СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРОШКОВОГО МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Cu-Cd/CdO ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТОВ
METHOD OF PRODUCING POWDER CERAMET Cu-Cd/CdO FOR ELECTRIC CONTACTS

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к получению электротехнических материалов и изделий из них методами порошковой металлургии.
2
Все известные электроконтактные материалы на медной основе существенно уступают по своим эксплуатационным свойствам наиболее широко распространенным серебросодержащим псевдосплавам Ag-CdO(SnO). Это относится, прежде всего, к главным характеристикам: переходному сопротивлению, коммутационной стойкости и стойкости против сваривания. Последние два указанных свойства в значительной степени обеспечиваются присутствием оксидов в виде высокодисперсных частиц, равномерно распределенных в металлической основе материала. Оксид кадмия - наиболее эффективная дугогасящая добавка в разрывные электроконтакты, работающие в диапазоне средних токов, также особенно эффективна в тонкодисперсном виде. При этом одновременно возрастает стойкость против приваривания контактных элементов друг к другу и твердость материала за счет дисперсионного твердения. В то же время, в связи с достаточно высокой для оксидов проводимостью CdO, электропроводность композиционных электроконтактов падает слабо.
Высокодисперсная структура с равномерно распределенными в металлической основе оксидными фазовыми составляющими в технологии серебряных электроконтактов реализуется несколькими известными способами: совместным осаждением из растворов солей, внутренним окислением, двухструйным мокрым осаждением (так называемая NCF-технология) [Мастеров В.А., Саксонов Ю.В. Серебро, сплавы и биметаллы на его основе. М.: Металлургия, 1979. 296 с.; Wolmer R., Mueller M., Heringhaus F., Ruehlicke D., Goia D. Method for producing composite powders based on silver-tin oxide, the composite powders so produced, and the use of such powders to produce electrical contact materials by powder metallurgy techniques // US Patent 6409794, 2002].
В отношении контактов на медной основе существует проблема получения структуры с равномерным распределением высокодисперсных включений оксида, используя указанные способы физико-химической природы, применимые к серебру, из-за более высокого сродства меди к кислороду. Из положения пытаются выйти применяя методы механического смешения предварительно полученных высокодисперсных порошков. Так например, известны технические решения, использующие ультрадисперсный порошок оксида цинка, полученный методом взрывного синтеза [Гордеев Ю.И., Зеер Г.М., Букаемский А.А., Теремов С.Г., Акимов Ю.Д. Спеченный электроконтактный материал на основе меди // Патент РФ 2208654, 2000; Гордеев Ю.И., Суровцев А.В., Юркова Е.В. Спеченный электроконтактный материал на основе меди // Патент РФ 2294975, 2005]. Однако хорошо известно, что механическое смешение не дает равномерного и статистически однородного распределения гетерогенной добавки в матрице готового композита, из-за агломерации высокодисперсных порошков, что снижает качество материала электроконтактов. Вследствие этого необходимы альтернативные методы создания желаемой микроструктуры.
Наиболее близок по технической сущности и достигаемому результату электроконтактный металлокерамический материал Cu-Cd/CdO и способ его изготовления [Иванов В.В. Композиционный электроконтактный материал на основе меди // Пат. России №2131941, 1999 (прототип)]. Композиционный материал имеет матрицу из кадмиевой бронзы, его получали традиционными методами порошковой металлургии: смешение готовых порошков меди, кадмия и оксида кадмия, прессование, спекание в защитной атмосфере, допрессовка, отжиг. Несмотря на крупнодисперсную структуру оксидных включений, он имеет удовлетворительный уровень основных электроконтактных свойств. Кроме того, для него характерен низкий электроперенос компонентов материала при коммутации постоянного тока.
Однако его коммутационная стойкость и переходное сопротивление не столь высоки. Это снижает качество электроконтактов, а значит, возможности их внедрения в промышленную практику.
Целью заявляемого изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик материала электроконтактов на медной основе, повышение их надежности.
Добиться этого позволяет технический результат, получаемый при использовании изобретения: значительно повышается коммутационная стойкость электроконтактов в электрической дуге, а также механические свойства, его твердость, несколько снижается переходное межконтактное сопротивление.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления порошкового металлокерамического материала Cu-Cd/CdO для электроконтактов, включающем приготовление шихты путем смешения готовых компонентов, холодное брикетирование, спекание, допрессовку и отжиг, новым является то, что для приготовления шихты смешивают порошки меди и кадмия с раствором термически нестабильной соли кадмия, сушат и проводят термообработку шихты при температуре 300-500°С.
