СОСТАВ МАТЕРИАЛА ЭЛЕКТРОДОВ ГЕНЕРАТОРА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
COMPOSITION OF ELECTRODE MATERIAL FOR LOW-TEMPERATURE PLASMA GENERATOR

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для изготовления электродов генераторов низкотемпературной плазмы, обеспечивающих увеличение ресурса эксплуатации.
Применяемые в настоящее время медные электроды по ресурсу эксплуатации (40-50 часов) не отвечают современным требованиям. Для повышения ресурса эксплуатации известно использование композиционных материалов на основе меди, легированных тугоплавкими материалами. Так, в патенте РФ предложен спеченный материал следующего состава (мас.%): карбид титана 7-13; ниобий 1,5-5 или пятиокись ниобия 2,5-7,6; медь остальное (пат. РФ 2009562, КЛ Н01Н 1/02, приоритет 1992.05.26, опубликовано 1994.03.15). В японском патенте JP 2007066677, КЛ Н05Н 1/26, опубликованном 2007-03-15, предлагается для увеличения ресурса эксплуатации добавлять к медной основе гафний, цирконий либо сплавы на их основе.
2
3
В качестве прототипа принят материал электродов низкотемпературных плазматронов, в котором использована спеченная смесь медного и железного порошка и окись иттрия YO при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- железо 3-30;
2
3
- YO 0,1-1,0;
- медь остальное
(Патент РФ № 2176833, 7 H01J 9/04, опубл. 10.12.2001, бюл. № 34).
Указанный материал позволяет увеличить ресурс эксплуатации до 60-80 часов, что в 1,5-2 раза больше по сравнению с ресурсом используемых в настоящее время медных электродов, однако требования к ресурсу эксплуатации постоянно растут и указанных величин на сегодняшний день недостаточно.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение ресурса эксплуатации электродов генераторов низкотемпературной плазмы.
Технический результат достигается за счет того, что в состав материала, содержащего железо и медь, дополнительно введен хром в виде субмикронных частиц при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- железо 10-50;
- хром субмикронный 0,5-1,5;
- медь остальное.
При этом в отличие от прототипа в материал не вводятся частицы окиси иттрия, так как их введение при заявленных соотношениях компонентов, как установлено авторами, приводит к ухудшению механических свойств.
Кроме того, технический результат достигается за счет того, что в указанный выше состав материала, содержащего медь, железо и хром субмикронный, дополнительно введен порошок хрома в виде частиц десятимикронного размера при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- железо 10-40;
- хром десятимикронный 5-20;
- хром субмикронный 0,5-1,5;
- медь остальное.
кал
кал
кал
кал
г
г
г
г
В основе изобретения лежат экспериментально установленные авторами закономерности. Установлено, что введение субмикронных частиц приводит к повышению интенсивности процесса спекания. Помимо уменьшения остаточной пористости происходит также изменение формы пор, их сфериодизация, приближение к шарообразной форме, в результате чего снижается электросопротивление и повышаются теплопроводность, прочностные характеристики и относительное удлинение. Все это благоприятно влияет на ресурсные характеристики и позволяет вводить большее количество тугоплавких компонентов, а также вводить, кроме железа, еще и другие компоненты, например хром. Хром превосходит железо по температуре плавления и кипения, скрытой теплоте плавления и испарения (1535°C и 1900°C; 2450°C и 2735°C; 49 / и 67 /; 1455 / и 1603 /, соответственно). Поэтому введение хрома в состав материала способно благоприятно повлиять на его ресурс эксплуатации. Вместе с тем нами экспериментально установлено, что введение десятимикронных частиц хрома без субмикронных не эффективно. Наиболее эффективно их совместное введение в пропорциях, указанных в формуле изобретения. Гранулометрический состав порошков приведен в таблице 1.
Таблица 1
Гранулометрический состав порошковых материалов
№ п/п
Состав порошка
Фракция, мас.%
160-100 мкм
100-63 мкм
63-40 мкм
40-25 мкм
25-16 мкм
16-10 мкм
10-6 мкм
6-4 мкм
4-2,5 мкм
2,5-1,6 мкм
1,6-1,0 мкм
1,0-0,6 мкм
0,6-0,4 мкм
0,4-0,2 мкм
0,2-01 мкм
1
Порошок меди
-
-
2
58
32
8
-
-
-
-
-
-
-
-
-
2
Порошок железа
5
15
20
38
22
-
-
-
-
-
-
-
-
-
3
Порошок хрома десяти микронный
-
-
-
45
20
35
-
-
-
-
-
-
-
-
-
4
Порошок хрома субмикронный
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
5
20
38
37
Введение субмикронных частиц в объем материала и его изготовление проводилось в соответствии со способом, защищенным заявкой № 2007116914/018401 от 04.05.2007 г. на получение патента РФ «Способ изготовления композиционного материала с объемной наноструктурой», МКИ В22F 1/00, существо которого состоит во введении субмикронных частиц путем вакуумной пропитки основы их суспензией в защитной жидкости. Пример реализации изобретения приведен в таблице 2. Приведенные данные подтверждают правильность предложенного решения и выбранного химического состава и соотношения ингредиентов.
Эксперименты проводились на электродах плазматронов типа ПТВ, представляющих собой цилиндры ⌀20×80 при горении дуги со стороны торца.
В качестве исходных материалов были использованы:
- электролитический медный порошок марки ПМС-1 по ГОСТ 4960-89;
- железный распыленный порошок марки ПЖРВ-2 по ГОСТ 9849;
- порошок хрома марки ПХ-1 по ТУ 14-22-151-2001 в исходном состоянии;
- тот же порошок хрома после его диспергирования в ультразвуковой установке в защитной жидкости.
Из данных, приведенных в таблице 2, следует, что ресурс эксплуатации электродов увеличивается в 3 и более раз по сравнению с традиционными медными электродами и превосходит ресурс эксплуатации материала, принятого в качестве прототипа.
Экономический эффект определяется повышением ресурса эксплуатации и снижением расхода дорогостоящих медных электродов.