ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА ДЛЯ СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА
CHARGE FOR PRODUCTION OF MATERIAL FOR HIGH-CURRENT CONTACTS AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники.
Изобретение относится к производству электроконтактных графито-медных материалов для сильноточных электрических контактов методами порошковой металлургии, в частности к шихте и способу получения из нее материала для этих контактов.
Предшествующий уровень техники.
В сильноточных (в смысле высокая плотность тока) скользящих электрических контактах, таких как коллекторно-щеточный узел, токосъемный узел электрифицированного транспорта, подъемно-транспортных устройств широко применяются углеродно-медные и медно-углеродные материалы.
Основным недостатком этих материалов является отсутствие физико-химического взаимодействия между медью и углеродом. Медь не образует карбидов. Краевой угол смачивания жидкой медью графита составляет 140° при температуре 1100°С, т.е. медь не смачивает и не проникает в углерод.
Известно, что легирование меди металлами IV-VI группы таблицы Менделеева уменьшает краевой угол смачивания углерода медью до 40-0°.
Так, добавка 1% мас. Cr снижает краевой угол смачивания до 40°, а добавка в медь 10% Cr снижает краевой угол смачивания до 20° при температуре 1200°С. Добавка 5% Ti в медь снижает краевой угол смачивания графита при 1200°С практически до 0°, так что медь самопроизвольно растекается по графиту.
Такой подход для получения медно-графитовых материалов для электрических контактов использован в патенте RU 2088682С1.
В соответствии с одним из аспектов изобретения по патенту RU 2088682 шихта для получения материала может содержать следующие компоненты,  мас.%:
Частицы графита
10-60
По крайней мере один карбид
металла IV VI групп Периодической системы
25-40
По крайней мере один металл,
выбранный из группы, содержащей
титан, цирконий, гафний и хром
3,50-5,00
Медь
Остальное
Способ получения материала из данной шихты включает смешение частиц графита, плакированных карбидом, по крайней мере, одного металла IV-VI групп периодической системы с порошками меди или ее сплавов и порошками титана, циркония, гафния и хрома, формование из готовой смеси материала путем одноосного прессования с нагрузкой 5-25 МПа и спекание материала в вакууме при температуре от 1100 до 1600°С или в атмосфере защитного газа (азота или аргона) при температуре 1350-1660°С.
Однако приготовить сплав системы Cu-Ti-C довольно сложно из-за высокого сродства к кислороду у титана. Это приводит к уходу практически всего титана в шлак при плавке в атмосфере воздуха. Проблемы окисления титана существуют и при плавках в вакуумных печах. Обычно сначала в вакуумных печах приготавливают лигатуру, которой затем легируют расплавленную медь в вакуумных печах. Пропитку углерода расплавом Cu-Ti также следует проводить в отсутствие кислорода.
При производстве медно-графитового или графито-медного материала методами порошковой металлургии остаются те же проблемы. Спекание порошка сплава Cu-Ti с графитом также следует проводить в защитной атмосфере или в вакууме в отсутствие кислорода. Спекание меди обычно проводят при температурах 800-900°С, когда медь не расплавляется. В твердом состоянии титан может не успеть продиффундировать в достаточном количестве к границам с углеродом для образования карбидов.
Если изготовить смесь порошков меди, титана и углерода, то спекать такую смесь также необходимо в отсутствие кислорода.
Раскрытие изобретения.
Задачей изобретения является разработка простого способа изготовления графито-медного материала, в котором медь надежно смачивает графит и не собирается в глобули и не выпотевает из графита при плавлении.
Поставленная задача решается шихтой для изготовления материала для сильноточных электрических контактов, которая содержит частицы меди, графита и гидрида титана при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Медь
20-85
Гидрид титана
1-10
Графит
остальное
В частных воплощениях шихты размер частиц графита составляет 40-80 мкм, а размер частиц меди и гидрида не превышает 100 мкм.
2
Поставленная задача также решается способом изготовления материала для сильноточных электрических контактов, в соответствии с которым осуществляют смешение частиц графита, гидрида титана и меди в заданном соотношении для получения вышеописанной шихты, получение из шихты заготовки материала путем  спекания заготовки пропусканием импульсов электрического тока с плотностью 200-500 А/мм с одновременным одноосным обжатием материала.
В иных воплощениях изобретения одноосное обжатие при спекании осуществляют под давлением 150-600 МПа.
При этом возможно одноосное обжатие при спекании осуществлять электродами, подводящими импульсы тока.
Сущность предложенного технического решения состоит в следующем.
Изготавливается шихта в виде смеси порошков природного графита, гидрида титана и меди. Содержание компонентов выбрано из следующих соображений.
Содержание гидрида титана в шихте должно составлять от  1 до 10% мас. Оно рассчитывается в зависимости от количества меди таким образом, чтобы гидрид титана обеспечивал надежную смачиваемость меди, что обеспечивается заявленными переделами его содержания. При выходе за заявляемые пределы содержания гидрида титана в шихте, при содержании меньше 1% не обеспечивается надежное смачивание меди графитом, при содержании больше 10% увеличивается удельное электрическое сопротивление материала
Заявленное содержание меди в шихте совместно с заявленным содержанием гидрида титана обеспечивают необходимое удельное электрическое сопротивление и самосмазывающие свойства материала. При выходе за заявляемые пределы содержания в шихте меди происходит следующее: при снижении содержания меди менее 20% увеличивается удельное электрическое сопротивление, при превышении содержания меди более 85% снижаются самосмазывающие свойства материала.
