Способ термической обработки контактной пары из золото-медного сплава ЗлМ-80 для электрических слаботочных скользящих контактов
METHOD OF THERMAL TREATMENT OF CONTACT PAIR FROM GOLD-COPPER ALLOY ZlM-80 FOR ELECTRIC LOW-CURRENT SLIDING CONTACTS

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к способу изменения структуры упорядочивающегося сплава золото-медь с содержанием 80 масс. % золота - (далее - сплав ЗлМ-80). Изобретение может быть использовано в приборостроении, например, при производстве слаботочных скользящих контактов.
Эксплуатационные характеристики электрических контактов определяются многими факторами, наиболее важными из которых являются: высокая прочность и износостойкость, сопротивление схватыванию, низкое переходное электросопротивление, низкое удельное электросопротивление, высокая коррозионная стойкость и стабильность функциональных свойств [Р. Хольм Электрические контакты: пер. с англ. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. - 464 с]. В процессе исследования эксплуатационных характеристик контактов из различных материалов было установлено, что использование в коллекторных узлах однородной контактной пары из высокопрочного золото-медного сплава, находящегося в атомно-упорядоченном структурном состоянии, позволяет одновременно удовлетворить всем этим требованиям [Сюткина В.И. Разработка высокопрочных упорядоченных сплавов на основе золота: Дис. доктора техн. наук. Институт физики металлов. Свердловск. 1981. - 259 с.]. Кроме того, с точки зрения технологичности изготовления контактной пары на предприятии, необходимо, чтобы продолжительность термообработки для формирования искомого структурного состояния составляла одну, максимум, две рабочих смены.
В настоящее время у предприятий-производителей возникла необходимость использования контактных пар из высокопрочного атомно-упорядоченного золото-медного сплава ЗлМ-80. Однако, скорость формирования упорядоченного состояния в сплаве ЗлМ-80 чрезвычайно мала, вследствие чего продолжительность термообработки изделий из этого сплава может достигать одну неделю.
Поэтому разработка способа, позволяющего уменьшить продолжительность термообработки для формирования в золото-медном сплаве ЗлМ-80 атомно-упорядоченной структуры с низким удельным электросопротивлением и высокими прочностными свойствами, является важной технической проблемой.
Известен способ термической обработки сплавов на основе золота [а.с. СССР №521352]. Способ включает деформацию, отжиг при температуре 420-550°С в течение 10-120 минут и охлаждение со скоростью 1-20 град/мин. Предлагаемый способ был осуществлен для обработки изделий из золото-медного сплава ЗлМ-75 (т.е. с содержанием золота 75 масс. %).
Практика использования этого способа показала, что он легко реализуем и поэтому был применен для создания высоконадежной контактной пары. При обработке сплава ЗлМ-75 по известному способу происходит следующее. На первом этапе, при отжиге в температурном интервале 420-550°С (т.е. выше температуры атомного упорядочения) в исходно деформированных образцах происходит рекристаллизация. Размер рекристаллизованного зерна в таком разупорядоченном состоянии сплава определяется температурой и продолжительностью термообработки. При последующем охлаждении золото-медного сплава со скоростью 1-20 град/мин, в нем начинаются процессы атомного упорядочения. Сначала, при температуре ниже 410°С происходит фазовое превращение беспорядок→порядок по типу CuAuII. При дальнейшем охлаждении, ниже температуры 378°С происходит еще одна перестройка кристаллической решетки, в ходе которой осуществляется смена типа атомного порядка: CuAuII→CuAuI. Все описанные диффузионные превращения осуществляются в сплаве ЗлМ-75 достаточно быстро и успевают полностью завершиться при скоростях охлаждения, указанных в известном способе [A. Yu. Volkov. Structure and Mechanical Properties of CuAu and CuAuPd Ordered Alloys // Gold Bulletin, 2004, v.37, No.3-4, p. 208-215].
