для электрических контактов.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам изготовления спеченных материалов на основе меди для электрических контактов, используемых в низковольтных и высоковольтных электрических аппаратах, коммутирующих цепи, преимущественно, переменного тока до 630 Ампер. А более точно - к способу изготовления композиционного материала на основе меди для электрических контактов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ изготовления композиционного материала на основе меди для электрических контактов, при котором готовят порошковую смесь по крайней мере из двух порошковых компонентов - проводящего и термостойкого, прессуют порошковую смесь и получают заготовку, которую подвергают спеканию до получения композиционного материала на основе меди для электрических контактов [Патент РФ JYo 2063086, МПК 6 H01HЗЗ/66, Опубл.1996.06.27].

Недостаток описанного способа состоит в большой длительности процесса и, как следствие, в высокой стоимости получаемого материала для электрических контактов. Большая длительность процесса обусловлена необходимостью проведения нескольких загрузок и выгрузок вакуумной камеры для выполнения отдельных технологический операций. Кроме того, качество получаемого материала является недостаточным, в частности, для изготовления контактов вакуумных выключателей, коммутирующих цепи переменного тока даже до 400 А из-за невозможности достижения требуемой степени пропитки порошковой смеси из проводящего и термостойкого материалов медью.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача создания такого способа изготовления композиционного материала на основе меди для электрических контактов, который позволил бы снизить себестоимость изготовления композиционного материала на основе меди для электрических контактов за счет уменьшения количества загрузок и выгрузок вакуумной камеры для выполнения трех отдельных технологический операций за одну загрузку вакуумной камеры - нагревания заготовок в среде инертного газа или водорода до температуры легирования межфазной границы порошковых компонентов хром-медь поверхностно-активным веществом, пропитки заготовки из порошковой смеси меди и хрома легирующими компонентами до образования над заготовкой порошковой смеси меди и хрома слоя меди, охлаждения полученной заготовки и ее отжига.

Поставленная задача решается предлагаемым способом, который, как и известный способ изготовления композиционного материала на основе меди для электрических контактов, при котором готовят порошковую смесь по крайней мере из двух порошковых компонентов - проводящего и термостойкого, прессуют порошковую смесь и получают заготовку, которую подвергают спеканию до получения композиционного материала на основе меди для электрических контактов, а, согласно изобретению, предварительно порошки меди и хрома смешивают в высокоэнергетической мельнице до получения тонкодисперсной гомогенизированной порошковой смеси меди и хрома, полученные порошки прессуют до получения двух прессованных брикетов - одного из смеси порошков меди и хрома, а второго - из порошка меди, между полученными прессованными брикетами размещают источник легирующих компонентов, смесь подвергают нагреванию до температуры 700-900°C в вакуумной камере при разрежении 10 ^'3 - 10 ^"5 мм рт.ст. и выдерживают в таких условиях в течение 30 - 60 минут до удаления вредных примесей и/или включений, затем при температуре 1085-1150°C в среде инертного газа или водорода, полученного из гидрида металла, выполняют легирование межфазной границы порошковых компонентов хром- медь поверхностно-активным веществом с одновременной пропиткой прессованных брикетов из порошковой смеси меди и хрома легирующими компонентами до образования над прессованным брикетом порошковой смеси меди и хрома слоя меди толщиной 2,5 - 5,0 мм, полученную заготовку охлаждают от температуры пропитки 1085 - 1150°C до температуры 900 - 920°C со скоростью равной или превышающей 20 градусов в минуту, охлажденную заготовку подвергают отжигу при температуре 500 - 700°C в течение 30 - 120 минут и получают заготовку композиционного материала на основе меди для изготовления электрических контактов.

Еще одной особенностью предлагаемого способа является и то, что после получения двух прессованных брикетов - из смеси порошков меди и хрома и из порошка меди между ними размещают источник легирующих компонентов, изготовленный в виде сетки.

Также особенностью предлагаемого способа является и то, что после получения двух прессованных брикетов - из смеси порошков меди и хрома и из порошка меди между ними размещают источник легирующих компонентов, изготовленный в виде пленки или фольги.

Особенностью предлагаемого способа является и то, что после получения двух прессованных брикетов - из смеси порошков меди и хрома и из порошка меди между ними размещают источник легирующих компонентов, изготовленный в виде покрытия, которое наносят на поверхность одного из прессованных брикетов.

Еще одной особенностью предлагаемого способа является и то, что после получения двух прессованных брикетов - из смеси порошков меди и хрома и из порошка меди между ними размещают источник легирующих компонентов, изготовленный в виде вакуумного покрытия, которое наносят на поверхность одного из прессованных брикетов через маску.

