Износостойкий резистивный сплав на основе меди с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления
WEAR-RESISTANT COPPER BASED ALLOY WITH NEGATIVE TEMPERATURE COEFFICIENT OF RESISTANCE

Изобретение относится к области создания резистивных сплавов на основе меди для получения износостойких покрытий с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).
Покрытия из таких сплавов используются в качестве термокомпенсаторов при создании миниатюрных датчиков, электросопротивление которых не зависит от температуры. Для этого берутся два материала - один с положительным, другой с отрицательным коэффициентом той же величины. Суммарный ТКС бифилярной системы при этом равен 0.
Известны сплавы на основе меди с отрицательным ТКС для получения покрытий, микропроводов, тонких пленок (а.с. №430176, 443087, патент РФ №2525876).
Патент №2525876 взят в качестве сплава-прототипа, который является наиболее близким по свойствам и химическому составу к предлагаемому сплаву и имеет следующее содержание компонентов (масс. %):
марганец
18,0-22,0
никель
18,0-25
кремний
2,0-4,0
германий
2,0-5,0
галлий
3,0-6,0
бор
1,5-4,0
медь
остальное
Общим недостатком известных сплавов, является их недостаточная микротвердость и, как следствие, низкая стойкость к износу при воздействии механических нагрузок, а также ограниченный диапазон рабочих температур от - 60°С до + 200°С.
Современное прецизионное машино- и приборостроение выдвигает жесткие требования к специальным элементам по микротвердости - не ниже 9-12 ГПа.
-4
-1
Техническим результатом изобретения является разработка сплава на основе меди с отрицательным ТКС (1 ⋅ 10К) для получения функциональных покрытий с микротвердостью не ниже 9,0 ГПа.
2
Технический результат изобретения достигается тем, что сплав на основе меди для получения покрытий с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и высокой микротвердостью, включающий марганец, никель, германий, галлий дополнительно содержит церий, лантан, иттрий и диборид титана TiB при следующем содержании компонентов (масс. %):
марганец
18,0-22,0
никель
18,0-25,0
германий
2,0-5,0
галлий
3,0-6,0
церий
0,6-0,9
лантан
0,4-0,8
иттрий
0,5-0,9
диборид титана
6,0-9,0
медь
остальное
-4
-1
Выбранное количество марганца и никеля, как и в сплаве - прототипе, определяет электрические свойства сплава - отрицательный ТКС, равный 1 ⋅ 10 К и удельное сопротивление -
Так же, как в прототипе предлагаемый сплав содержит в своем составе количество германия, равное 2,0 - 5,0%, и галлия, равное 3,0 - 6,0% для обеспечения широкого интервала рабочих температур (от -196 до +400°С). При введении германия менее 2% существенного расширения рабочих температур не наблюдается, при значениях более 5% наладить устойчивый процесс нанесения покрытий не удается. Расширение интервала рабочих температур в отрицательной области до -196°С достигается за счет введения галлия в количестве от 3,0% до 6,0%. При содержании галлия менее 3,0% требуемого эффекта не наблюдается. При содержании галлия более 6,0% происходит отслаивание покрытия от подложки.
Для получения качественных функциональных покрытий с использованием перспективного метода сверхзвукового холодного газодинамического напыления необходимо рафинировать сплав, т.е. удалить из него газовые включения (кислород, азот, водород). Это обеспечивается за счет комплексного введения в сплав редкоземельных элементов - церия, имеющего наибольшее сродство к кислороду, лантана, имеющего наибольшее сродство к водороду, иттрия, имеющего наибольшее сродство к азоту. Оптимальное количество вводимых РЗЭ следующее: церия - 0,6 - 0,9%; лантана - 0,4 - 0,8%; иттрия - 0,5 - 0,9%. Экспериментально установлено, что только комплексное введение этих компонентов обеспечивает требуемый эффект рафинирования сплава. При меньшем, чем указано количестве - эффект рафинирования не достигается; при большем - наблюдается охрупчивание полученного функционального покрытия и его отслоение от подложки.
2
2
-4
-1
Для повышения микротвердости в сплав дополнительно вводится наноразмерный порошок диборида титана (40 - 80 нм), имеющий в исходном состоянии микротвердость 34,8 ГПа. Экспериментально установлено, что введение в сплав менее 6% TiB дает незначительный прирост микротвердости; при большем, чем 9%, появляется охрупчивание сплава. При оптимальном содержании TiB, равном 6,0 - 9,0% достигается повышение микротвердости в покрытии 12,2 - 15,6 ГПа при сохранении отрицательного ТКС, равного (1,0-1,5)⋅10К в широком интервале рабочих температур (от -196 до +400°С).
Ниже приводится конкретный пример получения функционального покрытия из предлагаемого сплава.
2
Выплавка сплава двух граничных составов производилась в высокочастотной печи типа ЛЗ - 13, мощностью 10 кВт с рабочей частотой 880 кГц в алундовых тиглях емкостью 1 кг. Последовательность введения шихтовых компонентов следующая: (Cu+Ni)→Ga→Mn→Ge→(Се+La+Y)→TiB
Выплавленные составы сплавов следующие (масс. %):
1.
марганец
18,0-18,2
никель
18,0-18,1
германий
2,0-2,005
галлий
3,0-3,005
церий
0,6-0,601
лантан
0,4-0,402
иттрий
0,5-0,501
диборид титана
6,0-6,2
медь
остальное
2.
марганец
21,8-22,0
никель
24,9-25,0
германий
4,995-5,0
галлий
5,995-6,0
церий
0,899-0,9
лантан
0,798-0,8
иттрий
0,899-0,9
диборид титана
8,8-9,0
медь
остальное
После получения слитков производилось дробление на щековой дробилке типа РБ-54 до фракции 5-7 мм. После этого полученные гранулы с помощью универсальной дезинтеграторно-активаторной технологии обрабатывались на установке ДЕЗИ-15 до фракции 50±10 мкм, а затем наносились с помощью установки сверхзвукового холодного газодинамического напыления ДИМЕТ-3 на керамическую подложку из 22ХС в виде дискретных металлических дорожек толщиной 80÷120 мкм и шириной 6±1 мм.
У полученных покрытий были измерены основные характеристики (табл. 1).
Характеристики полученных покрытий из предлагаемого сплава
-4
-1
Из таблицы видно, что полученные образцы имеют высокое значение микротвердости(12,2 - 15,6 ГПа) при сохранении отрицательного ТКС, равного минус (1,0-1,5) 10К.
Предлагаемый сплав рекомендуется для создания на его основе термокомпенсаторов миниатюрных датчиков схемных элементов сопротивления.