СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ И РАЗРЫВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ И МАТЕРИАЛ
METHOD OF MATERIAL MANUFACTURING FOR ARC-QUENCHING AND ELECTRIC BREAK CONTACTS AND MATERIAL

Область техники.
Изобретение относится к производству материалов дугогасительных и разрывных электрических контактов и может быть использовано в контакторах подстанций, электровозов, метропоездов и другого городского электрифицированного транспорта.
Предшествующий уровень техники
2
В патенте RU2202642 раскрывается способ изготовления композиционного материала на основе меди для дугогасительных и разрывных электрических контактов, включающий получение порошковой смеси, содержащей частицы меди в виде предварительно измельченной стружки и упрочнителя, содержащего по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, включающей хром, вольфрам, NbCr и карбид кремния, в количестве, не превышающем 50 мас.%, с исходной дисперсностью 10-40 мкм, размол упомянутой смеси в высокоэнергетической мельнице, последующее холодное компактирование в брикеты, нагрев до температуры, не превышающей температуру начала рекристаллизации медного твердого раствора, и прессование при этой температуре с получением материала, состоящего из матрицы на основе медного твердого раствора и распределенного в ней упрочнителя.
2
Композиционный материал, полученный данным способом, содержит медь и по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, включающей хром, вольфрам, NbCr и карбид кремния, в количестве, не превышающем 50 мас.%.
К недостаткам известного технического решения относится то, что не только прессование и спекание, но и хранение порошка после механического легирования необходимо проводить в защитной атмосфере, что значительно сокращает срок хранения. Также к недостаткам можно отнести относительно невысокую дугостойкость и износостойкость как самого материала, так и контртела. Обычно эти характеристики повышаются при введении графита.
Наиболее близкие к предложенному способ и материал, выполненный данным способом, раскрываются в патенте RU 2088682. Способ включает смешение частиц графита, плакированных карбидом, по крайней мере одного металла IV-VI групп Периодической системы с порошками меди или ее сплавов, формование из готовой смеси материала путем одноосного прессования с нагрузкой 5-25 МПа и спекание материала в вакууме при температуре от 1100 до 1600°C или в атмосфере защитного газа (азота или аргона) при температуре 1350-1660°C. При этом в процессе спекания происходит растекание меди по плакированному графиту.
Этот материал содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: частицы графита 6,3-60,0, по крайней мере один карбид металла IV VI групп Периодической системы -15-60 и медь или сплав на основе меди - остальное.
Материал обладает сравнительно высоким удельным электрическим сопротивлением. При содержании меди 70% его удельное электрическое сопротивление составляет около 0,3 мкОм·м. Из-за высокой пористости известного материала (не менее 30%) этот материал невозможно надежно припаять к медным держателям контакта.
Это ограничивает область его применения только скользящими электрическими контактами, для разрывных и дугогасительных электрических контактов данный материал использовать нельзя.
Кроме того, сложная многостадийная технология изготовления значительно повышает стоимость материала.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание простой и недорогой технологии получения материала для разрывных и дугогасительных электрических контактов, обладающих улучшенной способностью к пайке с медью.
2
Поставленная задача решается способом изготовления материала для дугогасительных и разрывных электрических контактов, который включает смешение частиц графита, плакированных карбидом ниобия или карбидом хрома, с порошками меди или ее сплавов при следующем соотношении компонентов, мас.%: частицы графита 5-20, карбид хрома или карбид ниобия 5-20, медь или сплав на основе меди - остальное, причем отношение содержания графита к содержанию упомянутого карбида составляет 0,9-1,1, формование из полученной смеси заготовки путем прессования под давлением до плотности не менее 70% от теоретической плотности и последующее спекание заготовки пропусканием импульсов электрического тока плотностью 100-300 А/мм.
В частных воплощениях изобретения формование заготовки проводят под давлением от 100 до 200 МПа при комнатной температуре.
Поставленная задача решается также материалом для дугогасительных и разрывных электрических контактов, который получен способом в соответствии с вышеизложенным способом и имеет пористость, не превышающую 5%.
Сущность предложенного технического решения состоит в следующем.
Материал получают путем смешения компонентов в определенном заданном отношении, мас.%: частицы графита 5-20, карбид хрома или карбид ниобия 5-20, медь или сплав на основе меди - остальное. Важным является регламентирование отношения содержания графита к содержанию упомянутого карбида в интервале 0,9-1,1.
