МЕТАЛЛООКСИДНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РАЗРЫВНЫХ ЭЛЕКТРОКОНТАКТОВ
METAL-OXIDE MATERIAL FOR BURSTING ELECTRIC CONTACTS

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к получению композиционных материалов для разрывных электроконтактов и изделий из них методами порошковой металлургии.
2
Известны материалы разрывных электроконтактов для низковольтной аппаратуры, основой которых является высокоэлектропроводный металл - серебро или медь, а в качестве функциональной добавки, придающей контактам высокий уровень служебных свойств - оксиды металлов [Мастеров В.А., Саксонов Ю.В. Серебро, сплавы и биметаллы на его основе. - М.: Металлургия, 1979. 296 с.; Braunovic M., Konchits V.V., Myshkin N.K. Electrical contacts. Fundamentals, applications and technology. London New York: CRC Press, 2006. 639 p.]. Наиболее эффективными в этом отношении признаны: оксид кадмия (CdO), используемый для этих целей уже более 60 лет (впервые предложен в 1939 г. [Hensel F.R. Electric contact material / US Pat. N 2,145,690, 1939.]), и диоксид олова (SnO - предложен в 1949 г. [Stumbock Max J. Electrical contact element containing tin oxide / US Pat. N 2,486,341, 1949]). Диоксид олова широко используется только в последние десятилетия, приходя на замену токсичному оксиду кадмия. Нашли также некоторое применение оксиды меди и цинка.
Известны также металлокерамические материалы на основе меди с добавкой оксида кадмия Cu-(2,5…20%)CdO [Davies Т.А., Douglas P., Pedder D.J. Improvements in or relating to electrical contact materials / UK Pat. N 1376626, 1974. Davies ТА., Douglas P., Pedder D.J. Cu-[Ag]-CdO electric contact materials / US Pat. N 3,893,820, 1975].
2
2
3
4
5
Оксиды-добавки в известные электроконтактные материалы (CdO, SnO, CuO и ZnO) не являются типичными оксидами-изоляторами, тем не менее имеют достаточно высокое удельное электросопротивление (порядка 0,1…0,5 Ом·см - у CdO, 3·10…8·10 Ом·см - у SnO и ~10 Ом·см - у СuО и ZnO [Лазарев В.Б., Красов В.Г., Шаплыгин И.С. Электропроводность окисных систем и пленочных структур. - М.: Наука, 1979. 168 с.]).
2
Недостатки контактных материалов с добавками указанных оксидов заключаются в том, что электропроводность материала и контактов на его основе заметно снижается, что приводит к повышенным потерям электроэнергии в работающих контактах с последующим повышением их температуры и, в конечном счете - к снижению срока их службы. Так например, металлокерамический серебряный материал КМК-А00 (99,9% Ag) имеет удельное электросопротивление ρ=0,019 мкОм·м. Добавка 15% CdO к серебру повышает величину ρ до 0,028…0,030 мкОм·м, 10% CuO до 0,024…0,025 мкОм·м, а 8…12% SnO - до 0,022…0,026 мкОм·м.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому в изобретении является металло-оксидный материал для разрывных электроконтактов, включающий серебро и оксид олова в количестве 10-12%, а также допирующие оксид олова добавки [Jost E.M., McNeilly К.. Electrically Conductive Material and Method of Making / US Pat. N 5,963,772, 1999 (прототип)].
2
Однако, несмотря на допирование и применение специальных технологических приемов, авторы указывают, что электропроводность изготовленных материалов не превышает традиционно получаемых для таких материалов величин. Добавки CdO, SnO и других применяемых оксидов существенно повышают удельное электросопротивление готовых контактных материалов, что неизбежно снижает эксплуатационные свойства и экономические характеристики контактов. Это наблюдается независимо от конкретной технологии производства.
Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик разрывных электроконтактов из металло-оксидных материалов, расширение номенклатуры контактных материалов, а также повышение экологической безопасности при использовании электроконтактной продукции.
Поставленная задача решается применением новой, высокоэлектропроводной оксидной добавки к металлической основе, что ведет к повышению электропроводности контактных материалов.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в снижении потерь электроэнергии и увеличении срока службы контактных элементов, а также в стабилизации режима работы и повышении надежности электроаппарата с такими контактами.
2
4
Технический результат достигается тем, что в металло-оксидном материале для разрывных электроконтактов, состоящем из металлической основы - серебро или медь и оксидной добавки, новым является то, что в качестве оксидной добавки содержит высокоэлектропроводящее оксидное химическое соединение - станнат кадмия (CdSnO), причем содержание оксидного компонента в материале находится в пределах 10-15 мас.%.
