КОМПОЗИЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ МЕДИ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
COPPER-BASED NANOSTRUCTURED ELECTRIC CONTACT COMPOSITE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к композиционным электроконтактным материалам на основе меди, предназначенным для изготовления разрывных электрических контактов.
Работоспособность электрических контактов зависит от высокой электропроводности, механической прочности, твердости, низкого переходного сопротивления и отсутствия свариваемости. Эти свойства являются структурно-чувствительными и поэтому существенно зависят от фазового и химического состава, дисперсности, пористости и равномерности распределения дугогасящих и дисперсно-упрочняющих добавок в матричном материале.
В отношении композиционных электроконтактных материалов на основе меди существует проблема получения структуры с равномерным распределением добавок. Известны спеченные электроконтактные материалы на основе меди (патент РФ №2415958, МПК С22С 1/05, Н01Н 1/025, С22С 9/00, опубликованый 20.07.2003). В качестве дугогасящей добавки используется нанопорошок оксида цинка.
Для обеспечения более равномерного распределения частиц оксида цинка в матричном материале на первом этапе готовят лигатуру из порошков меди, нанопорошка оксида цинка и алюминия с соотношением меди и алюминия в лигатуре - 94% Cu и 6% Al, обосновываясь тем, что при нагреве до температуры 640-650°С в соответствии с диаграммой состояния Cu-Al идет экзотермическая реакция с образованием алюминиевой бронзы, в которой равномерно распределяются частицы нанопорошка оксида цинка. На втором этапе для приготовления шихты в шаровой мельнице смешивали порошки меди, вольфрама, заранее приготовленной лигатуры и пластификатора (в качестве пластификатора использован 4%-ный водный раствор поливинилового спирта). Количество лигатуры по отношению к порошку меди в составе смеси составляет 4 мас.%. Спекание образцов проводили в 2 этапа в вакууме. Начальный этап проходил в течение 1 часа при температуре 300°С для выжигания остатков пластификатора и частичного восстановления окисленных порошков меди. На конечном этапе температура составляла 940±20°С и время выдержки t=2-3 часа.
Недостатком известного материала является высокая пористость и неравномерность распределения нанопорошка оксида цинка в композиционном электроконтактном материале. Присутствие лигатуры в количестве 4 мас.% слишком мало для того, чтобы устранить эффект агломерации нанопорошка оксида цинка. Наличие пластификатора способствует прессуемости образцов электроконтактов, но увеличивает время спекания, что способствует росту зерна. Все названные факторы снижают физико-механические свойства композиционного электроконтактного материала.
Недостатком способа механического смешивания шихты для получения электроконтактного материала является неравномерность и неоднородность распределения дугогасящих и дисперсноупрочняющих добавок в материале электроконтактов, наличие крупных непроводящих ток агломератов нанопорошка оксида цинка, что негативно сказывается на качестве электроконтактного материала.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления порошкового металлокерамического материала Cu-Cd/CdO для электроконтактов (патент РФ №2401314, МПК Н01Н 1/025, С22С 1/05, С22С 9/00, опубликованный 10.10.2010). В нем предложен альтернативный способ введения дугогасящих добавок, позволяющих повысить однородность структуры электроконтактного материала, включающий приготовление шихты путем смешивания готовых компонентов, холодное брикетирование, спекание, допрессовку и отжиг. Готовят шихту, содержащую порошки меди и кадмия с раствором термически нестабильной соли кадмия, сушат и термообрабатывают ее при температуре 300-500°С. Полученную шихту подвергают холодному брикетированию и далее заготовки спекают при температуре 800-1000°С в течение 1-2 часов. После чего проводили допрессовку и отжиг при температуре 400-600°С в течение 1 часа для снятия остаточных напряжений и оптимизации микроструктуры электроконтактного материала.
Недостатком известного материала электроконтактов (далее композиционный электроконтактный материал) является использование в нем в качестве дугогасящей добавки высокотоксичного оксида кадмия. Известно, что кадмий способен накапливаться в организме человека, вызывая поражения центральной нервной системы, печени и почек, нарушая фосфорно-кальциевый обмен, приводящий к анемии и разрушению костей. Особенно опасным является вдыхание паров оксида кадмия, которые образуются как в процессе изготовления электроконтактного материала, так и в процессе эксплуатации электроконтактов.
