Сплав на основе меди

Изобретение относится к прецизионным сплавам на основе меди для получения микро- и нанопроводов, а также тонких пленок и покрытий с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Сплав содержит, мас.%: марганец 18,0-22,0; никель 18,0-25,0; кремний 2,0-4,0; бор 1,5-4,0; германий 2,0-5,0; галлий 3,0-6,0; медь - остальное. Изобретение позволяет расширить рабочие температуры изделий из предложенных сплавов с отрицательным ТКС (не менее -1,0·10^-4К) до значений от -196°C до +350°C. 3 пр.

 

Изобретение относится к прецизионным сплавам на основе меди для получения микро- и нанопроводов, а также тонких пленок и покрытий с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

Такие провода и покрытия используются в качестве термокомпенсаторов при создании миниатюрных датчиков, электросопротивление которых не зависит от температуры. Для этого берутся два провода - один с положительным, другой с отрицательным коэффициентом той же величины. Суммарный ТКС бифилярной системы при этом равен 0.

Известны литые микропровода в стеклянной изоляции с отрицательным ТКС.

Сплав по авторскому свидетельству №430176 имеет химический состав, %:

Марганец	10-16
Кремний	0,2-1,5
Алюминий	0,005-0,2
Железо	0,02-0,1
Бор	0,2-0,8
Медь	Остальное

Это позволяет получить отрицательный ТКС, равный -(1,0-1,5)·10^-4K^-1.

Сплав по авторскому свидетельству №443087, выбранный в качестве прототипа, имеет состав, вес.%:

Марганец	18-22
Никель	18-25
Кремний	2,0-4,0
Бор	1,5-4,0
Медь	Остальное

Микропровода из этого сплава имеют отрицательный ТКС -0,5·10^-4 K^-1.

Недостатком известных сплавов является ограниченный диапазон рабочих температур в отрицательной области - не ниже минус 60°C, а в области положительных температур - не выше 200°C.

Техническим результатом изобретения является расширение рабочих температур микропроводов с отрицательным ТКС (не менее -1,0·10^-4К^-1) до значений от -196 до+350°C.

Технический результат изобретения достигается тем, что сплав на основе меди для литья микропроводов и получения покрытий с отрицательным коэффициентом сопротивления, включающий марганец, никель, кремний, бор, дополнительно содержит Ge и Ga при следующем содержании компонентов (масс.%):

Марганец	18-22
Никель	18-25
Кремний	2,0-4,0
Бор	1,5-4,0
Германий	2,0-5,0
Галлий	3,0-6,0
Медь	Остальное

Под интервалом рабочих температур понимается тот диапазон температур, при котором зависимость электросопротивления от температуры носит линейный характер и после нагревания до которых не появляется остаточного сопротивления.

Введение Ge в указанных количествах расширяет диапазон рабочих температур в области положительных значений до 370 - 410°С. При менее чем 2,0% Ge существенного расширения не наблюдается; при значениях более чем 5,0% Ge наладить устойчивого процесса литья микропроводов или получения покрытий не удается.

Расширение интервала отрицательных рабочих температур достигается за счет введения в сплав Ga в количестве от 3,0 до 6,0%. При этом микропровода достигают значений рабочих температур ниже -196°С. При содержании Ga в сплаве менее 3,0% требуемого эффекта не наблюдается. При содержании Ga в сплаве более 6,0% происходит существенное охрупчивание микропровода или отслаивание покрытий от подложки.

Количество Ga взято исходя из возможности образования в сплаве интерметаллических соединений типа GaNi₃, являющихся наиболее устойчивым при воздействии отрицательных температур. За счет этого достигаются требуемые качественные характеристики.

Количество Ge взято, исходя из возможности образования в сплаве интерметаллических соединений типа GeNi, являющихся наиболее устойчивыми при воздействии положительных температур. За счет этого достигаются требуемые качественные характеристики.