Эти признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
2
4
2
2
4
2
4
-4
Существо предлагаемого технического решения заключается в том, что в качестве оксидной добавки в металлическую основу материала вводят высокоэлектропроводное оксидное соединение - станнат кадмия CdSnO, компонентами которого являются оба наиболее эффективных в функциональном отношении оксида - CdO и SnO. При этом физико-химическая сущность добавки сохраняется, но электропроводность готового материала повышается вследствие весьма низкого значения удельного сопротивления CdSnO, имеющего металлический характер проводимости, ρ ~ 4·10 Ом·см [Ismail R.A., Tawfiq S.A., Hababa R., Sabry R.S., Abdulrazaq O.A.. Pulsed Laser Deposition of Crystalline CdSnO Thin Film // e-J. Surf. Sci. Nanotech. Vol.5 (2007), 152-154.]. Это на 3-7 порядков величины ниже, чем у индивидуальных оксидов-компонентов.
2
4
Повышение электропроводности контактного материала снижает омические потери электроэнергии в контактных элементах, их рабочую температуру и, следовательно, температуру соответствующих деталей и узлов электроаппарата, что ведет к стабилизации режима работы и повышению надежности аппарата. Немаловажное значение, с точки зрения все более повышающихся экологических требований, имеет понижение содержания токсичного кадмия в электроконтактах по сравнению с материалами системы Ag-CdO: при одинаковом массовом содержании оксидной добавки контакты с CdSnO содержат кадмия на 38 мас.% меньше.
2
Для практической апробации предлагаемого технического решения были изготовлены образцы электроконтактных материалов на основе серебра и меди с добавкой 12% станната кадмия, в количественном отношении аналогичной распространенным промышленным контактным материалам, а также образцы с таким же содержанием индивидуальных оксидов состава Ag-12CdO и Ag-12SnO в качестве сравнительных. Размеры образцов: 3×3×25 мм.
Способ изготовления образцов материалов включает следующие основные операции:
- приготовление шихты путем смешения порошковых компонентов,
- холодное брикетирование в стальной пресс-форме,
- термообработку-спекание,
- холодное уплотнение-допрессовку в стальной пресс-форме,
- отжиг.
Давление прессования-брикетирования - 2,2-4,5 кбар, уплотнения-допрессовки - 10-14 кбар. Операции термообработки проводили в аргоне. Спекание материалов на основе серебра осуществляли в течение часа при температуре 820±10°С, на основе меди - при 930±10°С, отжиг - соответственно, при 440±10°С и 540±10°С в течение 0,5 ч.
3
2
2
2
4
Эта технологическая схема включает также предварительный синтез и приготовление порошков серебра известным методом осаждения из раствора AgNO гидроксидом натрия с дальнейшей фильтрацией, промывкой и прокаливанием на воздухе. Станнат кадмия синтезировали путем отжига стехиометрической смеси порошков оксидов CdO и SnO квалификации «чда», с последующим измельчением в планетарно-центробежной мельнице до дисперсности частиц порядка 2-5 мкм. Для материалов стандартных составов (Ag-12CdO, Ag-12SnO) порошки оксидов также обрабатывали в планетарно-центробежной мельнице по тем же самым режимам. Результат синтеза соединения CdSnO контролировали рентгенофазовым анализом. Порошок меди использовали промышленный электролитический, марки ПМС-А.
На приготовленных образцах проведены измерения их плотности и удельного электросопротивления при комнатной температуре. Результаты представлены в таблице. Плотность образцов материалов измеряли методом гидростатического взвешивания, электросопротивление - двухзондовым методом.
Состав, мас.%
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Электросопротивл., мкОм·м
Ag (металлокерамический)
10,07
0,020
Ag-12 Cd<sub>2</sub>SnO<sub>4</sub>
9,72
0,025
Ag-12 CdO
9,75
0,029
Ag-12 SnO<sub>2</sub>
9,73
0,030
Сu (металлокерамический)
8,62
0,021
Сu-12 Cd<sub>2</sub>SnO<sub>4</sub>
8,45
0,027
Как показали измерения, добавка станната кадмия снижает удельное электросопротивление материалов, относительно материалов с добавками индивидуальных оксидов, в среднем, на 8-9%. Кроме того, эта добавка делает возможным использование меди в качестве основы материала, а также повышает экологическую чистоту электроконтактной продукции, по сравнению с производимым в России материалом СОК-15, за счет пониженного суммарного содержания токсичного кадмия.
Электроконтакты, изготовленные из предлагаемых материалов, могут успешно использоваться в низковольтных электроаппаратах на средние токи.