Способ нанесения покрытия на разрывные алюминиевые контакты электрокоммутирующих устройств
Владельцы патента RU 2366756:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к электроаппаратостроению и системам электроснабжения, а именно к способам нанесения покрытий на разрывные алюминиевые контакты электрокоммутирующих устройств. Способ включает ионно-плазменное напыление хромистой бронзы на обрабатываемый контакт при опорном напряжении на нем 90-120 В и многократном изменении напряжения в процессе напыления до 1000-1200 В и обратно к опорному с частотой 1-2 раза на каждый микрометр толщины напыляемого покрытия. Продолжительность напыления при напряжении 1000-1200 В составляет 0,2-0,4 от времени напыления покрытия микронной толщины. Для напыления используют хромистую бронзу, легированную иттрием в количестве 0,2-0,6 мас.%. Технический результат - повышение ресурса работы алюминиевых токопроводящих деталей электрокоммутирующих устройств. 1 ил., 2 табл.
Изобретение относится к электроаппаратостроению и системам электроснабжения и может быть использовано для обработки поверхностей контактных соединений, в частности разрывных алюминиевых контактов электрокоммутационных устройств.
Известен способ получения электрических контактов и сварочных электродов из смеси, содержащей от 20 до 90% тугоплавкого металлического компонента (вольфрам, молибден, карбид вольфрама, карбид молибдена), от 0,1 до 1,0% иттрия и медь остальное, включающий образование порошковой формовки из тугоплавкого металлического компонента, ее спекания, после которого она будет содержать взаимосвязанные (сквозные) поры, заполнение этих пор медно-иттриевым сплавом путем просачивания (инфильтрации) или пропитывания (импрегнирования). Инфильтрационный процесс выполняется путем размещения твердого медно-иттриевого сплава на основу из тугоплавкого металла в контакте с его порами и нагревания в восстановительной атмосфере или вакууме до температуры плавления меди. Плавящийся медно-иттриевый сплав абсорбируется порами тугоплавкой металлической основы за счет капиллярного притяжения. Одним из вариантов указанного способа является смешивание порошка медно-иттриевого сплава и порошка тугоплавкого металла вместе, сжатие смеси и затем спекание ее при температуре либо около, либо ниже температуры плавления меди. Причем в обоих вариантах способа медно-иттриевый сплав может быть образован или до введения в тугоплавкую металлическую матрицу, или может образовываться во время процедуры инфильтрации (US №3272603, кл. 29-191, 1966).
Недостатком известного способа является невозможность его использования для защиты поверхности алюминиевых контактов, так как используемые в нем операции предполагают получение электродов, однородных по составу и свойствам материала по всему объему электрода.
Наиболее близким к заявляемому является способ получения покрытия для электрического контакта, заключающийся в ионно-плазменном напылении покрытия из двойного сплава медь-хром с содержанием 0,4-1,0% хрома по режиму, обеспечивающему многократное скачкообразное изменение напряжения от 90-120 до 1000-1200 В и обратно, причем частота изменения напряжения составляет 1-2 раза на каждый микрометр толщины покрытия, а продолжительность напыления при 1000-1200 В равна 0,2-0,4 от времени напыления покрытия толщиной в 1 микрометр (SU №1628564, кл. C23C 14/54, 1989).
Недостатком известного способа является то, что получаемое покрытие при применении его для разрывных алюминиевых контактов электрокоммутационных устройств, работающих при возникновении электрического разряда в процессе многократной коммутации (реле, пускатели, регуляторы), не обеспечивает защиту рабочих поверхностей контактов от электроэрозионного изнашивания.
Задачей изобретения является увеличение износостойкости поверхности разрывных алюминиевых контактов электрокоммутационных устройств.
Техническим результатом является повышение ресурса работы алюминиевых токопроводящих деталей электрокоммутационных устройств.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе нанесения покрытия на разрывные алюминиевые контакты электрокоммутирующих устройств, включающем ионно-плазменное напыление хромистой бронзы на обрабатываемый контакт при опорном напряжении на нем 90-120 В, многократное изменение напряжения в процессе напыления до 1000-1200 В и обратно к опорному с частотой 1-2 раза на каждый микрометр толщины напыляемого покрытия и с продолжительностью напыления при напряжении 1000-1200 В, равной 0,2-0,4 от времени напыления покрытия микронной толщины, согласно изобретению напыляют хромистую бронзу, легированную иттрием в количестве 0,2-0,6% масс.
Применение на алюминиевых токопроводящих деталях ионно-плазменного покрытия из хромистой бронзы, легированной иттрием, позволяет уменьшить число образующихся мостиков за счет повышения температуры плавления материала поверхности контактов, а также уменьшить выгорание поверхности алюминиевых деталей в зонах микродуг за счет большей стойкости легированной хромистой бронзы к окислению.
Содержание легирующего элемента обусловлено следующим. Уменьшение содержания иттрия менее 0,2% масс не приводит к увеличению жаростойкости, следовательно, электроэрозионной стойкости покрытия, а повышение содержания иттрия больше 0,6% масс приводит к потере покрытием пластичности, что снижает его усталостную износостойкость.
