Нанокомпозитные материалы на основе металлических псевдосплавов для контактов переключателей мощных электрических сетей с повышенными физико-механическими свойствами

Изобретение относится к области электротехники и нанотехнологии, в частности к разработке нанокомпозиционных электроконтактных, жаропрочных, электроэрозионностойких, электротехнических, наноструктурированных материалов на основе меди (Си), которые могут быть использованы в производстве силовых разрывных электрических контактов, в переключателях мощных электрических сетей и вакуумных дугогасительных камерах. Нанокомпозитный электроконтактный материал на основе меди, состоящий из частично разупорядочной медной матрицы, в которой распределены кластеры двух тугоплавких компонентов размером менее 5 нм. Причем порошки меди и двух тугоплавких металлов (Me1 и Ме2) имеют объемное соотношение 50%Cu-XMe1-(50-X)Me2, где X от 5 до 45%, при этом материал имеет пористость 1-3 % и твердость по Виккерсу 4,5-12 ГПа. Изобретение позволяет повысить физико-механические свойства материала, снизить пористость и удельное электросопротивление. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области электротехники и нанотехнологии, в частности, к разработке нанокомпозиционных электроконтактных, жаропрочных, электроэрозионностойких, электротехнических, наноструктурированных материалов на основе меди (Cu), которые могут быть использованы в производстве силовых разрывных электрических контактах, в переключателях мощных электрических сетей и вакуумных дугогасительных камерах.

При изготовлении указанных материалов необходимо получить сочетание высокой электропроводности, для чего в качестве основы используют Cu, и высокой износостойкости при воздействии электрической дуги, для чего необходимо вводить в состав композиционного материала тугоплавкие металлы с высокой температурой плавления и испарения, таких как вольфрам (W), хром (Cr) и молибден (Мо). Медь не смешивается и не взаимодействует с вольфрамом, хромом и молибденом, образуя при спекании псевдосплавы различного состава: Cu-Cr, Cu-W, Cu-Mo, Cu-Cr-W, Cu-Cr-Mo и Cu-Mo-W.

Известен материал и способ изготовления электрических контактов на основе Cr и Cu, включающий приготовление шихты механическим смешиванием порошков Cr и Cu, прессование и предварительное восстановление в атмосфере остроосушенного водорода с выдержкой при температуре 250-700°С, жидкофазное спекание при температуре 1100-1250°C в атмосфере остроосушенного водорода или твердофазное спекание при температуре не выше 1050°С в атмосфере водорода или в вакууме, дополнительный нагрев изделий до температуры 300-950°С в атмосфере водорода и осадку в закрытом штампе, при этом перед смешиванием порошков Cr и Cu проводят обкатку шарами частиц порошка хрома выполняют в течение 25-27 часов в медном барабане валковой мельницы в режиме «перекатывания» при соотношении массы шаров или обкатывающих тел и порошка 1:2 (RU 2369935, Н01Н 1/02, 10.10.2009).

Недостатком известного материала и способа его получения является длительность процесса измельчения порошка хрома (не менее 25 часов), низкие физико-механические свойства за счет крупного размера частиц хрома, средний диаметр которых после механической обработки составляет 53,2-57,9 мкм.

Известен материал и способ получения псевдосплава Cu-Cr с дисперсной структурой, включающий активацию путем смешивания исходных порошков Cu и Cr в качестве тугоплавкого металла в смесителе со смещенной осью вращения, прессование активированных порошков и их спекание в вакууме при температуре 1000-1100°С в течение 2 часов, при этом активацию исходных порошков шихты в смесителе осуществляют мелющими телами в виде металлических шариков диаметром 8-10 мм, при соотношении массы мелющих тел и исходных порошков 15:1, продолжительности смешивания шихты 3-3,5 часа и скорости вращения смесителя 60 об/мин (RU 2344189, С22С 1/04, B22F 3/12, С22С 9/00, 10.02.2008).

Изобретение позволяет получать компактный псевдосплав Cu-Cr с дисперсной структурой, с размерами частиц 40 мкм, твердостью по Бринеллю до 85 НВ, пределом прочности при растяжении до 290 МПа, с объемной усадкой при спекании при 1100°С, равной 8-10%.