Однако, этот способ трудно реализуем для формирования атомно-упорядоченного состояния в золото-медном сплаве, содержащем 80 масс. % золота. Как показали наши исследования, после охлаждения сплава ЗлМ-80 со скоростью 2 град/мин от 450°С, в образце фиксируется состояние с очень низкой степенью атомного порядка и, следовательно, неудовлетворительными функциональными свойствами [Генералова К.Н., Глухов А.В., Волков А.Ю. Использование резистометрии для изучения кинетики атомного упорядочения в сплаве Сu-80 масс. % Аu // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение, 2018, т. 20, №3, с. 18-28]. Это объясняется резким снижением скорости формирования упорядоченного состояния в сплаве ЗлМ-80 по сравнению с ЗлМ-75 вследствие отклонения от стехиометрии и снижением температур существования упорядоченных фаз, что вызывает необходимость значительного увеличения продолжительности термообработки сплава ЗлМ-80.
Таким образом, описанный способ не решает проблемы уменьшения продолжительности термообработки золото-медного сплава ЗлМ-80 при одновременном снижении его удельного электросопротивления и повышения прочностных свойств
Известен также способ изготовления электрических контактов из сплавов на основе золота [а.с. СССР №558966], включающий предварительную деформацию, нагрев до 420-550°С выдержку в течение 10-120 мин, охлаждение со скоростью 1-20 град/мин, механическую обработку и последующий отжиг при 120-200°С в течение 0,5-12 час. Этот способ также предназначен для обработки сплавов с содержанием золота 75 масс. %. Способ предназначен для восстановления атомного порядка в образцах, которые были сильно деформированы в результате механической обработки. Действительно, контакты в ходе изготовления могут подвергаться сильной пластической деформации (при изгибах на большие углы, притирке поверхностей, протачивании технических и технологических пазов и т.п.). Атомный порядок в упорядоченных сплавах при этом нарушается, и, как следствие, материал переходит в разупорядоченное состояние, теряя при этом все свои высокие функциональные свойства. Согласно известному способу [а.с. СССР №558966], нарушенный механической обработкой атомный порядок возвращают с помощью отжигов при 120-200°С в течение 0,5-12 часов.
Известные способы применимы для сплава золото-медь с содержанием золота 75 масс. %. Однако, применение известных способов для формирования совокупности высоких физико-механических свойств в сплаве ЗлМ-80 вызывает необходимость проведения чрезвычайно длительных термообработок. Следовательно, и этот способ не решает проблемы уменьшения продолжительности термообработки золото-медного сплава ЗлМ-80 при одновременном снижении его удельного электросопротивления и повышении прочностных свойств.
Наиболее близким способом к заявляемому является способ повышения работоспособности слаботочных скользящих контактов из сплава на основе золота ЗлМ-80 [Патент РФ №2605724]. Способ может быть использован при производстве слаботочных скользящих контактов и включает термообработку путем нагрева контактной пары, состоящей из кольца и щетки, в защитной атмосфере до температуры 350°С со скоростью не более 0,2 град/сек, выдержку при этой температуре и охлаждение в печи в вакууме со скоростью не более 0,2 град/сек.
o
Однако, при формировании атомно-упорядоченной структуры в сплаве ЗлМ-80 есть существенные трудности. Нами установлено, что при содержания 80 масс. % золота, скорость атомного упорядочения настолько низка, что для завершения процессов формирования упорядоченной структуры в сплаве ЗлМ-80 требуется отжиг при температуре 350°С в течение 1 недели. [Генералова К.Н., Глухов А.В., Волков А.Ю. Рентгеноструктурный анализ кинетики атомного упорядочения по типу L1 в нестехиометрическом медно-золотом сплаве // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение, 2018, т. 20, №2, с. 75-85]. Проведение столь длительных отжигов на предприятии-изготовителе нерационально. В наиболее близком решении не указано время выдержки при температуре 350°С. В то же время очевидно, что малые времена отжигов приведут к формированию двухфазного состояния (порядок + беспорядок) - неоптимального как с точки зрения температурной стабильности структуры, так и полученных свойств.
