СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ МЕДИ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
PRODUCTION OF COPPER-BASED COMPOSITE FOR ELECTRIC CONTACTS

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к производству графитсодержащих композиционных материалов электротехнического назначения на основе меди, и может использоваться в электротехнической промышленности для изготовления электрических разрывных контактов низковольтной аппаратуры.
Разрывные электрические контакты в процессе работы при соударениях и горении электрической дуги испытывают большие силовые и температурные нагрузки, в результате чего происходит деформирование (смятие) и электродуговой износ (электроэрозия) коммутирующих поверхностей, а также их окисление в присутствие кислорода воздуха. Одной из основных характеристик, определяющих работу электрических контактов, является их высокая износостойкость электропроводность. В связи с этим в их состав вводят добавки, упрочняющие матрицу (например, тугоплавкие металлы и соединения), и восстановители (чаще всего графит).
Широко известны способы получения композиционных материалов медь-графит для разрывных электроконтактов на основе меди спеканием порошковых компонентов. Вследствие отсутствия смачиваемости графита расплавом меди такие сплавы по литейным технологиям не получают.
Известен способ изготовления электрических контактов для низковольтной аппаратуры на основе меди с добавлениями графита, а также оксидов тантала и кобальта или цинка, включающий смешивание исходных порошков между собой в сухом виде, прессование и спекание в течение 1-2 часов при 960°C в защитной атмосфере азота, водорода или в вакууме. Полученные контакты подвергают допрессовке и последующему отжигу при 450-500°C в защитной атмосфере в течение 30 мин. Данный материал, изготовленный в соответствии с известным способом, обладает удовлетворительными механическими и электрическими характеристиками, однако может применяться только в производстве контактов для низковольтной аппаратуры (авторское свидетельство СССР №139379, С22С 1/05, «Бюллетень изобретений» №13 1961 г.).
Кроме того, к недостаткам способа относится трудоемкость, длительность и многоступенчатость технологического процесса, а также пористость получаемых спеченных материалов, обусловленная существованием замкнутых пор на границе медь-графит вследствие инактивности меди к углероду, и остаточная пористость, характерная для всех спеченных изделий, связанная с технологией изготовления. Пористость существенно ухудшает функциональные свойства материалов, в частности твердость, электропроводность и электроэрозионную стойкость (В.И. Раховский и др. Разрывные контакты электрических аппаратов. М.-Л:: Энергия, 1966, с.202).
Известен способ изготовления композиционного материала для электрических контактов на медной основе из порошков графита, меди, алюминия, фосфорной меди и окиси меди (патент РФ №2398656, МПК B22F 3/14, С22С 1/05, опубл. 10.09.2010). Исходные порошки смешивают и подвергают высокоэнергетической обработке в шаровой мельнице до образования гранул материала, представляющего собой матрицу на основе меди с равномерно распределенными в ней упрочняющими частицами в количестве 0,35-0,55 мас. % от общей массы. Далее смесь прессуют, спрессованную заготовку уплотняют путем экструдирования в нагретом состоянии. Полученный материал имеет высокие значения электропроводности, электродугового износа и температуры разупрочнения.
4
3
К недостаткам способа относятся не только трудоемкость его осуществления, но и загрязнение материала продуктами разрушения мелющих тел шаровой мельницы, а также карбидом алюминия AlC, легко образующимся в описанных условиях получения материала. Указанный карбид даже при комнатной температуре может взаимодействовать с влагой воздуха, образуя метан и гидроксид алюминия. Однако авторы способа, к сожалению, не проанализировали возможность разрушения коммутирующих поверхностей при наличии влаги воздуха.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения композиционного сплава на основе меди электротехнического назначения, включающий расплавление меди, введение в медный расплав смеси порошковых компонентов, содержащей графит и хром, при вертикальной низкочастотной вибрации тигля с расплавом (Химическая физика и мезоскопия. 2013. Т. 15. №2. С. 262-269). Для получения литых композитов с содержанием 10-20 мас. % Cr, 4-5 мас. % C использовались порошки различных фракций: хром, как крупный (100-500) мкм, так и мелкий (1-100) мкм, графит с размером частиц (1-500) мкм.
