фрикционным порошковым материалам. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сплавов, которые могут быть использованы для изготовления монет. .
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения сплавов на основе титана, плавка и разливка которых проводится в вакуумных дуговых гарнисажных печах.
Наверх