Кроме того, необходимо учитывать дополнительные структурные особенности, вызванные низкой температурой фазового превращения беспорядок→порядок в сплаве ЗлМ-80. Как известно, даже небольшое снижение температуры существенно снижает диффузионную подвижность атомов, а, следовательно, и скорость всех диффузионных реакций (в том числе, процессов рекристаллизации и атомного упорядочения). Кроме того, в сплаве ЗлМ-80 следует также учитывать широкий температурный интервал существования длиннопериодической упорядоченной структуры CuAuII. Отдельно следует указать, что электросопротивление упорядоченной фазы CuAuII несколько выше по сравнению с атомно-упорядоченной структурой CuAuI.
Влияние длиннопериодической структуры CuAuII на свойства сплава в известном наиболее близком к заявляемому способе не учитывается. Однако, в наиболее близком решении отжиг производится именно в температурном интервале существования длиннопериодической упорядоченной структуры CuAuII: для сплава ЗлМ-80 этот температурный интервал составляет от 290 до 370°С. Формирование длиннопериодической структуры CuAuII нежелательно с точки зрения использования сплава ЗлМ-80 в качестве проводникового материала: удельное электросопротивление сплава с длиннопериодической структурой несколько выше, чем у этого же сплава со сверхструктурой типа CuAuI. Также установлено, что длиннопериодическая упорядоченная структура CuAuII в сплаве ЗлМ-80 имеет чрезвычайно высокую стабильность [Генералова К.Н., Глухов А.В., Волков А.Ю. Использование резистометрии для изучения кинетики атомного упорядочения в сплаве Сu-80 масс. %Аu // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение, 2018, т.20, №3, с. 18-28]. К примеру, сверхструктура CuAuII сохранялась при охлаждении сплава ЗлМ-80 от 350°С до комнатной температуры со скоростью 0,033 град/сек (т.е. со скоростью, существенно более низкой, чем указано в наиболее близком решении).
Таким образом, наиболее близкому решению присуща необходимость проведения чрезвычайно продолжительных отжигов для получения хорошо упорядоченного состояния и, кроме того, выбранная температура обработки переводит материал в атомноупорядоченное состояние со сверхструктурой CuAuII, которая имеет повышенное электросопротивление. Этот способ также не решает технической проблемы уменьшения продолжительности термообработки золото-медного сплава ЗлМ-80 при одновременном снижении его удельного электросопротивления: его осуществление также требует проведения чрезвычайно продолжительных отжигов для получения хорошо упорядоченного состояния и, кроме того, выбранная температура обработки переводит материал в атомноупорядоченное состояние со сверхструктурой CuAuII, которая имеет повышенное электросопротивление.
Техническая проблема решается достижением технического результата, заключающегося в уменьшении продолжительности термообработки сплава ЗлМ-80 за счет предварительной рекристаллизации исходно деформированного сплава ЗлМ-80, что обеспечивает уменьшение продолжительности последующей термообработки для формирования упорядоченной структуры. При этом одновременно решается проблема снижения удельного электросопротивления сплава ЗлМ-80 за счет формирования в нем упорядоченной фазы CuAuI.