Такое соотношение позволяет получить на частицах графита сплошное и относительно плотное покрытие карбида, что позволяет обеспечить надежное смачивание частиц графита медью при пайке материала.
Полученная смесь подвергается предварительному обжатию под давлением 100-200 МПа при комнатной температуре для получения заготовки композиционного материала. Плотность заготовки после обжатия должна составлять не менее 70% от теоретической плотности.
Под теоретической плотностью (идеальной плотностью) понимается плотность беспористого материала.
Данная операция проводится с целью уменьшения хода электродов на контактной установке при проведении последующего спекания путем воздействия электрического тока. Во время спекания при прохождении электрического тока через толщу порошковой смеси происходит ее расплавление и объем, занимаемый смесью, становится меньше. В этом случае скорость перемещения электродов может быть меньше скорости уменьшения объема получаемого материала.
Вследствие этого между электродами и сопрягаемой с ним поверхностью материала могут образовываться пустоты, что равносильно разрыванию электрических контактов при пропускании электрического тока большой мощности. Это приводит к образованию микродуг, а следовательно, к нежелательным последствиям, таким как выход из строя электродов пуансонов, выгорание части материала, сваривание электродов с частицами порошковой смеси и др.
Все эти явления могут происходить, если плотность заготовки будет меньше 70% от теоретической.
Для формирования заготовки в некоторых воплощениях изобретения целесообразно прессование вести при комнатной температуре с давлением при обжатии 100-200 МПа.
2
Последующее спекание полученной таким образом заготовки осуществляется путем пропускания импульсного электрического тока с плотностью 100-300 А/мм с одновременным одноосным обжатием электродами материала с давлением 50-200 МПа.
В результате получается материал, полученный по упрощенной технологии без применения вакуума или защитных атмосфер, пористость которого составляет 1-5%. Медь надежно смачивает частицы модифицированного графита и материал надежно припаивается к медным держателям. Удельное электрическое сопротивление материала составляет от 0,04 до 0,06 мкОм·м.
Материал может использоваться для дугогасительных и разрывных электрических контактов.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Изобретение можно проиллюстрировать на следующем конкретном примере.
Частицы графита с покрытием из карбидов ниобия или хрома с диаметром 40-200 мкм и толщиной не более 20 мкм и медный порошок с размером менее 100 мкм смешивали при соотношениях, указанных в таблице. Смешение проводили в закрытом вращающемся барабане со скоростью вращения 30 об/мин. Смешение проводили в течение 1 ч.
Результат смешения размещали в стальной цилиндрической пресс-форме с диаметром 12 мм по схеме одноосного нагружения с нагрузкой 100-300 МПа. Полученные сформованные образцы подсушивали.
2
Затем проводили спекание. Сформованные образцы помещались в цилиндрическую пресс-форму с внутренним диаметром 12 мм, изготовленную из изолирующего материала. Сверху и снизу в пресс-форму входили подвижные медные водоохлаждаемые электроды диаметром 12-0,05 мм, одновременно выполняющие роль пуансонов. Между электродами и сформованной заготовкой помещались круглые вольфрамовые пластины толщиной 0,1 мм. Электроды-пуансоны прижимались к торцам сформованной заготовки давлением 50-200 МПа. Между электродами пропускался электрический ток плотностью 100-300 А/мм в течение 2 с.
В результате получали образцы с размерами: высотой 5-8 мм, диаметром 12 мм, из которых механической обработкой изготавливали образцы для измерения плотности, электрического сопротивления, твердости по Бринеллю, дугостойкости под воздействием электрической дуги, прочности паяного соединения с медью. Пайка осуществлялась медно-фосфористым припоем.
Наряду с традиционными методами определения твердости, плотности, удельной электропроводности, определялась потеря объема материала в электрической дуге и прочность паяного соединения материала с медью. Прочность паяного соединения составила от 50 до 150 МПа в зависимости от содержания мели в материале. Причем прочность паяного соединения оказалась выше предела прочности при растяжении самого материала, которая составляет от 30 до 70 МПа в зависимости от содержания меди в материале. Потеря объема в электрической дуге определялась по разности масс образцов до и после прохождения дугового разряда. Между двумя электродами из одинакового испытуемого материала инициировалась электрическая дуга. Расстояние между электродами составляло 10 мм, ток в дуге - 1,5 кА, время горения дуги - 18 мс.
В таблице приведены составы заявленного материала и параметры получения этого материала, а также приведены свойства этих составов.