Еще одной особенностью предлагаемого способа является и то, что легирование межфазной границы порошковых компонентов хром-медь выполняют поверхностно- активным веществом следующего состава (в мac.%):

углерод - 0,10 - 0,12

кремний - 0,06 - 0,08

марганец - 1,80 - 2,00

хром - 17,0 - 18,0

никель - 8,90 - 9,00

титан - 0,70 - 0,80

железо - остальное.

Предварительная обработка и смешивание порошков меди и хрома в высокоэнергетической мельнице направлено на разрушение и деформирование исходных частиц порошков, в результате которой создаются активные поверхности, способные к «xoлoднoмy cвapивaнию» и образованию тонкодисперсной гомогенизированной порошковой смеси меди и хрома (Cu-Cr). Такая смесь не сегрегирует по плотности при выгрузке из барабана, транспортировании и загрузке в матрицу пресс-формы. В процессе обработки смесь активируется, что интенсифицирует последующие процессы пропитки и жидкофазного спекания. Авторами экспертиментально найдены оптимальные режимные параметры термической обработки порошковой смеси меди и хрома в вакуумной камере. Такими параметрами являются температура 700-900 ⁰ C, разрежение 10 ^" - 10 ^" мм рт.ст. и выдержка в таких условиях в течение 30 - 60 минут до удаления вредных примесей и/или включений. Так установлено, что до температуры 700 ⁰ C и выдержке в вакуумной камере менее 30 минут в порошковой смеси меди и хрома присутствуют легколетучие окислы, которые негативно сказываются на качестве получаемого продукта. Нагрев смеси свыше 900°C приводит к началу испарения хрома (при температуре 907 ⁰ C) и меди (при температуре 946°C). Разрежение менее 10 ^" мм рт.ст. не является эффективным, поскольку отмечены случаи окисления порошков. Разрежение свыше 10 ^{" 5} мм рт.ст. экономически не обосновано потому, что дальнейшее вакууммирование не приводит к существенному повышению качества получаемого материала. При выдержке порошков в таких условиях в течение менее 30 минут зарегистрированы случаи неполного удаления вредных примесей, в частности оксидных пленок. Увеличение же выдержки свыше 60 минут экономически не обосновано - не приводит к существенному повышению качества получаемого материала.

Размещение между полученными прессованными брикетами из смеси порошков меди и "меди-хрома" источника легирующих компонентов позволяет при последующем нагревании заготовок в среде инертного газа при температуре 1085-1150 ⁰ C и выдержке 15-20 минут выполнить легирование межфазной границы порошковых компонентов хром-медь поверхностно-активным веществом с одновременной пропиткой брикета из порошковой смеси меди и хрома легирующими компонентами до образования над брикетом порошковой смеси меди и хрома слоя меди толщиной 2,5 - 5,0 мм. Этот процесс происходит за счет улучшения смачивания хрома медью, что приводит к более интенсивной пропитке, к уменьшению количества и размеров закрытых пор в контактном материале, улучшению тепло-физических свойств и уменьшению времени процесса. Оптимальная температура в вакуумной камере 1085-1150°C определена авторами экспериментально. Нижний предел температуры в вакуумной камере 1085 ⁰ C соответствует температуре плавления меди, поэтому не может быть снижен. Повышение же температуры свыше 1150°C приводит к испарению меди, что уменьшает эффективность пропитки брикета. Толщина слоя меди - 2,5 - 5,0 мм - над брикетом порошковой смеси меди и хрома определяется будущими условиями работы контактной пары, изготовленной из создаваемого материала - номинальным током, частотой коммутаций, характером нагрузки. Толщина слоя меди задается концентрацией поверхностно-активных компонентов, которые направлены на улучшение смачиваемости порошка хрома жидкой медью и снижением поверхностного натяжения расплава меди - уменьшения высоты мениска жидкой меди над поверхностью брикета из смеси порошков хрома и меди, а также количеством самой меди.

Последующее охлаждение заготовки от температуры пропитки до температуры 900-920°C производят со скоростью равной или превышающей 20 градусов в минуту с целью фиксации мелкодисперсной структуры хром-меди и меди и уменьшения вероятности образования усадочных раковин. При скорости охлаждения полученной заготовки менее 20 градусов в минуту, как установлено экспериментально, происходит увеличение зерна структуры будущей заготовки, что не позволяет получить качественный материал.

Полученную заготовку материала подвергают отжигу при таких оптимальных параметрах - температура 500-700 ⁰ C, время 30 - 120 минут. Поскольку только при таких параметрах в заготовке сохраняется мелкодисперсная структура и релаксируются напряжения в решетке. Указанные оптимальные параметры найдены авторами экспериментально. Так нагрев до температуры ниже 500 ⁰ C и в течение менее 30 минут негативно сказывается на качестве готового продукта, поскольку отмечены случаи неполной релаксации напряжений в заготовке. Нагрев же выше температура 700 ⁰ C и в течение более 120 минут экономически не оправдан, поскольку, практически не сказывается на качестве готового продукта.

