НАНОКОМПОЗИЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
NANOCOMPOSITE ELECTRO-CONTACT MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к области электротехники и нанотехнологии, в частности к разработке нанокомпозиционных электроконтактных, жаропрочных, электроэрозионностойких, электротехнических, наноструктурированных материалов на основе меди (Cu), которые могут быть использованы в производстве силовых разрывных электрических контактах, в переключателях мощных электрических сетей и вакуумных дугогасительных камерах.
При изготовлении указанных материалов необходимо получить сочетание высокой электропроводности, для чего в качестве основы используют Cu, и высокой износостойкости при воздействии электрической дуги, для чего необходимо вводить в состав композиционного материала тугоплавкие металлы с высокой температурой плавления и испарения, таких как вольфрам (W), хром (Cr) и молибден (Мо). Медь не смешивается и не взаимодействует с вольфрамом, хромом и молибденом, образуя при спекании псевдосплавы различного состава: Cu-Cr, Cu-W, Cu-Mo.
Известен материал и способ изготовления электрических контактов на основе Cr и Cu, включающий приготовление шихты механическим смешиванием порошков Cr и Cu, прессование и предварительное восстановление в атмосфере остроосушенного водорода с выдержкой при температуре 250-700°C, жидкофазное спекание при температуре 1100-1250°C в атмосфере остроосушенного водорода или твердофазное спекание при температуре не выше 1050°C в атмосфере водорода или в вакууме, дополнительный нагрев изделий до температуры 300-950°C в атмосфере водорода и осадку в закрытом штампе, при этом перед смешиванием порошков Cr и Cu проводят обкатку шарами частиц порошка хрома выполняют в течение 25-27 часов в медном барабане валковой мельницы в режиме «перекатывания» при соотношении массы шаров или обкатывающих тел и порошка 1:2 (RU 2369935, H01H 1/02, 10.10.2009).
Недостатком известного материала и способа его получения является длительность процесса измельчения порошка хрома (не менее 25 часов), крупный размер частиц хрома, средний диаметр которых после механической обработки составляет 53,2-57,9 мкм, высокая пористость материала для контактов (до 2%).
Известен способ получения псевдосплава Cu-Cr с дисперсной структурой, включающий активацию путем смешивания исходных порошков Cu и Cr в качестве тугоплавкого металла в смесителе со смещенной осью вращения, прессование активированных порошков и их спекание в вакууме при температуре 1000-1100°C в течение 2 часов, при этом активацию исходных порошков шихты в смесителе осуществляют мелющими телами в виде металлических шариков диаметром 8-10 мм, при соотношении массы мелющих тел и исходных порошков 15:1, продолжительности смешивания шихты 3-3,5 часа и скорости вращения смесителя 60 об/мин (RU 2344189, C22C 1/04, B22F 3/12, C22C 9/00, 10.02.2008).
Изобретение позволяет получать компактный псевдосплав Cu-Cr с дисперсной структурой, с размерами частиц 40 мкм, твердостью по Бринеллю до 85 НВ, пределом прочности при растяжении до 290 МПа, с объемной усадкой при спекании при 1100°C, равной 8-10%.
Недостатком способа является продолжительность процесса (общее время не менее 6 часов), низкие механические свойства конечного материала, крупный размер частиц.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ получения Cu-Mo композиционного материала (20-30 мас.% Cu), который включает приготовление смеси из промышленных порошков молибдена в качестве тугоплавкого металла и меди, путем размола и перемешивания в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице, обеспечивающей центростремительное ускорение мелющих тел не менее 40 g, в течение не менее 10 минут, прессование активированной смеси при усилии не более 150 МПа, поэтапное спекание в среде водорода, при этом первоначальный нагрев осуществляют до температуры восстановительной выдержки не менее 800°C, выдержке при этой температуре не менее одного часа и последующий нагрев до окончательной температуры спекания со скоростью не более 10°C в минуту, выдержку при этой температуре в течение не менее 30 минут (RU 2292988, B22F 3/12, C22C 1/04, 10.02.2007).
Недостатком известного способа является продолжительность процесса (не менее 2 часов), получение материала с пористостью до 2% и размером частиц более 30 нм.
