Спеченный композиционный материал

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным композиционным материалам, используемым для изготовления, например, контактов электрических аппаратов или антифрикционных изделий. Сущность изобретения состоит в том, что предложенный спеченный композиционный материал, содержащий металлическую матрицу из одного или нескольких некарбидообразующих металлов и графит, дополнительно содержит нановолокна и/или фуллерены при следующем соотношении компонентов (в мас. %): графит 1 - 20, нановолокна и/или фуллерены 0,1 - 20, металлическая матрица - остальное. Предлагаемый композиционный материал такого состава обладает более высокими механическими свойствами, чем известный промышленный композиционный материал, что должно привести к увеличению срока службы, например, электрических контактов. 2 табл.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным композиционным материалам, используемым, например, для изготовления контактов электрических аппаратов или антифрикционных изделий.

Известны композиционные материалы, используемые для изготовления контактов электрических аппаратов, содержащие в качестве основы серебро и его сплавы с добавками графита (ТУ 16-685.020-85), медь и ее сплавы с добавками графита (ТУ 16-538.272-75).

Известные композиционные материалы отличаются низким сопротивлением привариванию, низкой дугостойкостью, невысокой износостойкостью, механической прочностью и твердостью, что снижает срок их использования.

Наиболее близким аналогом из них является промышленный композиционный материал, содержащий медно-никелевую матрицу и графит. (Справочник п/р Г.Г. Гнесина "Спеченные материалы для электротехники и электроники" М. Металлургия, 1981, стр. 195).

Сущность настоящего изобретения состоит в том, что предложенный спеченный композиционный материал, содержащий металлическую матрицу из одного или нескольких некарбидообразующих металлов и графит, дополнительно содержит нановолокна и/или фуллерены при следующем соотношении компонентов, мас.

графит 1 20; нановолокна и/или фуллерены 0,1 20; металлическая матрица остальное Введенные нановолокна и/или фуллерены новые пространственные соединения углерода в виде сферообразных или трубообразных форм размерами порядка нанометра в диаметре и длиной (для нановолокон) в доли микрометров. Эти новые твердотельные фазы углерода получают испарением графита в электрической дуге в атмосфере инертного газа, а также лазерным или электронно-лучевым испарением в вакууме или каким-либо иным способом (W.Kratschmer et al, Nature, 347, 354, 1990; S.Jijima, Nature, 354, 56, 1991).

Использование графита в композиционных материалах определяется его способностью как твердой смазки уменьшать коэффициент трения и износ в трущихся парах (поверхностях) за счет образования тонкой графитовой пленки между ними в процессе эксплуатации материалов. С другой стороны, графит, не сильно ухудшая электрические свойства электроконтактных материалов, увеличивает их сопротивление привариванию и повышает их дугостойкость, то есть уменьшает износ, вызываемый термическим и электродинамическим действием дуги, возникающей в процессах электрической коммутации.

Верхняя граница содержания графита (20 мас.) определяется тем, что большее его количество не влияет на снижение коэффициента трения, достигая уровня коэффициента трения чистого графита, независимо от состава матрицы. Нижняя граница содержания графита (1 мас.) определяется тем минимально необходимым его количеством, которое требуется для образования тонкой графитовой пленки между трущимися парами, и, соответственно, достаточно эффективно снижающим коэффициент трения и уменьшающим схватываемость или привариваемость двух изделий.

Фуллерены и нановолокна в составе композиционного материала выполняют несколько функций. В связи с их малыми размерами (порядка нанометров), присутствуя в виде отдельных частичек (сферических или трубообразных кластеров) в глубинных слоях материала, они выполняют роль дисперсных упрочнителей, являясь эффективными стопорами для движения дислокаций, и тем самым повышают прочность материала.

С другой стороны, известно, что углеродные нановолоконные пленки толщиной 0,5 мкм имеют микротвердость 40000 МПа, значительно превосходя по микротвердости твердый сплав Т15К6, у которого H_M 25000 МПа (З.Я.Косаковская, Л. А.Чернозатонский, Е.А.Федоров Письма в ЖЭТФ, 1992, том 56, вып. 1, стр. 26). В связи с высокой природной твердостью нановолокон и фуллеренов они повышают общую твердость композиционного материала и тем самым, в определенной мере, его износостойкость.

Учитывая пространственное строение новых твердотельных фаз углерода, сферообразное у фуллеренов и трубообразное у нановолокон, ван-дер-Ваальсов характер взаимодействия между ними и их малые размеры и высокую твердость, присутствие этих кластеров в приповерхностных и поверхностных слоях на границе раздела двух трудящихся пар приводит к изменению характера трения и, как следствие, снижению коэффициента трения и уменьшению износа материала.

