СОСТАВ МАТЕРИАЛА ЭЛЕКТРОДОВ ГЕНЕРАТОРА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ Российский патент 2010 года по МПК H01J9/04 

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для изготовления электродов генераторов низкотемпературной плазмы, обеспечивающих увеличение ресурса эксплуатации.

Применяемые в настоящее время медные электроды по ресурсу эксплуатации (40-50 часов) не отвечают современным требованиям. Для повышения ресурса эксплуатации известно использование композиционных материалов на основе меди, легированных тугоплавкими материалами. Так, в патенте РФ предложен спеченный материал следующего состава (мас.%): карбид титана 7-13; ниобий 1,5-5 или пятиокись ниобия 2,5-7,6; медь остальное (пат. РФ 2009562, КЛ Н01Н 1/02, приоритет 1992.05.26, опубликовано 1994.03.15). В японском патенте JP 2007066677, КЛ Н05Н 1/26, опубликованном 2007-03-15, предлагается для увеличения ресурса эксплуатации добавлять к медной основе гафний, цирконий либо сплавы на их основе.

В качестве прототипа принят материал электродов низкотемпературных плазматронов, в котором использована спеченная смесь медного и железного порошка и окись иттрия Y₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- железо 3-30;

- Y₂O₃ 0,1-1,0;

- медь остальное

(Патент РФ № 2176833, 7 H01J 9/04, опубл. 10.12.2001, бюл. № 34).

Указанный материал позволяет увеличить ресурс эксплуатации до 60-80 часов, что в 1,5-2 раза больше по сравнению с ресурсом используемых в настоящее время медных электродов, однако требования к ресурсу эксплуатации постоянно растут и указанных величин на сегодняшний день недостаточно.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение ресурса эксплуатации электродов генераторов низкотемпературной плазмы.

Технический результат достигается за счет того, что в состав материала, содержащего железо и медь, дополнительно введен хром в виде субмикронных частиц при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- железо 10-50;

- хром субмикронный 0,5-1,5;

- медь остальное.

При этом в отличие от прототипа в материал не вводятся частицы окиси иттрия, так как их введение при заявленных соотношениях компонентов, как установлено авторами, приводит к ухудшению механических свойств.

Кроме того, технический результат достигается за счет того, что в указанный выше состав материала, содержащего медь, железо и хром субмикронный, дополнительно введен порошок хрома в виде частиц десятимикронного размера при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- железо 10-40;

- хром десятимикронный 5-20;

- хром субмикронный 0,5-1,5;

- медь остальное.

В основе изобретения лежат экспериментально установленные авторами закономерности. Установлено, что введение субмикронных частиц приводит к повышению интенсивности процесса спекания. Помимо уменьшения остаточной пористости происходит также изменение формы пор, их сфериодизация, приближение к шарообразной форме, в результате чего снижается электросопротивление и повышаются теплопроводность, прочностные характеристики и относительное удлинение. Все это благоприятно влияет на ресурсные характеристики и позволяет вводить большее количество тугоплавких компонентов, а также вводить, кроме железа, еще и другие компоненты, например хром. Хром превосходит железо по температуре плавления и кипения, скрытой теплоте плавления и испарения (1535°C и 1900°C; 2450°C и 2735°C; 49 ^кал/_г и 67 ^кал/_г; 1455 ^кал/_г и 1603 ^кал/_г, соответственно). Поэтому введение хрома в состав материала способно благоприятно повлиять на его ресурс эксплуатации. Вместе с тем нами экспериментально установлено, что введение десятимикронных частиц хрома без субмикронных не эффективно. Наиболее эффективно их совместное введение в пропорциях, указанных в формуле изобретения. Гранулометрический состав порошков приведен в таблице 1.

Таблица 1 Гранулометрический состав порошковых материалов № п/п Состав порошка Фракция, мас.% 160-100 мкм 100-63 мкм 63-40 мкм 40-25 мкм 25-16 мкм 16-10 мкм 10-6 мкм 6-4 мкм 4-2,5 мкм 2,5-1,6 мкм 1,6-1,0 мкм 1,0-0,6 мкм 0,6-0,4 мкм 0,4-0,2 мкм 0,2-01 мкм 1 Порошок меди - - 2 58 32 8 - - - - - - - - - 2 Порошок железа 5 15 20 38 22   - - - - - - - - - 3 Порошок хрома десяти микронный - - - 45 20 35 - - - - - - - - - 4 Порошок хрома субмикронный - - - - - - - - - - - 5 20 38 37

Введение субмикронных частиц в объем материала и его изготовление проводилось в соответствии со способом, защищенным заявкой № 2007116914/018401 от 04.05.2007 г. на получение патента РФ «Способ изготовления композиционного материала с объемной наноструктурой», МКИ В22F 1/00, существо которого состоит во введении субмикронных частиц путем вакуумной пропитки основы их суспензией в защитной жидкости. Пример реализации изобретения приведен в таблице 2. Приведенные данные подтверждают правильность предложенного решения и выбранного химического состава и соотношения ингредиентов.

Эксперименты проводились на электродах плазматронов типа ПТВ, представляющих собой цилиндры ⌀20×80 при горении дуги со стороны торца.

В качестве исходных материалов были использованы:

- электролитический медный порошок марки ПМС-1 по ГОСТ 4960-89;

- железный распыленный порошок марки ПЖРВ-2 по ГОСТ 9849;

- порошок хрома марки ПХ-1 по ТУ 14-22-151-2001 в исходном состоянии;

- тот же порошок хрома после его диспергирования в ультразвуковой установке в защитной жидкости.

Из данных, приведенных в таблице 2, следует, что ресурс эксплуатации электродов увеличивается в 3 и более раз по сравнению с традиционными медными электродами и превосходит ресурс эксплуатации материала, принятого в качестве прототипа.

Экономический эффект определяется повышением ресурса эксплуатации и снижением расхода дорогостоящих медных электродов.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к материалу для изготовления электродов генератора низкотемпературной плазмы. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение ресурса эксплуатации электродов генераторов низкотемпературной плазмы, для чего материал, получаемый методом порошковой металлургии, содержит хром в виде субмикронных частиц, а также железо и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: железо 10-50; хром субмикронный 0,5-1,5; медь остальное. Кроме того, в указанный выше материал дополнительно может быть введен порошок хрома в виде частиц десятимикронного размера, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железо 20-40; хром десятимикронный 5-20; хром субмикронный 0,5-1,5; медь остальное. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Состав материала электродов генератора низкотемпературной плазмы, содержащий медь и железо, отличающийся тем, что в него дополнительно введен порошок хрома в виде частиц субмикронного размера при следующем соотношении компонентов, мас.%:
железо 10-50 хром субмикронный 0,5-1,5 медь остальное

2. Состав материала по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введен порошок хрома в виде частиц десятимикронного размера при следующем соотношении компонентов, мас.%:
железо 10-40 хром десятимикронный 5-20 хром субмикронный 0,5-1,5 медь остальное