Недостаточно высокие свойства описанных материалов ограничивают их использование в производстве силовых разрывных и дугогасительных контактов в переключателях мощных электрических сетей, работающих в условиях больших токов и высоких напряжений.
В первом и втором объектах изобретения достигается технический результат, заключающийся в упрощении способа, повышении твердости, снижении пористости и удельного электросопротивления материалов при размере частиц не более 10 нм.
Технический результат в первом объекте достигается следующим образом.
Нанокомпозиционный электроконтактный материал на основе меди состоит из частично разупорядоченной матрицы на основе меди, в которой распределены кластеры тугоплавких частиц размером менее 5 нм. При этом содержание тугоплавких частиц от 20 до 80 мас.%.
В качестве тугоплавких частиц используют хром или вольфрам или молибден.
Технический результат во втором объекте достигается следующим образом.
Способ получения нанокомпозиционного электроконтактного материала включает высокоэнергетическую механическую обработку (ВЭМО) смесей металлов в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице с последующим твердофазным спеканием полученной активированной смеси. Высокоэнергетическую обработку проводят в атмосфере аргона при соотношении масс шаров и исходных порошков 20:1-40:1, при скорости вращения планетарного диска планетарной мельницы 694-900 об/мин и продолжительности обработки не более 90 минут.
Затем проводят спекание полученных нанокомпозионных частиц с размером тугоплавкого металла менее 5 нм, которое осуществляют методом искрового плазменного спекания. При этом в камере создают вакуум или атмосферу инертного газа и через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 1000-5000A под нагрузкой до 50 МПа. При этом температура спекания не превышает 1000°C при продолжительности процесса не более 15 минут.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена микроструктура псевдосплавов после искрового плазменного спекания (ИПС), где
а - псевдосплав Cu-Cr, без ВЭМО, спеченный методом ИПС (900°C, 100°C/мин, 10 мин, 50 МПа);
б - псевдосплав Cu-Cr, с ВЭМО (694 об/мин, K=1.0, 60 мин, 1:20) +ИПС (700°C, 100°C/мин, 10 мин, 50 МПа);
в - псевдосплав Cu-Cr, с ВЭМО (900 об/мин, K=1.0, 60 мин, 1:20) +ИПС (700°C, 100°C/мин, 5 мин, 50 МПа);
г - псевдосплав Cu-Cr, с ВЭМО (900 об/мин, K=1.0, 60 мин, 1:40) +ИПС (700°C, 100°C/мин, 5 мин, 50 МПа);
д - псевдосплав Cu-Cr, с ВЭМО (900 об/мин, K=1.0, 90 мин, 1:20) +ИПС (700°C, 100°C/мин, 5 мин, 50 МПа).
Нанокомпозиционный электроконтактный материала, полученный согласно способу, представляет собой нанокомпозит, состоящий из кластеров на основе тугоплавких частиц размером менее 5 нм, распределенных в частично разупорядочной матрице, характеризующийся тем, что имеет плотность до 99%, твердость по Виккерсу 2,5-11 ГПа, электросопротивление 7-10 мкОм·см.
В качестве основных исходных компонентов для получения экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов Cu-Cr, Cu-W, Cu-Mo для электрических контактов используются порошки металлов: Cu (порошок медный электролитический) марки ПМС-В (ГОСТ 4960-75); Cr (порошок хрома восстановленный) марки ПХ1М; Мо (молибденовый порошок) марки ПМ99,95 (ТУ 48-19-316-80); W (вольфрамовый порошок) марки ПВ2 (ТУ 14-22-143-2000).
Размол и перемешивание смеси исходных порошков меди и тугоплавкого металла проводят в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице «Активатор-28» мелющими стальными шарами в течение не более 1 часа. За счет интенсивной механической обработки порошков в мельнице происходит их активация и измельчение до наноразмеров не более 10 нм. Этот первый этап способа принято обозначать как ВЭМО.
После ВЭМО исходных порошков в мельнице «Активатор-28», полученные активированные нанокомпозитные смеси порошков Cu-Cr, Cu-W, Cu-Mo спекают на установке ИПС (Spark Plasma Sintering - Labox 650, SinterLand, Япония), второй этап способа.