Недостатком известного материала и способа является продолжительность процесса (общее время не менее 6 часов), низкие механические свойства конечного материала, крупный размер частиц.

Наиболее близким аналогом к заявляемому нанокомпозиционному электроконтактному материалу является композиционный материал Cu-Мо (20-30 масс. % Cu), который также имеет разупорядоченную медную матрицу, в которой распределены кластеры тугоплавких частиц размером более 30 нм. (RU2292988, B22F 3/12, С22С 1/04, 10.02.2007).

Недостатком известного композиционного материала является пористостью до 2%, размер частиц более 30 нм.

Недостаточно высокие свойства таких материалов, и их аналогов ограничивают использование материалов в производстве силовых разрывных и дугогасительных контактов в переключателях мощных электрических сетей, работающих в условиях больших токов и высоких напряжений.

Техническим результатом предлагаемого изобретения в части материала является значительное повышение его физико-механических свойств, снижение пористости и удельного электросопротивления, при размере частиц не более 10 нм.

Технический результат достигается тем, что заявленный нанокомпозиционный электроконтактный материала состоит из частично разупорядоченной медной матрицы, в которой распределены кластеры двух тугоплавких частиц размером менее 10 нм, при этом содержание тугоплавкого компонента составляет 50 об. %.

Нанокомпозиционный электроконтактный материал состоит из трехкомпонентных систем Cu-Cr-W, Cu-Cr-Mo и Cu-Mo-W.

Порошки меди и двух тугоплавких металлов (Me1 и Ме2) имеют объемное соотношение 50%Cu-XMe1-(50-X)Me2, где X от 5 до 45%.

Получение такого материала включает высокоэнергетическую механическую обработку (ВЭМО) смеси исходных порошков меди и двух тугоплавких металлов в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице мелющими шарами в атмосфере аргона и последующее твердофазное спекание активированной смеси. ВЭМО проводят при соотношении массы шаров и исходных порошков 15:1-20:1, при скорости вращения шаровой мельницы 694-900 об/мин и продолжительности обработки 30-60 минут, а спекание активированной смеси порошков осуществляют методом искрового плазменного спекания (ИПС), для этого порошок помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум или атмосферу инертного газа и через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток под нагрузкой 50-70 МПа. В качестве тугоплавких металлов используют хром, вольфрам, молибден. Время спекания при температуре 900-1000°С и продолжительности 10 минут. Нанокомпозиционный электроконтактный материал, представляет собой нанокомпозит, состоящий из кластеров на основе тугоплавких частиц размером менее 10 нм, распределенных в частично разупорядочной матрице, характеризующийся тем, что имеет плотность до 99%, твердость по Виккерсу 2,5-12 ГПа, электросопротивление 7-10 мкОм⋅см.

В качестве основных исходных компонентов для получения экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов Cu-Cr-W, Cu-Cr-Mo и Cu-Mo-W для электрических контактов используются порошки металлов: Cu (порошок медный электролитический) марки ПМС-В (ГОСТ 4960-75); Cr (порошок хрома восстановленный) марки ПХ1М; Мо (молибденовый порошок) марки ПМ99,95 (ТУ 48-19-316-80); W (вольфрамовый порошок) марки ПВ2 (ТУ14-22-143-2000).

ВЭМО исходных порошков меди и тугоплавкого металла проводят в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице «Активатор-28» мелющими стальными шарами в течение 30-60 минут. За счет интенсивной механической обработки порошков в мельнице происходит их активация и измельчение до наноразмеров не более 10 нм.

После ВЭМО исходных порошков в мельнице «Активатор-28», полученные активированные нанокомпозитные смеси порошков Cu-Cr-W, Cu-Cr-Mo и Cu-Mo-W спекают на установке ИПС (Spark Plasma Sintering -Labox 650, SinterLand, Япония).

Сущность материала заключается в следующем.

Нанокомпозиционный электроконтактный материал состоит из меди и двух тугоплавких металлов (Me1 и Ме2), которые имеют объемное соотношение 50%Cu-XMe1(50-X)Me2, где X от 5 до 45%, размер тугоплавких кластеров составляет не более 10 нм.

Контроль качества образцов проводится на каждой технологическом этапе и осуществляется как визуальным осмотром, так и с использованием аппаратурных методик.

