СПЕЧЕННЫЙ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ МЕДИ
SINTERED ELECTRO-CONTACT MATERIAL ON BASE OF COPPER

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к спеченным материалам на основе меди, предназначенным для изготовления разрывных и скользящих электрических контактов.
Известен материал для разрывных электроконтактов на основе меди (патент РФ №2122039, МПК Н01Н 1/02, С22С 9/00, опубликованный 20.11.1998), содержащий мелкодисперсные алмазы, кадмий, нитрид бора, ванадий, ниобий и молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%: частицы алмаза 0,01-2,0; нитрид бора 0,05-0,5; кадмий 0,5-4,0; ванадий 0,1-8,0; ниобий 0,2-6,0; молибден 0,2-5,0; медь - остальное, причем суммарное содержание ванадия, ниобия и молибдена не превышает 10%.
Недостатком предложенного материала является высокая токсичность кадмия, способного накапливаться в организме человека.
Наиболее близким техническим решением является спеченный электроконтактный материал на основе меди (патент РФ №2208654, МПК Н01Н 1/02, С22С 9/00, опубликованный 20.07.2003), содержащий ультрадисперсный порошок оксида цинка, алюминий, медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: ультрадисперсный порошок оксида цинка 1-5; алюминий 0,001-0,005; медь - остальное.
Недостатком данного материала является низкая плотность и твердость, высокая интенсивность изнашивания.
Техническим результатом изобретения является повышение твердости и плотности, снижение интенсивности изнашивания без потери остальных физико-механических свойств электроконтактного материала.
Поставленная задача для решения технического результата достигается введением вольфрама в спеченный электроконтактный материал на основе меди, содержащий ультрадисперсный порошок оксида цинка и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ультрадисперсный порошок оксида цинка
2,2-2,5
Алюминий
0,001-0,005
Вольфрам
3-10
Медь
остальное
Введение вольфрама в состав электроконтактного материала позволяет повысить твердость и дугостойкость электроконтактов. Исследования показали, что содержание вольфрама в составе электроконтактного материала менее 3 мас.% и более 10 мас.% приводит к резкому росту удельного электросопротивления.
Пример:
Для получения спеченного электроконтактного материала были приготовлены три смеси компонентов, массовый состав которых приведен в табл.1.
Таблица 1
№ состава
Состав электроконтактного материала, мас.%
Вольфрам
Ультрадисперсный порошок оксида цинка
Алюминий
Медь
1
3
2,20
0,001
94,8
2
6
2,30
0,002
91,7
3
10
2,50
0,005
87,5
Для изготовления спеченного электроконтактного материала использовалась следующая технологическая схема: использовались порошки со средним размером частиц: меди - 100 мкм, вольфрама - 60 мкм, ультрадисперсного порошка оксида цинка - 0,008 мкм, алюминия - 70 мкм.
На первом этапе готовилась лигатура из порошков меди, ультрадисперсного порошка оксида цинка и алюминия, для предотвращения агломерирования частиц ультрадисперсного порошка оксида цинка при смешивании и спекании (агломераты оксида цинка ухудшают теплоотвод из контактной зоны, что приводит в условиях длительного включения к недопустимому перегреву электроконтактов). Соотношение меди и алюминия в лигатуре - 94% Сu и 6% Аl обосновывается тем, что при нагреве до температуры 640-650°С, в соответствии с диаграммой состояния Cu-Al, идет экзотермическая реакция с образованием алюминиевой бронзы, в которой при спекании равномерно распределяются частицы ультрадисперсного порошка оксида цинка, что приводит к повышению электропроводности и теплоотвода в электроконтактах. Количество лигатуры по отношению к основному материалу - меди в составе смеси составляет 4 мас.%.
На втором этапе для приготовления шихты в шаровой мельнице смешивали порошки меди, вольфрама, заранее приготовленной лигатуры и пластификатора (в качестве пластификатора использован 4%-ный водный раствор поливинилового спирта). Сушку шихты проводили при температуре 100°С до сухого состояния, после чего гранулировали и прессовали в жесткой матрице при удельном давлении прессования Р≤100 МПа. Спекание образцов проводили в 2 этапа в вакууме. Начальный этап проходил в течение 1 часа при температуре 300°С для выжигания остатков пластификатора и частичного восстановления окисленных порошков меди. На конечном этапе температура составляла 940±20°С и время выдержки t=2-3 часа. Для обеспечения требуемой плотности спеченные контакты калибровали при удельном давлении Р=800-1000 МПа, после чего подвергали отжигу в вакууме для снятия остаточных напряжений при Т=500°С со скоростью нагрева не выше 20°С/мин.
Испытания спеченных электроконтактных материалов производились в соответствии с требованиями действующих ГОСТ и ТУ. Результаты испытаний работоспособности и эксплуатационных характеристик приведены в табл.2.
Таблица 2
Состав №
Свойства
Плотность (γ<sub>изм</sub>), г/см<sup>3</sup>
Твердость, НВ
Удельное электросоп-ротивление (ρ), мкОм·м
Интенсивность изнашивания, 10<sup>-6</sup> г/цикл
Прочность напайного соединения σ<sub>среза</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
1
8,15
115
0,035
0,20
1,8
2
8,87
117
0,021
0,07
2,0
3
8,88
119
0,035
0,25
1,8
Патент №2208654
8,5-8,6
110-115
0,023-0,036
0,09-0,34
>2
н
н
-6
По условиям испытаний на коммутационный износ спеченные электроконтактные материалы наработали 4000 циклов "включение-выключение" при напряжении сети U=380 В, силе тока I=250 А, частоте f=50 Гц, cos φ=0,8. Коммутационный износ предлагаемого спеченного электроконтактного материала не превысил 0,07·10 г/цикл (табл.2), что соответствует ТУ.
Наилучшую стойкость в условиях эксплуатации и требуемый уровень физико-механических свойств (низкое электросопротивление, отсутствие свариваемости, прочность на срез и т.д.) показал состав №2.