ИПС - это один из способов спекания (консолидации) порошка в присутствии электрического поля, в котором применяются низковольтные источники импульсов тока.
Сущность способа заключается в следующем.
Смесь исходных порошков меди и тугоплавкого металла загружают в барабан мельницы «Активатора 2S», затем крышка барабана плотно закручивается. Клапан на крышке подсоединяется к вакуумному шлангу и производится вакуумирование барабана с помощью форвакуумного насоса до остаточного давления 0,01 Па. Через этот же клапан барабан заполняется инертным газом (аргоном) до атмосферного давления. После этого барабан отсоединяется от вакуумного шланга и устанавливается в полость на корпусе редуктора установки «Активатор 2S».
ВЭМО порошковых смесей Cu-Cr, Cu-Mo и Cu-W проводят при скорости вращения барабанов 694-900 об/мин и продолжительности активации не более 60 минут.
Затем полученные активированные нанокомпозитные смеси порошков Cu-Cr, Cu-W, Cu-Mo спекают на установке ИПС (Spark Plasma Sintering - Labox 650, SinterLand, Япония). Это второй этап способа.
Для проведения ИПС готовят навески активированных порошковых смесей Cu-Cr, Cu-Mo или Cu-W, одну из смесей помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум или атмосферу инертного газа и через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 1000-5000 A под нагрузкой 20-50 МПа, при этом спекание осуществляют при температуре не выше 1000°C в течение не более 15 минут. Скорость нагрева до температуры спекания 700-1000°C составляет 100-500°C/мин. Образец выдерживают при заданной температуре в течение 5-15 минут. Короткие импульсы тока высокой энергии порождают искры на поверхности спекаемого образца зерен Cu и тугоплавкого металла, благодаря этому нагрев образца производится равномерно, при минимальном воздействии на микроструктуру.
После чего образец охлаждают до комнатной температуры и отделяют от пуансонов механическим способом.
Контроль качества образцов проводится на каждой технологическом этапе и осуществляется как визуальным осмотром, так и с использованием аппаратурных методик.
В комплексном исследовании микроструктуры и фазового состава были использованы методы порошковой рентгеновской дифракции (рентгеноструктурный анализ), растровой (сканирующей) электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, дифракции электронов и другие. Исследованию подвергались не только образцы псевдосплавов, полученные согласно предлагаемому способу, но и коммерческие образцы аналогичных материалов, представленные Индустриальным партнером. Это необходимо для проведения сравнительного анализа структуры, химического и фазового составов и определения «точки отсчета» в создании новых материалов. Для спеченных образцов Cu-Cr, Cu-W, Cu-Mo осуществляется также контроль прочностных характеристик, пористости, электросопротивления и микроструктуры.
Сущность изобретения подтверждается примерами
Пример 1.
Получение нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-Cr (Фиг. 1 б-г).
Порошки Cu и Cr смешивают при соотношении 55 мас.% Cu и 45 мас.% Cr. Приготовленную смесь подвергают ВЭМО (измельчению и перемешиванию) в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 694 об/мин. Соотношение шаров к смеси порошка составляет 20:1. Использовались стальные шары 7 мм в диаметре. Время обработки 60 минут.
Полученный активированный композитный порошок подвергают ИПС, для этого порошок помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 1000 A под нагрузкой 50 МПа и спекают образец при температуре 700°C в течение 10 мин со скоростью подъема температуры 100°C/мин. В результате получают образцы в форме дисков диаметром 15-50 мм и толщиной 2-6 мм.
Нанокомпозиционный электроконтактный материал имеет следующие характеристики: гомогенную практически беспористую наноструктуру, Пористость 1%, твердость по Виккерсу - 3,8 ГПа, удельное электросопротивление - 7 мкОм·м (24% ICAS).
Твердость данного материала в 3 раза выше твердости всех исследуемых промышленных образцов. Значение удельного сопротивления возрастает примерно на 25-50% по сравнению со значением промышленных образцов, что позволяет использовать его для электроконтактных материалов.