Недостатком известного способа получения материала (композиционного электроконтактного материала) является наличие дополнительной операции термообработки шихты, при температуре 300-500°С. Увеличивается время технологического процесса получения шихты для приготовления композиционных электроконтактных материалов. Все термические операции необходимо проводить в специальных печах с защитной атмосферой с целью предотвращения окисления порошков меди. На всех операциях термической обработки происходит выделение паров оксида кадмия, что требует соблюдения жестких мер безопасности.
В основу изобретения положена задача повышения однородности микроструктуры, снижение внутренней пористости за счет равномерности распределения дугогасящей добавки, уменьшения количества и размеров агломератов в композиционном электроконтактном материале. Также предлагаемое изобретение направлено на снижение токсичности композиционного электроконтактного материала как при его изготовлении, так и при эксплуатации электроконтактных изделий на его основе.
Поставленная задача решается тем, что в композиционном электроконтактном материале на основе меди, содержащем дугогасящую добавку, согласно изобретению, в качестве дугогасящей добавки используют нанопорошок диоксида титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:
2
TiO - 1-3;
Cu - остальное.
Поставленная задача решается тем, что способ получения композиционного электроконтактного материала на основе меди, содержащего дугогасящую добавку, по п.1 включает приготовление шихты путем смешивания порошков меди и дугогасящей добавки, прессование, спекание, допрессовку и отжиг, при этом смешивание порошков осуществляют ультразвуком не менее чем в два этапа, причем на первом этапе смешивают нанопорошок диоксида титана с этиловым спиртом, после чего в полученную смесь вводят порошок меди.
2
2
Предлагаемое изобретение осуществляют следующим образом: в ультразвуковую ванну помещают емкость с этиловым спиртом и навесками порошков меди и дугогасящей добавки. Время смешивания зависит от общего объема получаемой шихты. Ультразвук позволяет достаточно быстро и качественно разбить агломераты нанопорошка и равномерно смешать порошки материалов, отличающихся плотностью и дисперсностью. С целью получения качественной однородной шихты целесообразно смешивание порошков разделить не менее чем на два этапа, первым из которых является смешивание ультразвуком этилового спирта с нанопорошком дугогасящей добавки (TiO) для уменьшения количества и размеров агломератов. Добавление порошка меди в суспензию из спирта и TiO также можно разделить на две-три части, что тоже позволит повысить однородность смешивания шихты. Этиловый спирт использовали в качестве среды для измельчения агломератов и смешивания порошков, так как он в процессе смешивания не окисляет используемые порошки и сравнительно дешев.
Сушку шихты проводили в лабораторном сушильном шкафу, так как пары этилового спирта не опасны для жизнедеятельности человека и не требуют соблюдения специальных мер безопасности. Для испарения этилового спирта не требуется высоких температур, способных окислить порошки меди, поэтому сушку шихты можно проводить на воздухе, не используя специальные защитные среды.
Дальнейшие технологические операции изготовления образцов электроконтактов, такие как прессование, спекание, допрессовка, отжиг, полностью соответствуют стандартным операциям, используемым в порошковой металлургии. Причем, сочетание порошков различной дисперсности позволяет без пластификатора обеспечить удовлетворительную плотность прессовок. Отсутствие пластификатора снижает время спекания, способствует увеличению плотности образцов электроконтактов из заявляемого композиционного материала и образованию дисперсной равномерной структуры.
