Композиционный электроконтактный материал на основе меди

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к электротехническим материалам для разрывных контактов коммутационной аппаратуры, получаемых методами порошковой металлургии. Предложен композиционный материал на основе меди для разрывных электроконтактов, состоящий из металлических меди, кадмия, а также оксида кадмия при следующем соотношении компонентов, мас. %: оксид кадмия - 1,0 - 8,0, кадмий - 0,5 - 1,2, медь - остальное. Добавляемый дополнительно к известному составу кадмий формирует матрицу композита из кадмиевой бронзы, что ведет к существенному повышению коммутационной стойкости материала, а также его твердости. 1 табл.

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к получению электротехнических материалов методами порошковой металлургии.

Известно применение кадмиевой меди Cu-1% Cd [1,2] как литой, так и порошковой, в качестве материала для разрывных электрических контактов. Она значительно превосходит по основным служебным характеристикам чистую медь как контактный материал, но ее переходное сопротивление и стойкость к приплавлению недостаточны. Известен также металлокерамический материал на основе меди с добавкой оксида кадмия Cu-5%Cd [3], имеющий неплохие электроконтактные свойства и в том числе весьма низкий электроперенос при коммутации постоянного тока. Описан и изучен аналогичный материал Cu-10%CdO [4], который показал хорошую работоспособность в инертной атмосфере, но на воздух быстро разрушался.

Наиболее близок по совокупности существенных признаков электроконтактный металлокерамический материал Cu-(2,5...20%)CdO [5]. Материал получали стандартными методами порошковой металлургии: смешение порошков меди и оксида кадмия, прессование, спекание в защитной атмосфере, допрессовка. Он имеет высокие стойкость к свариванию и стабильность переходного сопротивления во влажной атмосфере.

Однако электроэрозионная стойкость его и физико-механические свойства не столь высоки. Кроме того, при изготовлении материала системы Cu-CdO трудно сохранить заданный фазовый и химический состав, так как в процессе спекания наряду с возможным улетучиванием некоторого количества CdO испаряется и кадмий, частично восстанавливаемый медью из оксида CdO и обладающий более высоким парциальным давлением. Все это снижает качество электроконтактов и возможности их использования.

Изобретение направлено на улучшение эксплуатационных характеристик материала электроконтактов на медной основе, повышение их надежности и долговечности. Добиться этого позволяет технический результат, получаемый при использовании изобретения: повышение коммутационной стойкости и механических свойств материала, его твердости.

В известный порошковый композиционный материал, состоящий из меди и оксида кадмия, дополнительно введен металлический кадмий с целью создания матрицы из кадмиевой бронзы, причем компоненты шихты для смешивания берут в следующем соотношении, мас.%: Оксид кадмия - 1,0 - 8,0 Кадмий - 0,5 - 1,2 Медь - Остальное От наиболее близкого аналога заявляемый материал отличается тем, что он дополнительно содержит добавку металлического кадмия при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид кадмия - 1,0 - 8,0, кадмий - 0,5 - 1,2, медь - остальное.

При содержании добавок ниже указанного уровня, как показали эксперименты, их влияние на измеренные свойства контактов невелико, а превышение этих уровней ведет к существенному ухудшению характеристик. Так, введение более 8% CdO ведет к резкому возрастанию переходного сопротивления между работавшими контактами, обработанными дугой, а вместе с тем и их коммутационного износа. Высокое же содержание металлического кадмия делает материал хрупким.

Добавляемый относительно прототипа кадмий в заявляемом количестве, слабо снижая тепло- и электропроводность, существенно повышает коммутационную стойкость материала, а также его твердость. Известно, что кадмиевая бронза имеет значительно более высокие, по сравнению с медью, физико-механические свойства, сопротивление истиранию, стойкость к воздействию электрической дуги. Поэтому добавка металлического кадмия в материал преследует цель создания матрицы контакта из кадмиевой бронзы для упрочнения материала и повышения его электроэрозионной стойкости, т.е. для улучшения электроконтактных свойств. Кроме того, присутствие кадмия понижает термодинамическую активность меди в металлическом растворе, что, в свою очередь, снижает неконтролируемое восстановление кадмия медью из его оксида и способствует улучшению качества контактов за счет сохранения заданного фазового состава материала.

Для осуществления способа получения электроконтактов использованы порошки электролитических меди и кадмия фракций - 45 мкм и оксид кадмия квалификации "хч". Медь, кадмий и оксид кадмия, взятые в необходимой пропорции, перемешивали в смесителе в течение часа. Далее следовало прессование заготовок в стальных пресс-формах при давлении 2,5 - 5,0 Кбар. Спекание заготовок осуществляли в защитной атмосфере в диапазоне температур 750 - 960^oC. Более низкие температуры не обеспечивают достаточную интенсивность процесса, а высокие - ведут к испарению кадмия и его оксида в значительных количествах с нарушением заданного химического и фазового состава материала. Спеченные образцы допрессовывали в тех же стальных пресс-формах при давлениях 10 - 14 Кбар. Отжиг допрессованных заготовок производили при температурах 400 - 600^oC, продолжительность - 0,5 - 1,0 ч.

После завершения всех технологических операций плотность материала контактов достигает 8,6 - 8,8 г/см³, твердость HB = 60 - 65, удельное сопротивление 2,3 - 2,8 мкОм·см.

Для проверки и сравнительных испытаний были изготовлены несколько серий образцов контактных элементов из предлагаемого материала, а также прототипа. Образцы из материала-прототипа изготовлены авторами по описанию [5] (в таблице обозначены как X). Все они протестированы на стендах по коммуникационной износостойкости на переменном токе и переходному падению напряжения в процессе ее измерений (в присутствии слоев наработки). Результаты испытаний приведены в таблице (см. табл. в конце описания).

Условия испытаний: I = 30 A, U = 380 B cosϕ = 0,8, количество циклов вкл/откл - 5000 - 10000. Падение напряжения - среднее из 15 - 30 измерений (3 измерения через каждую тысячу рабочих циклов). Коммутационный износ - средний на симметричную пару контактов.

Как показывают результаты измерений, контактные элементы, изготовленные по предлагаемому способу, обладают более низкими значениями электроэрозионного износа, переходного сопротивления и несколько большей твердостью, т. е. добавление кадмия в металлической форме приводит к улучшению электрических и механических свойств материала.

Применение разрывных электроконтактов, изготовленных из предлагаемого материала, позволит повысить надежность и долговечность коммутационных узлов электроаппаратов.

Источники информации 1. Альтман А.Б., Быстрова Э.С. Кадмиевая бронза как материал для разрывных электрических контактов. - В кн. Электрические контакты. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1960, с. 321 - 327.

2. Альтман А. Б. , Быстрова Э.С. Металлокерамические контакты Cu-Cd и Ag-Cd. - В кн. Электрические контакты. - М. - Л.: Энергия, 1964, с. 285 - 290.

3. Chem C.G. Higt current DC material trausfer properties of silver and copper base contact material. - Electrical contacts - 1982, pp. 171-174.

4. Brugner F.S. The motor-control switching performance of Cu-CdO contacts in a helium atmosphere. - IEEE Trans. CHMT-2, 1979, pp. 124-126.

5. Патент Великобритании N 1376626, кл. C 7 A, 1974.

Формула изобретения

Композиционный материал на основе меди для электроконтактов, включающий медь и оксид кадмия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит металлический кадмий при следующем соотношении компонентов, мас.%: Оксид кадмия - 1,0 - 8,0 Кадмий - 0,5 - 1,2 Медь - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1