Источник легирующих компонентов может быть выполнен в виде фольги, или в виде сетки, или в виде вакуумного покрытия. Его конструкция определяется технологическими возможностями производителя материала. Наиболее перспективной авторы считают конструкцию в виде вакуумного покрытия, нанесенного на плоскую поверхность одной из заготовок через маску, поскольку это обеспечивает получение и требуемого состава, и заданного количества легирующих компонентов. Наиболее простой конструкцией является фольга. При этом достаточно или получить расплав необходимого состава, или подобрать готовый металлический материал, или сплав в виде слитка необходимого состава и количества легирующих компонентов, его нагрева и прокатке между валками до получения фольги требуемой толщины. Поверхностно-активные вещества применяют в количестве 1-3 мac.% от общей массы контактного материала для улучшения смачиваемости и активации процесса спекания и пропитки.

Состав и количество легирующих компонентов для легирования межфазной границы порошковых компонентов хром-медь выбирают экспериментально из условий улучшения смачивания межфазной границы расплавом меди и снижения поверхностного натяжения расплава меди в смеси порошков хром-медь. Такими веществами для расплавов хром-медь - медь могут быть вещества на основе кремния, марганца, никеля и подбираются экспериментально, исходя из технологических возможностей производителя материала и условий работы будущего контактного материала.

В качестве примера авторы использовали для легирования межфазной границы порошковых компонентов хром-медь источник легирующих компонентов такого состава (в мac.%):

углерод - 0,10 - 0,12

кремний - 0,06 - 0,08

марганец - 1,80 - 2,00

хром - 17,0 - 18,0

никель - 8,90 - 9,00

титан - 0,70 - 0,80

железо - остальное.

На фиг.l показана заготовка электроконтактного материала Cu-Cr с подслоем меди, полученная по предлагаемому способу.

Пример. Изготавливали композиционный материал на основе меди для электрических контактов. При этом брали порошки меди электролитической ГОСТ- 4960-75 марки ПMC-1 с содержанием меди -99,72% и порошка хрома марки ПX-1M , сертификат JVb 22-03 от 02.10.2008 г.

Операции смешивания и размола порошков меди и хрома осуществляли в высокоэнергетической мельнице. В качестве устройств для смешивания и размола порошков могут быть использованы планетарная мельница, аттритор, шаровая мельница и др. Режимы смешивания (скорость вращения рабочих тел, время смешивания, отношения массы шаров к массе материала и др.) подбирали экспериментально. При этом усилие воздействия шаров на составляющие обрабатываемого порошкового материала превышало предел прочности на сжатие и сдвиг пластичной меди и твёрдого хрома. Количество вводимого в хром (Cr) порошка меди (Cu) при приготовлении смеси составляло 10-40 мac.% в зависимости от содержания Cr в композиции контактного материала с увеличением содержания Cr в композиции Cu-Cr от 45 до 70 мac.%, количество меди в смеси Cu-Cr уменьшали с 40 до 10 мac.%, соответственно. В результате обработки и смешивания порошков меди и хрома в высокоэнергетической мельнице происходило разрушение и деформирование исходных частиц порошков, в результате которого создавались активные поверхности, способные к «xoлoднoмy cвapивaнию» микрогранул, что приводило к образованию тонко дисперсной гомогенизированной порошковой смеси меди и хрома (Cu-Cr). Такая смесь не сегрегировала по плотности при выгрузке из барабана, транспортировании и загрузке в матрицу пресс-формы. В процессе обработки смесь активировалась, что интенсифицировало последующие процессы пропитки и жидкофазного спекания.

Для получения брикетов необходимой формы и размеров порошковую смесь Cu- Cr подвергали прессованию в пресс-формах. Концентрация Cu в смеси Cu-Cr и остаточная пористость спрессованного брикета являются основными параметрами, определяющими количество Cr в изготавливаемом композиционном материале после получения заготовки, пропитанной расплавом меди. Минимальное количество Cr в композиционном материале Cu-Cr, изготовленном по принципу образования жесткого каркаса из Cr, пропитанного Cu, составляет примерно 45 мac.% в соответствии с плотностью Cr - 7,15 г/см ³ и Cu - 8,93г/cм ³ .