Микропровода из сплава этого состава имеют следующие характеристики:

ТКС - минус (1,0-1,8)·10^-4K^-1

Диапазон рабочих температур - от -196°C до +370-410°C

Удельное сопротивление - 0,60-0,62 $$\frac{Ом•м{м}^2}{м}$$

Диаметр микропроводов - 5-10 мкм

Микропровода диаметром 5-14 мкм имеют нанокристаллическую структуру.

Покрытия, полученные, например, методами сверхзвукового холодного газодинамического или микроплазменного напыления, имеют аналогичные характеристики.

Пример 1. Выплавка сплава состава (масс.%):

Марганец	18
Никель	18
Кремний	2,0
Бор	1,5
Германий	2,0
Галлий	3,0
Медь	Остальное

Проводится в высокочастотной печи типа ЛП3-37 в алундовых тиглях емкостью 0,5 л. Последовательность введения шихтовых компонентов: (Cu+Ni)→(Si+Mn)→(Ge+Ga)→В. Микропровода из этого сплава со стеклом типа пирекс получены на установке ITMF - 3.

Свойства микропроводов следующие:

ТКС-минус 1,0 10^-4К^-1

Диапазон рабочих температур - от -196°C до +370°C

Удельное сопротивление - 0,60 $$\frac{Ом•м{м}^2}{м}$$

Диаметр микропроводов - 5 мкм

Структура сплава нанокристаллическая.

Пример 2. Выплавка сплава состава (масс.%):

Марганец	22
Никель	25
Кремний	4,0
Бор	4,0
Германий	5,0
Галлий	6,0
Медь	Остальное

Проводится в высокочастотной печи типа ЛП3-37 в алундовых тиглях емкостью 0,5 л. Последовательность введения шихтовых компонентов: (Cu+Ni)→(Si+Mn)→(Ge+Ga)→В. Микропровода из этого сплава со стеклом типа пирекс получены на установке ITMF-3.

Свойства микропроводов следующие:

ТКС-минус 1,8·10^-4К^-1

Диапазон рабочих температур - от -196°C до +410°C

Удельное сопротивление - 0,62 $$\frac{Ом•м{м}^2}{м}$$

Диаметр микропроводов - 10 мкм.

Полученные микропровода диаметром от 10 до 40 мкм имеют нанокристаллическую структуру.

Пример 3. Выплавка сплава состава (масс.%):

Марганец	18
Никель	18
Кремний	2,0
Бор	1,5
Германий	2,0
Галлий	3,0
Медь	Остальное

Проводится в высокочастотной печи типа ЛП3-37 в алундовых тиглях емкостью 0,5 л. Последовательность введения шихтовых компонентов: (Cu+Ni)→(Si+Mn)→(Ge+Ga)→В. После получения слитка производилось дробление на щековой дробилке типа РВ-54 до фракции 5-7 мм. После этого полученные гранулы с помощью универсальной дезинтеграторно-активаторной технологии обрабатывались на установке ДЕЗИ-15 до фракции 60±10 мкм, а затем наносились с помощью установки ДИМЕТ-3 на керамическую подложку из 22ХС в виде дискретных металлических «дорожек» толщиной 100-120 мкм и шириной 5±1 мм.

Нанесенные покрытия методом микроплазменного напыления имеют следующие характеристики:

- ТКС в диапазоне рабочих температур от -196°C до +350°C составляет -(1,2-1,4)·10^-4К^-1;

- удельное сопротивление 0,58±0,02 $$\frac{Ом•м{м}^2}{м}$$

- твердость 102±4 НВ, что указывает на высокую износостойкость покрытия.

Полученные покрытия имеют ультрадисперсную структуру.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №430176, C22C 9/10, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР №443087, C22C 9/06, 1974.

3. По пути созидания // Сборник исторических очерков о научном вкладе института в развитие отечественной промышленности, под редакцией академика РАН И.В.Горынина. СПБ.: 2009.

Cплав на основе меди, включающий марганец, никель, кремний, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит германий и галлий при следующем содержании компонентов, мас.%:

Марганец	18,0-22,0
Никель	18,0-25,0
Кремний	2,0-4,0
Бор	1,5-4,0
Германий	2,0-5,0
Галлий	3,0-6,0
Медь	остальное