Недостатками описанного способа являются технологические сложности осуществления колебания тигля с расплавом, особенно при больших объемах расплава, а также необходимость дополнительного перемешивания расплава с твердыми компонентами для получения однородной структуры литого сплава. Кроме того, получаемый материал имеет низкую и неоднородную по сплаву твердость и повышенное электросопротивление, обусловленные присутствием крупных частиц графита в структуре композиционного сплава и хрома в кристаллической решетке медной матрицы.
Задача, которая решается настоящим изобретением, заключается в удешевлении и упрощении способа получения композиционного материала медь-графит, в котором графит находится в составе структурных комплексов «ядро (графит) - оболочка (карбиды хрома)».
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение способа получения композиционного материала медь-графит электротехнического назначения, обладающего повышенными функциональными свойствами за счет механической активации процесса образования карбидной оболочки вокруг включений графита и равномерного распределения структурных комплексов «графит - карбидная оболочка» в расплаве меди.
Указанный результат достигается в способе получения композиционного материала на основе меди для электрических контактов, включающем расплавление меди, введение в медный расплав смеси порошковых компонентов, содержащей графит и хром, с одновременным воздействием на полученный расплав вертикальными низкочастотными колебаниями, последующую кристаллизацию расплава, согласно изобретению смесь порошковых компонентов вводят в медный расплав при температуре 1030-1300°C при следующем соотношении, мас.%:
графит
0,2-2,0
хром
0,1-1,0
медь
остальное
и следующем фракционном составе используемых порошков, мкм: графит, хром - 0,1-10,0 мкм, а механическую активацию расплава низкочастотными колебаниями с частотой 40-100 Гц проводят в неподвижной емкости вибрирующим поршнем-активатором, погруженным в расплав и обеспечивающим интенсивное перемешивание во всем объеме расплава в течение 1-10 минут.
Предлагаемый способ получения композиционных материалов медь-графит по литейной технологии позволяет получать беспористый сплав с высокими функциональными свойствами. Высокая дугостойкость и твердость материала реализуется за счет присутствия свободного графита в структурных комплексах «ядро (графит) - оболочка (карбиды хрома)», равномерно распределенных по всему объему сплаву.
Формирование карбидной оболочки вокруг включений графита обеспечивает сохранение графита в медной матрице, невозможное в литых сплавах в отсутствие карбидообразующих элементов (в частности, Cr).
Полученные композиты обладают беспористой структурой, обусловленной активным движением жидкой меди между твердыми частицами включений, а также отсутствием межфазных границ медь-графит.
На межфазной границе «медь-графит» медь изолирована от графита слоем карбидов хрома, хорошо смачивающихся расплавом меди (Расплавы. 2009. №5. С. 3-9). Синтез карбидов хрома происходит непосредственно в расплаве меди при небольших его перегревах и воздействии низкочастотной вибрации в течение 1-10 мин.
Таким образом, графит в сплаве находится в составе структурных комплексов «ядро (графит) - оболочка (карбиды хрома)». Карбиды хрома при этом присутствуют в сплаве в двух формах: в виде прослойки между медью и графитом и в виде отдельных дисперсных включений, образовавшихся из наиболее мелких частиц графита.
Применение низкочастотной вибрации поршня-излучателя, погруженного в расплав меди, для замешивания в него порошков графита и хрома при неподвижном тигле с расплавом позволяет не только равномерно распределить матрицу по всему расплаву, но и понизить температуру обработки расплава для более эффективного протекания процесса карбидообразования.
Установлено, что использование согласно изобретению порошков графита и хрома фракций от 0.1 до 10.0 мкм позволяет достичь необходимого эффекта, так как частицы размерами менее 0.1 мкм полностью переходят в карбидную фазу, а более 10.0 мкм - приводят к образованию слишком крупных гетерогенных включений, снижающих механическую прочность коммутирующих поверхностей контакт-деталей.
Соотношение вводимых порошков графита и хрома определяется условиями работы электроконтактов, требующих определенной стойкости к свариванию, предотвращению окисления и снижению времени горения электрической дуги, и должно обеспечить избыток графита выше стехиометрического соотношения в высшем карбиде хрома.
Относительное содержание графита менее 0,2% не приводит к заметному повышению электроэрозионной стойкости, а выше 2,0% - снижает механическую прочность электроконтактов.
Содержание хрома в сплаве менее 0,1 мас. % недостаточно для одновременного обеспечения сплаву способности к его дисперсионному упрочнению и образованию карбидной оболочки вокруг частиц графита, а свыше 1,0 масс. % сильно снижает электропроводность сплава. При этом соотношение вводимых порошков графита и хрома зависит от условий работы электроконтактов, требующих определенной стойкости к их свариванию, предотвращению окисления и снижению времени горения электрической дуги и должно обеспечить избыток графита выше стехиометрического соотношения в высшем карбиде хрома.