Максимальное количество Cr в композиционном материале определяют возможностью формирования сырого брикета с минимальным количеством Cu в смеси Cu-Cr и минимальной пористостью спрессованного брикета без его растрескивания и составляет примерно 70 мac.%. Прессование заготовок Cu-Cr осуществляют давлением от 2 до 8 тонн на сантиметр квадратный. Увеличение давления прессования свыше 8 тонн на сантиметр квадратный приводит к расслоению спрессованных заготовок. С увеличением концентрации Cr в композиционном материале давление прессования увеличивают. Для пропитки заготовок прессуют брикеты из порошка (стружки) меди совместно с источником легирующих компонентов. Источник легирующих компонентов для равномерного распределения поверхностно-активных элементов на межфазной границе Cr-Cu и удобства прессования изготавливают в виде фольги, сеток различной формы, дискретного вакуумного покрытия. Такое покрытие может быть нанесено известивши способами, например, способом, описаннвiм в статве: Износостойкоств керамических режущих инструментов на основе нитрида кремния со сплошными и дискретнвiми нитридотитановыми покрытиями. Гнесин Г.Г., Ляшенко Б.A., Фоменко CH. и др. - Порошковая металлургия. -1997. - NaI 1/12. - С.93-96. При этом на нижний пуансон прессформы укладывают сетку или фольгу из легирующих компонентов, засыпают необходимым количеством порошка или стружки меди, спрессовывают композиционную заготовку при давлении 1,5-3,0 тонн на сантиметр квадратный.

Источник легирующих компонентов для равномерного распределения поверхностно-активных элементов на межфазной границе Cr-Cu и удобства прессования изготавливают в виде фольги, сеток различной формы, вакуумного покрытия.

Термовакуумная обработка:

Термовакуумной обработке подвергали совместно, соединенные вместе пористый брикет из смеси порошков Cu-Cr, медный брикет из порошка Cu и источник легирующих компонентов, расположенный между брикетами. Брикеты упаковывали в контейнер, изготовленный из материала, который не взаимодействует с расплавом Cu и Cr. На верхнюю поверхность брикета укладывали медный брикет таким образом, чтобы сетка с поверхностно-активным веществом соприкасалась с поверхностью Cu-Cr заготовки. Контейнер помещали в камеру вакуумной печи. Термовакуумную обработку проводили в вакуумной камере при разрежении 10 ^"5 мм рт. ст. при температуре 800°C в течение 60 минут для удаления из заготовок адсорбированных газов, летучих компонентов, разрушения и удаления оксидных плёнок. После нагревания и выдержки в течение 60 минут в вакуумную камеру через натекатель напускали инертный газ или водород, полученный из гидрида металла, до создания давления 200 мм рт. ст. и повышали температуру до 1150°C со скоростью 10 -15 градусов в минуту.

Пропитка.

В интервале температур 1085-115O ⁰ C в среде инертного газа или водорода происходит плавление меди и легирование межфазной границы хром-медь (Cr-Cu) поверхностно-активными компонентами, жидкофазное спекание брикетов и их пропитка медью. В названном интервале температур осуществляли выдержку заготовки в течение 10-20 минут. Оптимальное время выдержки выбирали экспериментально в зависимости от массы, теплоёмкости заготовки и давления газовой среды.

Количество меди, необходимое для пропитки заготовки (каркаса) рассчитывали, исходя из ее остаточной пористости и количества меди, необходимого для образования слоя толщиной 2,5 - 5 мм, предназначенного для отвода теплового потока с рабочей поверхности будущего контактного узла и приварки или пайки контакта к выводам вакуумной дугогасительной камеры.

В примере источник легирующих компонентов изготовлен в виде сетки такого состава, в мac.%: C-0.12; Si-0.08; Mn-2.0; Cr-18.0; Ni-9.0; Ti-0.8; Fe - до 100,0. Масса источника легирующих компонентов составляет от 1,0 до 3,0 мac.% от общей массы контактного материала. Присутствие источника легирующих компонентов направлено на улучшение смачиваемости и активизацию процессов спекания и пропитки.

Охлаждение.

Для получения заготовок с мелкодисперсной структурой охлаждение пропитанных заготовок Cu-Cr осуществляли от температуры пропитки до температуры кристаллизации со скоростью 20-28 град/мин.

Для снятия внутренних напряжений проводили отжиг конструкции в инертной среде при температуре 650-670°C в течение 120 минут.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволило решить задачу создания такого способа изготовления композиционного материала на основе меди для электрических контактов, себестоимость которых ниже чем контактов, материал для которых изготовлен по способу-прототипу за счет создания условий для уменьшения количества загрузок и выгрузок вакуумной камеры на выполнение трех отдельных технологический операций за одну загрузку вакуумной камеры - нагревания заготовок в среде инертного газа или водорода до температуры легирования межфазной границы порошковых компонентов хром-медь поверхностно-активным веществом, пропитки заготовки из порошковой смеси меди и хрома легирующими компонентами до образования над заготовкой порошковой смеси меди и хрома слоя меди, охлаждения полученной заготовки и ее отжига.

Полученный контактный композиционный материал опробовали на контактах контакторов, работающих в силовых цепях подвижного состава железных дорог Украины. Ресурс контактов, изготовленных из предлагаемого контактного композиционного материала оказался выше, чем у традиционных контактов на 50-60%.