При повышении скорости оборотов до значения 900 на первом этапе и повышении скорости нагрева до 500°C/мин на втором этапе удается повысить твердость до 5 ГПа (Фиг. 1в). Увеличение продолжительности ВЭМО до 90 минут на первой стадии процесса позволяет повысить твердость конечного материала до 5,2 ГПа (Фиг. 1д). Снижение соотношения количества смеси к количеству шаров 1:20 или 1:40 не влияет на твердость (Фиг. 1в и Фиг. 1г).
Исследования на просвечивающем электронном микроскопе со сверхвысоким разрешением (увеличение до 2000000 раз) показали, что материал представляет собой нанокомпозит, состоящий из кластеров на основе хрома размером 4-5 нм, распределенных в частично разупорядоченной матрице на основе Cu.
Микроструктура псевдосплавов после ИПС показана на фиг. 1 а-д, где светлые частицы - Cu, темные - Cr.
Пример 2.
Получение нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-W
Порошки Cu и W смешивают с соотношением 20 мас.% Cu и 80 мас.% W. Приготовленную смесь подвергают ВЭМО измельчению и перемешиванию в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 900 об/мин. Соотношение шаров к смеси порошка составляет 40:1. Использовались стальные шары 7 мм в диаметре. Время обработки 60 минут.
Полученный активированный композиционный порошок подвергают спеканию методом ИПС при 900°C, 950°C и 1000°C со скоростью 100°C/мин в атмосфере аргона, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 5000A под нагрузкой 50 МПа и проводят спекание при указанных температурах в течение 10 мин.
Микроструктура образцов для Cu-W схожа с микроструктурой материала по примеру 1.
Нанокомпозиционный электроконтактный материал имеет следующие характеристики: пористость 1%, твердость по Виккерсу от 2,5 до 11 ГПа, удельное электросопротивление - 8 мкОм·см (19% ICAS).
Пример 3.
Получение нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-Mo
Порошки Cu и Mo смешивают с соотношением 50 мас.% Cu и 50 мас.% Mo. Приготовленную смесь подвергают измельчению и перемешиванию в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 900 об/мин. Соотношение шаров к смеси порошка составляет 20:1. Использовались стальные шары диаметром 7 мм. Продолжительность обработки 60 минут.
Полученный активированный композиционный порошок подвергают ИПС в атмосфере аргона, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 1000 A под нагрузкой 50 МПа и проводят спекание при температуре 900°C в течение 10 мин. В результате получают образцы в форме дисков диаметром 15-50 мм и толщиной 2-6 мм.
Микроструктура образца схожа с микроструктурой материала по примеру 1.
Нанокомпозиционный электроконтактный материал Cu-Mo имеет следующие характеристики: пористость 1%; твердость по Виккерсу - 3,4-3,9 ГПа, удельное электросопротивление - 9,3 мкОм·см (18,5% ICAS).
Как следует из примеров описания, предлагаемый инновационный способ отличается простотой выполнения, так как позволяет проводить компактирование порошковых материалов при относительно низких температурах 700-1000°C, сохраняя тем самым наноструктуру активированных порошков. Кроме того, общая продолжительность получения целевого материала не превышает 2 часа (для известных способов продолжительность составляет более 10 часов), что в значительной мере снижает расход электроэнергии.
Нанокомпозиционный электроконтактный материал, полученный предлагаемым способом состоит из кластеров металла с размерами от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров, разделенных между собой каркасом Cu фазы, которые в свою очередь, состоят из округлых нанометровых зерен тугоплавкого металла (меньше 100 нм), окруженных матрицей Cu. Такая структура предлагаемого материала обладает повышенными эксплуатационными свойствами по сравнению с материалами аналогов и промышленными материалами для контактов, например, ОАО "ПОЛЕМА" и компаний Китая и Германии.
Потенциальными потребителями материала, полученного по предлагаемому способу являются: электротехническая промышленность, где необходимы высокая электрическая проводимость, высокие механические, физические и эксплуатационные свойства, такие как прочность, твердость при комнатной и повышенной температурах, термическая стабильность, дугостойкость, для применения в производстве силовых разрывных и вакуумных дугогасительных контактов в переключателях (размыкателях) мощных электрических сетей, работающих в условиях больших токов и высоких напряжений.