Новым является то, что оксид кадмия вводят в шихту путем смешения с раствором термически нестабильной соли кадмия, а дополнительная операция термообработки превращает ее в оксид. 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».
Существо предлагаемого технического решения заключается в том, что при перемешивании раствора термически нестабильной соли кадмия и порошка электролитической меди дендритной морфологии соль первоначально кристаллизуется, равномерно распределяясь по развитой поверхности дендритных частиц меди, и, подвергаясь далее термолизу в дополнительной операции термообработки, оставляет остаток в виде искомых высокодисперсных частиц оксида, равномерно распределенных по объему шихты. Это обеспечивает требуемое статистически однородное распределение высокодисперсных частиц оксида в готовом электроконтактном материале и, следовательно, высокий уровень служебных свойств.
Компоненты для смешивания берут в соотношении, указанном в прототипе и зависящем от целевого содержания оксида, а также конкретного вида термически нестабильной соли - источника оксида, мас.%:
раствор соли кадмия,
в пересчете на оксидный остаток
1,0…8,0,
кадмий
0,5…1,2,
медь
остальное.
Для практической апробации предлагаемого технического решения и сравнительных испытаний были изготовлены несколько серий образцов контактных элементов, в том числе - в соответствии с прототипом (в таблице обозначен как X). Все образцы содержали одинаковое заданное количество металлического кадмия - 1,0%. В качестве термически нестабильной соли кадмия применили уксуснокислый кадмий и нитрат кадмия. Использовали порошок электролитической меди и кадмия фракции - 45 мкм. Медь, кадмий и раствор кадмиевой соли, взятые в необходимой пропорции, перемешивали в смесителе в течение 20…30 мин. Далее следовала сушка и термообработка шихты при температурах в интервале 300-500°С с целью термолиза примененных солей и превращения их в оксид кадмия. Более низкая температура недостаточна для обеспечения полноты процесса термического разложения, а выше - нецелесообразна из-за спекаемости шихты, что затрудняет эффективное проведение дальнейших технологических стадий.
Последующие операции проведены в соответствии с прототипом. Брикетирование проводили прессованием заготовок в стальных пресс-формах при давлении 250…500 МПа. Далее заготовки спекали при температуре 800…1000°С в течение 1-2 ч, уплотняли допрессовкой в тех же стальных пресс-формах при давлениях 1000…1400 МПа с целью достижения максимальной плотности материала за счет снижения остаточной пористости и отжигали допрессованные заготовки при температурах 400…600°С в течение 0,5…1,0 ч для снятия послепрессовочных напряжений и оптимизации микроструктуры.
3
После завершения всех технологических операций плотность материала контактов достигает 8,6…8,8 г/см, твердость по Бринеллю НВ=58…65 (режим измерения 5/250/30), удельное сопротивление 2,1…2,8 мкОм·см, т.е. соответствуют заявленным параметрам в прототипе.
Изготовленные контактные элементы протестированы на специальных стендах по коммутационной износостойкости на переменном токе и переходному падению напряжения в процессе ее измерений (в присутствии слоев наработки). Результаты испытаний приведены в таблице. Образцы контактных элементов №1-6 изготовлены с применением уксуснокислого кадмия, №7 - с нитратом кадмия.
№
CdO, мас.%
Комм. износ, г/цикл ·10<sup>6</sup>
ΔU, мВ
Твердость, НВ
Подвижный контакт
Неподвижн. контакт
1
1,0
16,4
14,5
620
58
2
2,0
13,3
13,0
510
58
3
3,0
9,1
7,2
450
61
4
5,0
6,3
6,8
590
63
5
8,0
12,9
14,3
960
66
6
10,0
43,6
44,7
1690
66
7
4,0
8,3
8,2
490
61
X
5,0
10,2
9,5
510
61
Условия испытаний: I=30 A, U=380 В, cosφ=0,8, количество циклов вкл/откл - 10000. Падение напряжения - среднее из 30 измерений (3 измерения через каждую тысячу рабочих циклов).
Как показывают результаты измерений, контактные элементы, изготовленные по предлагаемому способу, обладают более низкими значениями износа при коммутации тока, переходного сопротивления и несколько большей твердостью, т.е. измельчение и более равномерное распределение оксида-добавки по объему приводит к заметному улучшению электрических и механических свойств материала.
Применение разрывных электроконтактов, изготовленных по предлагаемому способу, позволит повысить качество, надежность и долговечность соответствующих коммутационных узлов электроаппаратуры.