Частота вибрации поршня-активатора, погруженного в расплав, выше или ниже пределов 40-100 Гц не создает активного перемешивания расплава во всем обрабатываемом объеме.
Время перемешивания расплава с порошками ограничивается снизу (1 мин) - временем, достаточным для образования карбидного слоя на поверхности графитовых частиц и необходимым для равномерного распределения гетерогенных частиц по расплаву, а сверху (5 мин) - сохранением части графита в центре структурных комплексов «ядро (графит) - оболочка (карбид)» и предотвращением коагуляции конгломератов из гетерогенных включений (Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2013, Vol. 54, No.3, pp. 215-219).
Температура замешивания порошков в расплав ограничивается снизу (1030°C) - большой вязкостью расплава, препятствующей перемешиванию жидкости и твердых частиц, сверху (1300°C), - повышением окисляемости меди, а также целью удешевления технологии.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Получение материала осуществляется следующим образом. Медный пруток марки M1 расплавляют в печи сопротивления в графитовом тигле под слоем аргона. На зеркало расплава при температуре 1050-1300°C подают смесь порошков графита МГ1 фракции 0,1-10 мкм и хрома фракции 0,1-10 мкм. В расплав погружают поршень-вибратор, изготовленный из графита, прогрев его предварительно до 1000°C. Смесь расплава и порошков обрабатывают колебаниями поршня-вибратора с частотой 40-100 Гц на лабораторной установке. Полученную суспензию разливают по графитовым изложницам размерами 10×10×150 мм. После закалки слитки отжигают на дисперсионное твердение в стандартных для хромовых бронз условиях (450°C в течение 2 часов).
Структуру полученных сплавов исследовали на шлифах поперечного разреза слитков на инвертированном металловедческом микроскопе OLIMPUS GX-51. На трех различных участках слитков измеряли структурно-чувствительные физико-механические свойства сплавов - твердость по Бринеллю (нагрузка 250 кг, диаметр шарика 5 мм) и удельную электропроводность (ρ) на микроомметре ИКС-5.
Для сравнения электроэрозионной стойкости композиционных материалов (износ под воздействием электрической дуги), полученных по способу-прототипу и заявляемому способу, из полученных сплавов и меди марки M1 были изготовлены контакт-детали с плоской поверхностью (ГОСТ 3884-77) высотой 20 мм и диаметром 10 мм. Сравнительные испытания контакт-деталей на электроэрозию проводили на лабораторном испытательном стенде, имитирующем работу контактора переменного тока (испытательный ток 100 А, напряжение 25 В). Изменение массы контакт-деталей измеряли после их работы в течение 5000 рабочих циклов включение-отключение.
Условия получения сплавов, их физико-механические свойства и результаты испытаний на эрозионную стойкость приведены в Таблице.
В качестве образцов сравнения были выбраны медь марки M1 и сплав, приготовленный по способу-прототипу, полученный в условиях, указанных в Таблице.
Все измеренные свойства являются функциональными: твердость определяет несминаемость соударяющихся контакт-деталей, электросопротивление - их проводящую способность и температуру разогрева, коммутационный износ - работоспособность коммутирующих поверхностей.
Сравнение функциональных свойств сплава-прототипа (№1) и сплава по заявляемому способу (№2), различающихся лишь способом обработки расплава низкочастотными колебаниями, показывает, что сплав-прототип обладает гораздо большим разбросом значений физико-механических свойств и более высоким (на порядок) электроэрозионным износом. Исследования структуры показали, что причиной разброса твердости и электропроводности по длине слитка является сильно макронеоднородное строение сплава, проявляющееся в неравномерном распределении включений графита по объему, а также наличие крупных включений частично нерастворенных в меди частиц хрома и недиспергированного графита. На практике такая неоднородность сплава и наличие слабых мест в его структуре приводит к дестабилизации и быстрому выходу из рабочего состояния электроконтактов, изготовленных из такого сплава.
Напротив - все сплавы, полученные по заявляемому способу, обладают по сравнению с прототипом более высокими значениями твердости, электропроводности и меньшим разбросом их значений и, главное, в разы меньшим коммутационным износом.