Способ осуществляют следующим образом. На распыляемую торцевую поверхность катода из меди марки Ml размещают хромистую бронзу, легированную иттрием в количестве 0,2-0,6% масс. Катод помещают в катодный узел электродугового испарителя установки для ионно-плазменного напыления. Подают опорное напряжение и в вакууме распыляют поверхность катода при токе дуги 90-95 А с получением слоя покрытия на обрабатываемых деталях. После нанесения покрытия толщиной 0,3-0,5 мкм скачком изменяют величину напряжения до 1000-1200 В, при этом происходит усиление процесса ионной бомбардировки при снижении процесса ионного осаждения. Высокое напряжение сохраняют в течение 0,2-0,4 от времени подачи опорного напряжения. За это время происходит механотермическое воздействие на напыленный слой с его упрочнением. После указанного времени высокое напряжение снижают до опорного и указанный цикл повторяют неоднократно таким образом, чтобы число скачков напряжения составляло 1-2 на каждый микрометр толщины напыленного покрытия.
Изобретение реализовано в лабораторных условиях на модернизированной установке ионно-плазменного напыления ВУ-1Б. Проведено легирование стружки хромистой бронзы БрХ0,5 путем сплавления ее в индукционных печах с порошком иттрия марки «YM-1» с содержанием иттрия 98,74% и последующее изготовление из сплавов пластин, которые затем закреплялись на распыляемой торцевой поверхности медного катода.
Пример 1. Для приготовления сплава с содержанием иттрия 0,1% масс брали навески из стружки хромистой бронзы БрХ0,5 в количестве 799,19 г и порошка иттрия 0,81 г. Шихту перемешивали, загружали в циркониевый тигель и помещали в индукционную печь с продувкой аргоном. Время плавки составляло 30-40 мин при температуре ~1600°С по шкале оптического пирометра. Полученный слиток обтачивали по размерам катода электродугового испарителя установки, от него отрезали пластину, которую механическим способом закрепляли на торцевой поверхности медного катода из меди марки Ml.
Другие примеры расчета сплавов с иттрием приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||||||
| Содержание компонентов в шихте | ||||||||
| % содержания Y в сплаве | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 |
| Масса порошка YM-1 | 1,62 | 2,43 | 3,52 | 4,05 | 4,86 | 5,67 | 6,48 | 7,3 |
| Масса бронзовой стружки | 798,38 | 797,57 | 796,48 | 795,95 | 795,14 | 794,33 | 793,52 | 792,7 |
Испытания образцов с нанесенными покрытиями проводили на оригинальном стенде (Измайлов В.В., Новоселова М.В. К разработке методики ускоренной оценки электроэрозионной износостойкости электроконтактных материалов. - Вестник Тверского государственного технического университета - Тверь: ТГТУ, 2003, вып.3. - С.14-20; Измайлов В.В., Новоселова М.В. Способ оценки электроэрозионной износостойкости материалов для электрических контактов. RU 2265862, кл. G01R 31/333, 2005).
Схема рабочего узла стенда приведена на чертеже. Электрод 1 из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм циклически контактирует с алюминиевым образцом 2, на поверхность которого нанесено покрытие. Образец помещен в латунную втулку 3, в которой закреплен прижимной пластиной 4, имеющей центральное отверстие. Втулка 3 закреплена на микрометрическом винте 5, с помощью которого можно регулировать как расстояние между контактами, так и усилие в контакте. Наличие проводимости в контакте регистрируется быстродействующим самопишущим вольтметром.
Испытания проводили в нормальном (не в форсированном) режиме. При этом частота коммутаций была принята в соответствии с ГОСТ 24606.6-83 равной 1 Гц, расстояние между контактами 5 мм, напряжение 220 В, сила тока составляла 1 и 5 А. За отказ принималось отсутствие проводимости в контакте в течение десяти коммутаций подряд.
Результаты испытаний приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||||||
| Сила тока | Содержание иттрия в материале покрытия, % масс. | |||||||
| 0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | |
| 1А | 22 | 30 | 54 | 63 | 87 | 116 | 32 | 25 |
| 5А | 10 | 12 | 35 | 42 | 61 | 56 | 17 | 9 |
| видимый износ покрытия |
В настоящее время изобретение находится на стадии опытно-лабораторных испытаний.
Способ нанесения покрытия на разрывные алюминиевые контакты электрокоммутирующих устройств, включающий ионно-плазменное напыление хромистой бронзы на обрабатываемый контакт при опорном напряжении на нем 90-120 В, многократное изменение напряжения в процессе напыления до 1000-1200 В и обратно к опорному с частотой 1-2 раза на каждый микрометр толщины напыляемого покрытия и с продолжительностью напыления при напряжении 1000-1200 В, равной 0,2-0,4 от времени напыления покрытия микронной толщины, отличающийся тем, что напыляют хромистую бронзу, легированную иттрием в количестве 0,2-0,6 мас.%.