3
3
Пример: Для изготовления партии электроконтактов типа ПП ⌀ 8 мм (100 штук по ГОСТ 3884-77) из заявляемого композиционного электроконтактного материала на основе меди брали 2,5 г нанопорошка диоксида титана, 97,5 г порошка меди и 200 мл 96%-ного этилового спирта. Плотность меди составляет - 8,92 г/см, диоксида титана - 4,235 г/см, средний размер частиц порошка меди - 50 мкм и нанопорошка диоксида титана - 21 нм. Для получения однородной шихты сначала емкость с нанопорошком диоксида титана и этиловым спиртом помещали в ультразвуковую ванну для разрушения агломератов. Далее, не выключая ультразвуковую ванну, в полученную суспензию вводили часть (~1/3) порошка меди, через некоторое время еще примерно треть. На последнем этапе добавляли оставшийся порошок меди. Шихту смешивали ультразвуком в течение 20-30 мин на каждом этапе. Полученную однородную массу подвергали сушке в лабораторном сушильном шкафу при температуре 60-70°С в течение часа и гранулировали. Образцы прессовали в жесткой матрице при удельном давлении Р≤300 МПа. Прессовки спекали в среде аргона при температуре Т=950±10°С, время изотермической выдержки составляло t=2 ч. Спеченные образцы допрессовывали при удельном давлении Р=1000 МПа, после чего для снятия остаточных напряжений подвергали отжигу в среде аргона при Т=500±10°С в течение t=1 ч.
Предлагаемым способом были получены и исследованы образцы композиционных электроконтактных материалов на основе меди с дугогасящей добавкой нанопорошка диоксида титана. Для наглядности составы и свойства полученных композиционных электроконтактных материалов в сравнении с известным электроконтактным материалом (патент РФ №2401314) приведены в табл.1.
Таблица 1
Состав, мас.%
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Твердость, HRF
Электросопротивление, мОм·см
Электроэрозионный износ, г/цикл 10<sup>-6</sup>*
Cu
TiO<sub>2</sub>
99,5
0,5
8,64
57
1,74
15,5
99
1
8,56
68
1,87
8,9
97,5
2,5
8,31
72
1,97
6,7
97
3
8,29
72
2,01
9,2
96
4
8,26
73
2,11
12,8
Известный материал (пат. РФ №2401314)
8,6-8,8
НВ 58-66
2,3-3,6
6,3-14,5
* - цикл «включение-отключение»
Равномерность распределения дугогасящей добавки исследовалась в шихте, прессовке и готовом композиционном электроконтактном материале при помощи электронного микроскопа. На образцах электроконтактов измеряли твердость по методу Роквелла на приборе ТР50-14, по шкале HRF при нагрузке 588 Н, в качестве индентора использовали стальной шарик d=1,588 мм. Образцы испытали на электроэрозионный износ на лабораторной установке (5000 циклов включения-отключения) при следующих режимах:
сила тока I=24,5 А;
напряжение U=380 В;
усилие прижима контактов 20 Н.
Электросопротивление измеряли двухзондовым методом на специализированном лабораторном стенде.
2
2
2
Из таблицы можно заключить, что введение в состав композиционного электроконтактного материала на основе меди нанопорошка TiO приводит к снижению электропроводности и плотности. Незначительный рост электрического сопротивления при введении нанопорошка (в количестве от 0 до 4 масс.%) обусловлен объемным вкладом непроводящего оксида титана в структуру материала. Содержание TiO в составе электроконтактного материала более 4 мас.% приводит к резкому росту удельного электросопротивления и пористости. В то же время, при концентрации TiO менее 0,5 мас.%, несмотря на низкое удельное электросопротивление и высокую плотность, наблюдается низкая электроэрозионная стойкость композиционного электроконтактного материала.
2
Выявлено повышение твердости композиционного электроконтактного материала с ростом концентрации TiO, что косвенно подтверждает проявление дисперсионного упрочнения.
2
Проведенные исследования показали, что использование нанопорошка TiO в составе композиционного электроконтактного материала на основе меди повышает твердость и дугостойкость (сопротивление электроэрозионному износу) электроконтактов. Лучшим комплексом свойств обладает состав композиционного электроконтактного материала на основе меди с концентрацией нанопорошка диоксида титана 2,5 мас.%.
Применение композиционного электроконтактного материала на основе меди, изготовленного по предложенному способу, с использованием безопасного для здоровья нанопорошка диоксида титана в качестве дугогасящей добавки, позволяет снизить токсичность при изготовлении композиционного электроконтактного материала и при эксплуатации электроконтактнов на его основе получить равномерную дисперсную микроструктуру материалов электроконтактов и обеспечить качество, надежность и долговечность коммутационных аппаратов.