В комплексном исследовании микроструктуры и фазового состава были использованы методы порошковой рентгеновской дифракции (рентгеноструктурный анализ), растровой (сканирующей) электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, дифракции электронов и другие. Для спеченных образцов Cu-Cr-W, Cu-Cr-Mo и Cu-Mo-W осуществляется также контроль прочностных характеристик, пористости, электросопротивления и микроструктуры.

Сущность материала подтверждается примерами

Пример 1.

Получение нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-Cr-W.

Порошки Cu, Cr и W смешивают при объемном соотношении 50% Cu, 45% Cr и 5% W. Приготовленную смесь подвергают ВЭМО (измельчению и перемешиванию) в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 900 об/мин. Соотношение шаров к смеси порошка составляет 15:1. Использовались стальные шары 6-8 мм в диаметре. Время обработки 30 минут.

Полученный активированный композитный порошок подвергают ИПС, для этого порошок помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток под нагрузкой 50 МПа и спекают образец при температуре 1000°С в течение 10 мин. В результате получают образцы в форме дисков диаметром 15-60 мм и толщиной 4-10 мм.

Нанокомпозиционный электроконтактный материал имеет следующие характеристики: Пористость 1-3%, твердость по Виккерсу - 4,5-12 ГПа, удельное электросопротивление - 8 мкОм⋅см.

Твердость данного материала в 3.5 раза выше твердости всех исследуемых промышленных образцов. Значение удельного сопротивления возрастает примерно на 25-50% по сравнению со значением промышленных образцов, что позволяет использовать его для электроконтактных материалов.

Исследования на просвечивающем электронном микроскопе со сверхвысоким разрешением (увеличение до 2000000 раз) показали, что материал представляет собой нанокомпозит, состоящий из кластеров на основе хрома и вольфрама размером 4-5 нм, распределенных в частично разупорядоченной матрице на основе Cu.

Пример 2.

Получение нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-Cr-Mo

Порошки Cu, Cr и Мо смешивают при объемном соотношении 50% Cu, 25% Cr и 25% Мо. Приготовленную смесь подвергают ВЭМО (измельчению и перемешиванию) в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 694 об/мин. Соотношение шаров к смеси порошка составляет 20:1. Время обработки 60 минут.

Полученные активированные композиционные порошки с различным содержанием Мо подвергают спеканию методом ИПС при 900°С в атмосфере аргона, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток под нагрузкой 70 МПа в течение 10 мин.

Микроструктура образцов для Cu-Cr-Mo схожа с микроструктурой материала по примеру 1.

Нанокомпозиционный электроконтактный материал имеет следующие характеристики: пористость 1%, твердость по Виккерсу от 4 до 5 ГПа, удельное электросопротивление - 7 мкОм⋅см.

Пример 3.

Получение нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-Мо-W

Порошки Cu, Мо и W смешивают при объемном соотношении 50% Cu, 5% Мо и 45% W. Приготовленную смесь подвергают ВЭМО (измельчению и перемешиванию) в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 694 об/мин. Соотношение шаров к смеси порошка составляет 15:1. Время обработки 60 минут.

Полученный активированный композиционный порошок подвергают ИПС в атмосфере аргона, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток под нагрузкой 70 МПа и проводят спекание при температуре 1000°С в течение 10 мин. В результате получают образцы в форме дисков диаметром 15-60 мм и толщиной 4-10 мм.

Микроструктура образца схожа с микроструктурой материала по примеру 1.

Нанокомпозиционный электроконтактный материал Cu-Mo-W имеет следующие характеристики: пористость 1%; твердость по Виккерсу - 6-14 ГПа, удельное электросопротивление - 9,3 мкОм⋅см.

Нанокомпозиционный электроконтактный материал состоит из нанокластеров тугоплавких металлов, разделенных между собой каркасом медной фазы. Такая наноструктура предлагаемого материала обладает повышенными эксплуатационными свойствами по сравнению с материалами аналогов и промышленными материалами для контактов, например, ОАО "ПОЛЕМА" и компаний Китая и Германии.