Для решения указанной технической проблемы в предлагаемом способе термической обработки контактной пары из золото-медного сплава ЗлМ-80 для электрических слаботочных скользящих контактов, включающем нагрев контактной пары, состоящей из кольца и щетки в защитной атмосфере, со скоростью не более 0,2 град/сек, выдержку и медленное охлаждение со скоростью не более 0,2 град/сек, согласно изобретению нагрев контактной пары осуществляют до температуры 400-550°С выдерживают в этом интервале не более 1 часа, охлаждают до температуры 240-260°С, выдерживают при этой температуре не менее 1 часа, а затем вновь нагревают до температуры 300-350°С со скоростью не более 0,2 град/сек, выдерживают при этой температуре не менее 1 часа, а затем охлаждают контактную пару до комнатной температуры
Такой двух этапный способ обработки с повторным нагревом до 300°С обеспечивает формирование в сплаве упорядоченного состояния на основе упорядоченной структуры CuAuI. В то же время, для некоторых практических применений требуются контактные пары с повышенными прочностными свойствами. Этого можно достичь (немного пожертвовав удельным электросопротивлением), повысив предельную температуру нагрева контактной пары до 350°С
Упорядочение сплава в предлагаемом способе происходит после рекристаллизации, что обусловлено предварительным нагревом исходно деформированной контактной пары до температурного интервала 400-550°С. Таким образом, исключено протекание совместных процессов упорядочения и рекристаллизации, которые происходят в ходе термообработки при температуре 350°С по наиболее близкому способу [Патент РФ №2605724], что проводит к замедлению обеих реакций. Кроме того, формирование атомно-упорядоченной структуры при использовании предлагаемого способа начинается при охлаждении ниже 370°С, что выше, чем в наиболее близком способе (350°С). Очевидно, что при повышенной температуре процесс упорядочения происходит со значительно более высокой скоростью, чем при нагреве от комнатной температуры по наиболее близкому способу.
Вторым существенным отличием в предлагаемом способе по сравнению с наиболее близким способом является выбор температуры атомного упорядочения. Фактически, в способе [Патент РФ №2605724] предлагается единственная температура обработки (350°С) и поэтому с применением такого способа может быть сформирована исключительно фаза CuAuII; снижение температуры обработки до интервала существования фазы CuAuI неприемлемо вследствие необходимости дальнейшего увеличения продолжительности термообработки. В предлагаемом способе имеется возможность регулирования соотношения фаз CuAuI и CuAuII. Действительно, увеличение продолжительности выдержки в температурном интервале 250-300°С приводит к преобладанию в сплаве фазы CuAuI с более низким электросопротивлением. Повышение температуры до 350°С вызовет преобладание упорядоченной фазы CuAuII, которая имеет большое количество границ различной природы. Это способствует формированию в упорядоченной контактной паре повышенных прочностных свойств ценой некоторого снижения электропроводности. Следовательно, при использовании предлагаемого способа обработки соотношение фаз CuAuI и CuAuII в сплаве может целенаправленно изменяться заводом-изготовителем для решения тех или иных задач.
Таким образом, техническая проблема решается достижением в заявляемом изобретении технического результата, заключающегося в предварительной рекристаллизации исходно деформированного сплава ЗлМ-80, что обеспечивает уменьшение продолжительности последующей термообработки при формировании упорядоченной структуры. В свою очередь, для уменьшения удельного электросопротивления предлагается термообрабатывать сплав ЗлМ-80 в температурной области существования фазы CuAuI.
На схеме представлены графики обработки сплава ЗлМ-80: по патенту РФ №2605724 (маршрут 1) и по предлагаемому способу (маршрут 2).
Исследовали физико-механические свойства проволочных образов сплава ЗлМ-80 -заготовок щеток скользящих электрических контактов. Температуру обработки и скорость нагрева-охлаждения задавали компьютерной программой, управляющей печью. Образцами для механических испытаний были проволоки диаметром 1,5 мм; для резистометрических измерений использовали тонкую проволоку ∅0,22 мм. Механические испытания проводили на разрывной машине ZD10/90 при скорости растяжения 3 мм/мин, испытывали не менее 5 образцов на каждую точку. Электрическое сопротивление измеряли на постоянном токе I=10мА стандартным четырехконтактным методом с использованием компьютеризированного измерительного комплекса, построенного на основе контроллеров ADAM. Для повышения точности определения удельного электросопротивления образцов, измерения проводили на специальном кондукторе со строго фиксированными расстояниями между контактами. Величину удельного электросопротивления определяли, как среднее значение измерений между 5 разными парами контактов. Для проведения термообработок образцы в вакууммированных стеклянных ампулах помещали в печь, находящуюся при комнатной температуре. Продолжительность термообработок в ходе экспериментов варьировалась от 6 часов до 1 месяца.
