Спеченный электроконтактный материал на основе меди

Спеченный электроконтактный материал на основе меди

Реферат

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 (γизм), г/см3	Твердость, НВ	Удельное электросоп-ротивление (ρ), мкОм·м	Интенсивность изнашивания, 10-6 г/цикл	Прочность напайного соединения σсреза, кг/мм2
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

По условиям испытаний на коммутационный износ спеченные электроконтактные материалы наработали 4000 циклов "включение-выключение" при напряжении сети U_н=380 В, силе тока I_н=250 А, частоте f=50 Гц, cos φ=0,8. Коммутационный износ предлагаемого спеченного электроконтактного материала не превысил 0,07·10^-6 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.

Спеченный электроконтактный материал на основе меди, содержащий ультрадисперсный порошок оксида цинка и 0,001-0,005 мас.% алюминия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам при следующем соотношении компонентов, мас.%:

ультрадисперсный порошок оксида цинка	2,2-2,5
алюминий	0,001-0,005
вольфрам	3-10
медь	остальное