Потенциальными потребителями такого материала, являются: электротехническая промышленность, где необходимы высокая электрическая проводимость, высокие механические, физические и эксплуатационные свойства, такие как прочность, твердость при комнатной и повышенной температурах, термическая стабильность, дугостойкость, для применения в производстве силовых разрывных и вакуумных дугогасительных контактов в переключателях (размыкателях) мощных электрических сетей, работающих в условиях больших токов и высоких напряжений.

1. Нанокомпозиционный электроконтактный материал на основе меди, состоящий из частично разупорядоченной медной матрицы, в которой распределены кластеры частиц двух тугоплавких компонентов размером менее 5 нм, при этом содержание тугоплавкого компонента составляет 50 об.%, причем порошки меди и двух тугоплавких компонентов (Me1 и Ме2) имеют объемное соотношение 50%Cu-XMe1-(50-X)Me2, где X от 5 до 45%, при этом материал имеет пористость 1-3% и твердость по Виккерсу 4,5-12 ГПа.

2. Нанокомпозиционный электроконтактный материал по п. 1, отличающийся использованием комбинации тугоплавких компонентов Cr, Mo, W для создания трехкомпонентных систем Cu-Cr-W, или Cu-Cr-Мо, или Cu-Mo-W.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к средствам диагностики в инфраструктуре электрифицированного железнодорожного транспорта и предназначено для контроля состояния быстродействующих выключателей (БВ) на тяговых подстанциях.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении динамической стойкости.

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к композиционным дисперсно-упрочненным материалам для электрических разрывных контактов и может найти применение в производстве коммутационной аппаратуры, железнодорожного и городского электрического транспорта и т.п.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводам поршневого контакта высоковольтного выключателя, и может быть использовано, например, в радиосвязи при переключении высоковольтных выключателей в контурных системах мощных передатчиков.

Группа изобретений относится к изготовлению токосъемных элементов. Спеченный материал содержит пропитанную маслом с ультрадисперсными алмазами спеченную смесь, состоящую из гранул, содержащих медь и графит, волокон и нитей углеродных, ультрадисперсных алмазов, порошков железа, графита, меди, упрочненной хромистым чугуном, шунгита, интеркаляционных соединений дисульфид молибдена и упрочняюще-легирующих компонентов.

Изобретение относится к получению электроконтактного композитного материала на основе меди, содержащего кластеры на основе частиц тугоплавкого металла. Способ включает механическую обработку смеси порошков меди и тугоплавного металла в атмосфере аргона при соотношении масс шаров и смеси порошков 20:1-40:1, скорости вращения планетарного диска планетарной мельницы 694-900 об/мин и продолжительности обработки 5-90 минут с получением нанокомпозиционных частиц с размером кристаллитов тугоплавкого металла от 5 нм до 100 мкм, и последующее искровое плазменнное спекание активированной смеси порошков в камере в вакууме или в атмосфере инертного газа с пропусканием через спекаемую смесь порошков импульсного электрического тока 500-5000 А под нагрузкой до 50 МПа, при температуре 700-1000°C и продолжительности спекания 5-15 минут.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к разрывным контактам, и может быть использовано при изготовлении низковольтной коммутирующей аппаратуры, в электромагнитных реле.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к защитному покрытию электрических контактов, например магнитоуправлемых контактов (герконов), микроэлектромеханических (МЭМС) коммутаторов, слаботочных и сильноточных контактов коммутационных приборов, электромагнитных реле, и может быть использовано для улучшения эксплуатационных свойств указанных устройств.

Изобретение относится к области электротехники. Контакт выполнен в виде цилиндра, на внешней поверхности которого, у его торцов, образованы выступающие относительно цилиндрической поверхности контактные участки сферической формы.

Изобретение относится к области электротехники и нанотехнологии, в частности к нанокомпозитному материалу на основе меди (Cu) для производства силовых разрывных электрических контактов в переключателях мощных электрических сетей и вакуумных дугогасительных камерах и способу его получения.

Группа изобретений относится к изготовлению спеченного магнита R-Fe-B. Магнит состоит из 12-17 ат.% R, 0,1-3 ат.% M1, 0,05-0,5 ат.% M2, от 4,8+2×m до 5,9+2×m ат.% B и остальное – Fe.
Изобретение относится к изготовлению керамических изделий из порошка. Способ включает прессование порошка с одновременным электроимпульсным спеканием.