Значения физико-механических свойств образцов сплава ЗлМ-80 в полученных структурных состояниях сведены в таблицу, здесь же указаны маршруты термообработок.
Как видно из Таблицы, строки 1 и 2 - исходное, разупорядоченное состояние сплава ЗлМ-80. Свойства материала в этом состоянии не представляют особого интереса и приведены здесь для сравнения. Строка 3 - обработка сплава ЗлМ-80 в соответствии с Патентом РФ №2605724. Длительная выдержка при температуре 350°С приводит к значительному снижению прочностных свойств и повышению пластичности. Это говорит о прохождении в материале процессов рекристаллизации. Хорошо видно, что удельное электросопротивление сплава остается высоким даже после такой длительной обработки. Это говорит о незавершенности процессов установления атомного порядка в сплаве. Очевидно, что снижение времени термообработки при такой низкой скорости упорядочения неприемлемо: электросопротивление сплава будет еще выше. В свою очередь, увеличивать время выдержки в печи также не имеет смысла: это вызовет дальнейшее снижение прочностных свойств. В целом, сплав ЗлМ-80, обработанный по Патенту РФ №2605724, не продемонстрировал набора высоких физико-механических свойств даже после термообработки очень большой продолжительности (1 сутки).
Термообработка в строке 4 Таблицы проведена в соответствии с предложенным техническим решением. Образцы в вакууммированных стеклянных ампулах помещались в печь, находящуюся при комнатной температуре, после чего происходил ее нагрев до температуры 450°С со скоростью 0,15 град/сек. После выдержки при этой температуре в течение 30 минут проводилось охлаждение со скоростью 0,1 град/сек до 250°С, после чего образец выдерживался при этой температуре в течение 1 часа. Затем начинался медленный нагрев до 300°С со скоростью ~0,003 град/сек. Сплав выдерживался при температуре 300°С в течение 1 часа, после чего охлаждался до комнатной температуры со скоростью ~0,033 град/сек. Общая продолжительность термообработки в данном случае составила 8 часов.
Термообработка по предложенной схеме позволяет получить в сплаве набор оптимальных функциональных свойств (высокий предел текучести и низкое удельное электросопротивление). Более того, после обработки по предлагаемому способу все механические характеристики сплава ЗлМ-80 становятся даже выше по сравнению с исходным, деформированным состоянием (можно сравнить строки 1 и 4 в Таблице: предел текучести, предел прочности и удлинение до разрыва). При этом удельное электросопротивление сплава ЗлМ-80 имеет самое низкое значение по сравнению со всеми другими термообработками, указанными в Таблице, что говорит о практическом завершении в образце процессов атомного упорядочения. Следовательно, высокая прочность сплава ЗлМ-80 в полученном структурном состоянии обеспечивается формированием в нем однофазного, хорошо упорядоченного состояния. Таким образом, предлагаемый в нашей разработке метод упрочнения отличается от известного решения (патент №2061978), в котором повышенные прочностные свойства золото-медного сплава обеспечивались либо формированием двухфазного состояния порядок + беспорядок, либо достигались путем легирования третьим элементом с последующим выделением частиц пересыщенного твердого раствора в упорядоченной матрице.
Таким образом, предлагаемый способ термообработки для изготовления слаботочных контактов из сплава ЗлМ-80 обеспечивает по сравнению с известными аналогами следующие преимущества:
1. Выбранный способ позволяет сформировать в сплаве ЗлМ-80 однофазное хорошо упорядоченное состояние с комплексом оптимальных функциональных свойств за весьма ограниченный промежуток времени (приблизительно 1 рабочая смена). Все температурные интервалы и скорости обработок можно изменять в достаточно широких пределах, что важно с технологической точки зрения.
2. Изменение скорости на втором этапе нагрева при формировании упорядоченной структуры (т.е. в температурном интервале от 250 до 350°С), а также выбор максимальной температуры нагрева (300 или 350°С) позволяют несколько изменять прочность и/или электросопротивление материала, варьируя свойствами контактной пары в зависимости от технического задания или условий эксплуатации оборудования.