Способ получения композиционного электроконтактного материала Cu-SiC
METHOD OF PRODUCING COMPOSITE ELECTRIC CONTACT MATERIAL OF CU-SIC

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к технологии получения реакционных композиционных порошков для последующего изготовления жаропрочных и износостойких электротехнических композиционных материалов на основе меди, которые могут быть использованы в производстве силовых разрывных электрических контактах, в переключателях мощных электрических сетей и вакуумных дугогасительных камерах.
При изготовлении указанных материалов необходимо получить сочетание высокой электропроводности, для чего в качестве основы используют медь (Cu), и высокой износостойкости при воздействии электрической дуги, для чего необходимо вводить в состав композиционного материала тугоплавкие керамические компоненты в количестве, не превышающем 50 об.% с высокой температурой плавления и испарения, таких как карбид кремния (SiC).
Изготавливаемые по заявленному способу порошковые частицы представляют собой композит, состоящий из меди и реакционной смеси кремния и углерода (Si+C), которая при спекании способна вступать в экзотермическую безгазовую реакцию с образованием карбида кремния. Реакция между кремнием углеродом является «активатором» спекания, она способствует спеканию композита до высокой относительной плотности.
Известен нанокомпозиционный электроконтактный материал и способ его получения, включающий механическую обработку смесей металлов в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице с последующим твердофазным спеканием полученной активированной смеси, отличающийся тем, что высокоэнергетическую обработку проводят в атмосфере аргона при соотношении масс шаров и исходных порошков 20:1-40:1, при скорости вращения планетарного диска планетарной мельницы 694-900 об/мин и продолжительности обработки не более 90 минут, спекание полученных нанокомпозионных частиц с размером кристаллитов тугоплавкого металла менее 5 нм осуществляют методом искрового плазменного спекания, при этом в камере создают вакуум или атмосферу инертного газа и через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 1000-5000 А под нагрузкой до 50 МПа, при этом температура спекания не превышает 1000°C при продолжительности процесса не более 15 минут. (RU 2597204 С1, опубл. 10.09.2016).
Недостатком способа является необходимость длительной обработки при высокой скорости вращения планетарного диска планетарной мельницы, что неизбежно приводит к загрязнению обрабатываемых порошков материалом барабанов и размольных шаров.
Известен способ получения электроконтактного композитного материала на основе меди, включающий механическую обработку смеси порошков меди и тугоплавного металла, в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице, и последующим твердофазным спеканием полученной активированной смеси порошков, отличающийся тем, что механическую обработку смеси порошков проводят в атмосфере аргона при соотношении масс шаров и смеси порошков 20:1-40:1, скорости вращения планетарного диска планетарной мельницы 694-900 об/мин и продолжительности обработки 5-90 мин с получением нанокомпозиционных частиц с размером кристаллитов тугоплавкого металла от 5 нм до 100 мкм, при этом твердофазное спекание ведут в виде искрового плазменного спекания в камере в вакууме или в атмосфере инертного газа с пропусканием через спекаемую смесь порошков импульсного электрического тока 500-5000 А под нагрузкой до 50 МПа, при температуре 700-1000°C и продолжительности спекания 5-15 мин (RU 2645855 С2, опубл. 28.02.2018)
Недостатком способа является длительность обработки при высоких скоростях вращения планетарного диска, приводящее к намолу железа, а также высокое соотношение массы шаров и массы порошков (40:1), что значительно сокращает выход годного порошка.
Наиболее близким аналогом является способ получения композиционного материала Cu-SiC с содержанием карбида кремния от 5 до 25 мас. %. Способ включает получение порошковой смеси, содержащей частицы меди и упрочнителя (SiC), размол ее в высокоэнергетической мельнице, последующее холодное компактирование в брикеты, нагрев до определенной температуры и прессование при этой температуре с получением материала, состоящего из матрицы на основе медного твердого раствора и распределенного в ней упрочнителя. В качестве исходных материалов для получения композиционных материалов использовались токарная стружка чистой меди и частицы карбида кремния средним размером 10-40 мкм в качестве упрочнителя. (RU 2202642, опубл. 20.04.2003).