Изобретение относится к металлургическим технологиям в области редких и цветных металлов и может быть использовано для получения лигатуры алюминия со скандием.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов на основе никеля. Может использоваться в авиастроении, автомобильной промышленности, а также при производстве турбин.

Изобретение относится к способам ультразвуковой обработки жидких сплавов алюминия. Способ содержит следующие этапы: обеспечение трубчатого сонотрода (1), образованного из материала, по существу инертного к жидкому алюминию, такого как керамика, причем сонотрод содержит первую концевую область (2), которая открыта, и вторую концевую область (3), которая предпочтительно закрыта, погружение по меньшей мере части открытой (2) концевой области трубчатого сонотрода (1) в жидкий сплав алюминия и воздействие мощными ультразвуковыми волнами на жидкий сплав алюминия посредством трубчатого сонотрода (1).

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для бесфлюсовой плавки магниевых сплавов системы магний-алюминий-цинк-марганец. Защитную газовую среду над поверхностью расплава создают в виде смеси бескислородных углесодержащих газов и инертного газа в соотношении (1-10)÷(1-20), которую подают через трубку, имеющую отверстия в ее нижней кольцеобразной части, при этом при создании защитной атмосферы упомянутую смесь подают над поверхностью расплава до достижения его температуры 730 - 750°С, а затем проводят модифицирование и рафинирование расплава путем погружения в расплав упомянутой нижней кольцеобразной части трубки, через которую подают упомянутую смесь газов в течение 10-20 минут с одновременным перемешиванием расплава посредством механизма для его перемешивания, а после завершения процесса модифицирования и рафинирования извлекают упомянутые механизм и трубку из расплава и проводят подачу упомянутой смеси газов над поверхностью расплава до момента заливки расплава в формы.

Изобретение относится к ферромагнитным композиционным материалам. Способ получения ферромагнитного композита MnSb-GaMn-GaSb включает нагревание смеси порошков металлов с размером частиц не более 10 мкм, состоящей из 32-38 ат.

Изобретение относится к аддитивному производству изделий с функционально-градиентной структурой из титановых сплавов. Способ включает изготовление, по меньшей мере, части изделия путем подачи первой проволоки и второй проволоки в ванну расплава с обеспечением плавления высокоэнергетическим воздействием электронного пучка.

Изобретение относится к изготовлению трубчатых фильтрующих элементов. Способ включает формирование цилиндрической газопроницаемой заготовки из металлического порошка, спекание, создание селективных слоев на поверхности заготовки путем чередующихся операций нанесения слоев пасты, состоящей из порошка и связующей добавки, с помощью вертикально движущейся фильеры и приемного конусообразного устройства, симметрично расположенного в верхней части фильеры, и последующего спекания.

Изобретение относится к изготовлению пористых материалов, в частности имплантатов, предпочтительно из титановых сплавов. Способ обработки пористых имплантатов на основе металлических материалов включает подготовку модели ячеистых структур и изготовление ячеистой структуры при воздействии на плавкий материал источником энергии.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к онкологии, и может быть использована при лечении рака. Способы включают введение эффективной дозы наночастиц оксида церия (CONP) пациенту в сочетании с облучением и/или химиотерапевтическим средством.

Изобретение относится к области электротехники и нанотехнологии, в частности к разработке нанокомпозиционных электроконтактных, жаропрочных, электроэрозионностойких, электротехнических, наноструктурированных материалов на основе меди, которые могут быть использованы в производстве силовых разрывных электрических контактов, в переключателях мощных электрических сетей и вакуумных дугогасительных камерах. Нанокомпозитный электроконтактный материал на основе меди, состоящий из частично разупорядочной медной матрицы, в которой распределены кластеры двух тугоплавких компонентов размером менее 5 нм. Причем порошки меди и двух тугоплавких металлов имеют объемное соотношение 50Cu-XMe1-Me2, где X от 5 до 45, при этом материал имеет пористость 1-3 и твердость по Виккерсу 4,5-12 ГПа. Изобретение позволяет повысить физико-механические свойства материала, снизить пористость и удельное электросопротивление. 1 з.п. ф-лы.

Наверх