Для некоторых воплощений изобретения регламентируется размеры чешуек природного графита и порошинок меди и гидрида титана.
Размер чешуек природного графита составляет от 40 до 80 мкм. Размеры частиц меди и гидрида титана не должны превышать 100 мкм. При таком ограничении размеров порошка обеспечивается необходимая плотность при спекании и прессовании.
Способ получения материала осуществляется в соответствии со следующим.
Готовится смесь частиц графита с гидридом титана и меди.
Для создания надежного контакта гидрида титана с графитом сначала смешиваются частицы графита и гидрида титана, а затем добавляется порошок меди и готовится окончательная смесь.
Такую смесь можно спекать электроимпульсным методом с одновременным одноосным обжатием в атмосфере воздуха.
2
Гидрид титана начинает разлагаться при температуре 400°С. При температурах 800-1200°С, которые развиваются обычно при спекании путем пропускания импульсов электрического тока с плотностью 200-500 А/мм с одновременным одноосным обжатием под давлением 150-400 МПа, гидрид титана разлагается практически полностью.
Выделяющийся водород создает на короткий период восстановительную атмосферу, восстанавливая оксиды меди и не давая окисляться титану. Если титан не окисляется, то он образует карбиды на поверхности графита, значительно улучшая взаимодействие меди с углеродом, при этом медь надежно смачивает графит.
2
2
При выходе за заявляемые интервалы плотности тока, при значении меньше 200 А/мм медь может не расплавиться и не растечься по графиту, а при значении более 500 А/мм могут подплавиться или выгореть электроды.
Изобретение можно проиллюстрировать на следующем конкретном примере. Материал изготавливали по следующей технологии:
2
1. В заданном соотношении смешивали графит с размером частиц 40-80 мкм и TiH с размером частиц от 50 до 100 мкм в смесителе типа «пьяная бочка» со скоростью 30 об/мин в течение часа.
2. К этой смеси добавляли частицы меди с размером 50 до 100 мкм. Полученную смесь смешивали в смесителе типа «пьяная бочка» со скоростью 30 об/мин в течение часа с получением шихты.
3. Полученную шихту помещали в матрицу из изолирующего материала. Матрица представляла собой трубку с не запаянными торцами.
2
4. Затем проводили спекание с помощью подвижных медных водоохлаждаемых электродов диаметром 12-0,05 мм, одновременно выполняющих роль пуансонов. Между электродами и сформованной заготовкой помещались круглые вольфрамовые пластины толщиной 0,1 мм. Электроды-пуансоны прижимались к торцам сформованной заготовки давлением 150-400 МПа. Между электродами пропускался электрический ток плотностью 200-500 А/мм в течение 2 с.
В результате получали образцы материала с размерами: высотой 5-8 мм, диаметром 12 мм, из которых механической обработкой изготавливали образцы для измерения плотности, электрического сопротивления, твердости по Бринеллю.
2
Как показывает наш опыт, предел прочности на сжатие композиционного материала, полученного из смеси порошков Cu-C-TiH электроимпульсным спеканием, составляет 200 МПа, что примерно в 2-3 раза выше предела прочности на сжатие композиционного материала, полученного из смеси порошков Cu-C-Ti электроимпульсным спеканием, и в 4-5 раз выше предела прочности аналогично полученного материала из смеси Cu-С.
В табл.1 приведены составы шихты материала и параметры получения этого материала, а также приведены свойства этих составов.
Как следует из представленных данных, изобретение позволяет получить материал, изготовленный по упрощенной технологии без применения вакуума или защитных атмосфер, пористость которого составляет 1-5%, в котором медь надежно смачивает частицы графита, его удельное электрическое сопротивление составляет от 0,2 до 0,6 мкОм.м, а прочностные свойства материала позволяют использовать его для производства сильноточных электроконтактных изделий.
№ состава
Состав шихты, мас.%
Размер частиц, мкм
Параметры способа получения материала
Свойства полученного материала
Гидрид титана
Медь
Графит
Гидрид титана
Медь
Графит
Плотность тока при спекании, А/мм<sup>2</sup>
Давление при одноосном формовании и спекании
Плотность материала, г/см<sup>3</sup>
Удельное электрическое сопротивление, мкОм.м
Коэффициент трения по меди
Предел прочности на сжатие, МПа
1.
1,5
20
остальное
50-100
50-100
40-80
200
200
2,62
1,2
0,15
120
2.
4
40
80-100
80-100
40-80
400
300
3,25
0,3
0,22
180
3.
1,0
30
50-100
50-100
40-80
300
250
2,86
0,4
0,18
160
4.
10
85
60-100
60-100
40-80
500
400
7,19
0,09
0,33
250