Недостатками известного способа является необходимость проведения на начальном этапе холодного двухстороннего прессования для достижения, по меньшей мерее, 80% теоретической плотности и высокая относительная пористость 5%. Также к недостаткам можно отнести отсутствие свободного графита в составе, при его введении повышаются дугостойкость и износостойкость как самого материала, так и контртела.
Высокая стоимость и недостаточно высокие свойства таких материалов, и их аналогов ограничивают использование материалов в производстве силовых разрывных и дугогасительных контактов в переключателях мощных электрических сетей, работающих в условиях больших токов и высоких напряжений.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение технологии, позволяющее снизить энергозатраты, исключить применение различных активаторов спекания, в части материала - повышение его твердости, снижение пористости и удельного электросопротивления
Технический результат достигается тем, что способ получения композиционного электроконтактного материала включает механическую обработку смеси порошков меди, кремния и углерода в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице с последующим одностадийным реакционным спеканием полученной активированной смеси порошков. Механическую обработку смеси порошков проводят в атмосфере аргона при соотношении масс шаров и смеси порошков 10:1-20:1, скорости вращения планетарного диска планетарной мельницы 300-500 об/мин и продолжительности обработки 60-180 минут с получением реакционных композиционных частиц. Реакционное спекание ведут в виде искрового плазменного спекания в камере в вакууме или в атмосфере инертного газа с пропусканием через спекаемую смесь порошков импульсного электрического тока 500-5000 А под нагрузкой 30-50 МПа, при температуре 700-1000°C и продолжительности спекания 10-30 минут в одну стадию.
Композиционный электроконтактный материал, полученный согласно способу, представляет собой композит Cu-(5-50 об.%) SiC, состоящий из кластеров на основе SiC, распределенных в медной матрице, характеризующийся тем, что имеет плотность не менее 99%, твердость по Виккерсу 1-2,5 ГПа, электросопротивление 10-20 мкОм⋅см.
В качестве основных исходных компонентов для получения экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов используются порошки металлов: Cu (порошок медный электролитический) марки ПМС-В (ГОСТ 4960-75); Si (порошок кремния) марки КЭФ-4.5 (ГОСТ 19658-81); С (сажа) марки П804Т (ТУ 38-1154-88).
Примеры получения нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-SiC из реакционной смеси Cu-(Si+C), приведены ниже.
Пример 1.
Получение нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-5% об. SiC
Порошки Cu и (Si+C) смешивают при соотношении 95 об.% Cu и 5 об.% (Si+C). Приготовленную смесь подвергают высокоэнергетической механической обработке (ВЭМО) в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 347 об/мин. Соотношение шаров к смеси порошка составляет 10:1. Используют стальные шары 6 мм в диаметре. Время обработки 60 минут.
Полученный реакционный композиционный порошок подвергают искровому плазменному спеканию (ИПС), для этого порошок помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток при давлении прессования 50 МПа и спекают образец при температуре 1000°C в течение 10 мин со скоростью подъема температуры 100°C/мин. В результате получают образцы в форме дисков диаметром 15-50 мм и толщиной 3-10 мм.
Благодаря протеканию реакции во время консолидации материала происходит образование фазы карбида кремния, которая увеличивает твердость и стойкость получаемого материала к воздействию электрической дуги.
Пример 2 аналогичен примеру 1, однако с целью уменьшения размера получаемых композиционных частиц используются размольные шары меньшего диаметра (2 мм) в том же соотношении к массе загрузке (10:1).
Пример 3 аналогичен примеру 1, однако ИПС проводят при более низкой температуре и большем времени выдержки - 700°C и 30 минут соответственно.
К преимуществам изобретения можно отнести:
- упрощение технологии, позволяющее снизить энергозатраты за счет проведения консолидации материала в одну стадию, а также исключить применение различных активаторов спекания;
- расширение спектра электротехнических композиционных материалов на основе меди;
- повышение эксплуатационных свойств за счет композиционной структуры предлагаемого материала.
Потенциальными потребителями материала, полученного по предлагаемому способу, являются: электротехническая промышленность, где необходимы высокая электрическая проводимость, высокие механические, физические и эксплуатационные свойства, такие как прочность, твердость при комнатной и повышенной температурах, термическая стабильность, дугостойкость, для применения в производстве силовых разрывных и вакуумных дугогасительных контактов в переключателях (размыкателях) мощных электрических сетей, работающих в условиях больших токов и высоких напряжений.