Высокие электропроводящие свойства фуллеренов и нановолокон способствуют повышению плотности тока электрических контактов при вводе кластеров в состав композиционных материалов.

Верхняя граница содержания нановолокон и/или фуллеренов (20 мас.), так же как и в случае с графитом, определяется тем, что большее их количество не влияет на дальнейшее снижение коэффициента трения и износа независимо от состава матрицы. Нижняя граница содержания нановолокон и/или фуллеренов (0,1 мас. ), определяется тем минимальным количеством, по аналогии с графитом, начиная с которого происходит уменьшение трения и износа материала.

Пример 1.

Для получения композиционного материала в качестве исходной шихты используются порошки меди и графита с размером частиц не более 200 мкм, к ним добавляется порошковая смесь нановолокон и/или фуллеренов и графита, получаемая в известном процессе синтеза фуллеренов путем сжигания графита в электрической дуге в атмосфере гелия. Размер частиц добавляемой смеси также не превышает 200 мкм.

Порошки смешивают между собой в заданном соотношении в сухом виде, затем прессуют в виде шайб диаметром 20 мм. Давление прессования от 1 до 5 т/см². Прессовки затем спекают в вакууме 10^-3 Па или в защитной атмосфере при температурах 700 1000^oC в течение 2 10 часов. На спеченных материалах определяют плотность, удельное электросопротивление и микротвердость. Далее спеченные заготовки прокатывают с различными степенями деформации и при различных температурах. На прокатанных заготовках измеряют плотность, удельное электросопротивление и микротвердость.

Вышеназванные свойства предложенного материала и известного композиционного материала КМК Б!) (ТУ 16 538.272 75, см. "Спеченные материалы для электротехники и электроники". Справочник по ред. Г.Г.Гнесина. -М. Металлургия, 1981, стр. 195) приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, применение заявляемого композиционного материала позволяет повысить после спекания микротвердость примерно в 1,5 раза по сравнению с известным промышленным композиционным материалом при том же и даже несколько меньшем уровне удельного электросопротивления и примерно той же плотности материала. Использование прокатки в процессах технологического передела позволяет повысить микротвердость предлагаемого материала в 1,3 раза по сравнению с известным материалом, что должно привести к увеличению износостойкости материала и продлению срока его службы. Отметим, что предлагаемый материал обладает более высокой технологической пластичностью.

Кроме того, предлагаемый материал обладает меньшим удельным электросопротивлением, что дает возможность использовать его при больших плотностях тока.

Пример 2.

Для получения композиционного материала в качестве исходной шихты используются порошки меди (90 мас.), олова (5 мас.) и графита (5 мас.) с размером частиц не более 200 мкм. Этот состав принимается за прототип. Исходная шихта предлагаемого материала состоит из следующих компонентов: порошки меди (90 мас.), олова (5 мас.) и смесь нановолокон и/или фуллеренов (1 мас.) и графита (4 мас.) с размером частиц не более 200 мкм.

Все дальнейшие технологические операции с выбранным прототипом и предлагаемым материалом ведутся параллельно и в одинаковых условиях.

Порошки смешивают между собой в заданном соотношении в сухом виде, а затем прессуют в виде шайб диаметром 20 мм. Давление прессования от 1 до 5 т/см². Прессовки затем спекают в вакууме 10^-3 Па или в защитной атмосфере при температурах 700 1000^oC в течение 2 10 часов. На спеченных материалах определяют плотность и микротвердость. Далее полученные заготовки прокатывают с различными степенями деформации и при различных температурах. На прокатанных образцах измеряют плотность, удельное электросопротивление и микротвердость.

Вышеназванные свойства выбранного прототипа и предлагаемого материала приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый материал обладает примерно в 1,5 раза большей микротвердостью, чем выбранный прототип, при несколько меньшей плотности и большей электропроводности.

Предлагаемый спеченный композиционный материал обладает более высокими механическими свойствами, чем известный промышленный композиционный материал, что должно привести к увеличению срока службы, например, электрических контактов.

Формула изобретения

Спеченный композиционный материал, содержащий металлическую матрицу из одного или нескольких некарбидообразующих металлов и графит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нановолокна и/или фуллерены при следующем соотношении компонентов, мас.

Графит 1 20 Нановолокна и/или фуллерены 0,1 20 Металлическая матрица Остальноеп

РИСУНКИ

Рисунок 1