ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА ДЛЯ СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА Российский патент 2014 года по МПК C22C1/05 B22F3/14 H01H1/27 C22C9/00 

Область техники.

Изобретение относится к производству электроконтактных графито-медных материалов для сильноточных электрических контактов методами порошковой металлургии, в частности к шихте и способу получения из нее материала для этих контактов.

Предшествующий уровень техники.

В сильноточных (в смысле высокая плотность тока) скользящих электрических контактах, таких как коллекторно-щеточный узел, токосъемный узел электрифицированного транспорта, подъемно-транспортных устройств широко применяются углеродно-медные и медно-углеродные материалы.

Основным недостатком этих материалов является отсутствие физико-химического взаимодействия между медью и углеродом. Медь не образует карбидов. Краевой угол смачивания жидкой медью графита составляет 140° при температуре 1100°С, т.е. медь не смачивает и не проникает в углерод.

Известно, что легирование меди металлами IV-VI группы таблицы Менделеева уменьшает краевой угол смачивания углерода медью до 40-0°.

Так, добавка 1% мас. Cr снижает краевой угол смачивания до 40°, а добавка в медь 10% Cr снижает краевой угол смачивания до 20° при температуре 1200°С. Добавка 5% Ti в медь снижает краевой угол смачивания графита при 1200°С практически до 0°, так что медь самопроизвольно растекается по графиту.

Такой подход для получения медно-графитовых материалов для электрических контактов использован в патенте RU 2088682С1.

В соответствии с одним из аспектов изобретения по патенту RU 2088682 шихта для получения материала может содержать следующие компоненты, мас.%:

Частицы графита 10-60 По крайней мере один карбид   металла IV VI групп Периодической системы 25-40 По крайней мере один металл,   выбранный из группы, содержащей   титан, цирконий, гафний и хром 3,50-5,00 Медь Остальное

Способ получения материала из данной шихты включает смешение частиц графита, плакированных карбидом, по крайней мере, одного металла IV-VI групп периодической системы с порошками меди или ее сплавов и порошками титана, циркония, гафния и хрома, формование из готовой смеси материала путем одноосного прессования с нагрузкой 5-25 МПа и спекание материала в вакууме при температуре от 1100 до 1600°С или в атмосфере защитного газа (азота или аргона) при температуре 1350-1660°С.

Однако приготовить сплав системы Cu-Ti-C довольно сложно из-за высокого сродства к кислороду у титана. Это приводит к уходу практически всего титана в шлак при плавке в атмосфере воздуха. Проблемы окисления титана существуют и при плавках в вакуумных печах. Обычно сначала в вакуумных печах приготавливают лигатуру, которой затем легируют расплавленную медь в вакуумных печах. Пропитку углерода расплавом Cu-Ti также следует проводить в отсутствие кислорода.

При производстве медно-графитового или графито-медного материала методами порошковой металлургии остаются те же проблемы. Спекание порошка сплава Cu-Ti с графитом также следует проводить в защитной атмосфере или в вакууме в отсутствие кислорода. Спекание меди обычно проводят при температурах 800-900°С, когда медь не расплавляется. В твердом состоянии титан может не успеть продиффундировать в достаточном количестве к границам с углеродом для образования карбидов.

Если изготовить смесь порошков меди, титана и углерода, то спекать такую смесь также необходимо в отсутствие кислорода.

Раскрытие изобретения.

Задачей изобретения является разработка простого способа изготовления графито-медного материала, в котором медь надежно смачивает графит и не собирается в глобули и не выпотевает из графита при плавлении.

Поставленная задача решается шихтой для изготовления материала для сильноточных электрических контактов, которая содержит частицы меди, графита и гидрида титана при следующем соотношении компонентов, масс.%:

Медь 20-85 Гидрид титана 1-10 Графит остальное

В частных воплощениях шихты размер частиц графита составляет 40-80 мкм, а размер частиц меди и гидрида не превышает 100 мкм.

Поставленная задача также решается способом изготовления материала для сильноточных электрических контактов, в соответствии с которым осуществляют смешение частиц графита, гидрида титана и меди в заданном соотношении для получения вышеописанной шихты, получение из шихты заготовки материала путем спекания заготовки пропусканием импульсов электрического тока с плотностью 200-500 А/мм² с одновременным одноосным обжатием материала.

В иных воплощениях изобретения одноосное обжатие при спекании осуществляют под давлением 150-600 МПа.

При этом возможно одноосное обжатие при спекании осуществлять электродами, подводящими импульсы тока.

Сущность предложенного технического решения состоит в следующем.

Изготавливается шихта в виде смеси порошков природного графита, гидрида титана и меди. Содержание компонентов выбрано из следующих соображений.

Содержание гидрида титана в шихте должно составлять от 1 до 10% мас. Оно рассчитывается в зависимости от количества меди таким образом, чтобы гидрид титана обеспечивал надежную смачиваемость меди, что обеспечивается заявленными переделами его содержания. При выходе за заявляемые пределы содержания гидрида титана в шихте, при содержании меньше 1% не обеспечивается надежное смачивание меди графитом, при содержании больше 10% увеличивается удельное электрическое сопротивление материала

Заявленное содержание меди в шихте совместно с заявленным содержанием гидрида титана обеспечивают необходимое удельное электрическое сопротивление и самосмазывающие свойства материала. При выходе за заявляемые пределы содержания в шихте меди происходит следующее: при снижении содержания меди менее 20% увеличивается удельное электрическое сопротивление, при превышении содержания меди более 85% снижаются самосмазывающие свойства материала.

Для некоторых воплощений изобретения регламентируется размеры чешуек природного графита и порошинок меди и гидрида титана.

Размер чешуек природного графита составляет от 40 до 80 мкм. Размеры частиц меди и гидрида титана не должны превышать 100 мкм. При таком ограничении размеров порошка обеспечивается необходимая плотность при спекании и прессовании.

Способ получения материала осуществляется в соответствии со следующим.

Готовится смесь частиц графита с гидридом титана и меди.

Для создания надежного контакта гидрида титана с графитом сначала смешиваются частицы графита и гидрида титана, а затем добавляется порошок меди и готовится окончательная смесь.

Такую смесь можно спекать электроимпульсным методом с одновременным одноосным обжатием в атмосфере воздуха.

Гидрид титана начинает разлагаться при температуре 400°С. При температурах 800-1200°С, которые развиваются обычно при спекании путем пропускания импульсов электрического тока с плотностью 200-500 А/мм² с одновременным одноосным обжатием под давлением 150-400 МПа, гидрид титана разлагается практически полностью.

Выделяющийся водород создает на короткий период восстановительную атмосферу, восстанавливая оксиды меди и не давая окисляться титану. Если титан не окисляется, то он образует карбиды на поверхности графита, значительно улучшая взаимодействие меди с углеродом, при этом медь надежно смачивает графит.

При выходе за заявляемые интервалы плотности тока, при значении меньше 200 А/мм² медь может не расплавиться и не растечься по графиту, а при значении более 500 А/мм² могут подплавиться или выгореть электроды.

Изобретение можно проиллюстрировать на следующем конкретном примере. Материал изготавливали по следующей технологии:

1. В заданном соотношении смешивали графит с размером частиц 40-80 мкм и TiH₂ с размером частиц от 50 до 100 мкм в смесителе типа «пьяная бочка» со скоростью 30 об/мин в течение часа.

2. К этой смеси добавляли частицы меди с размером 50 до 100 мкм. Полученную смесь смешивали в смесителе типа «пьяная бочка» со скоростью 30 об/мин в течение часа с получением шихты.

3. Полученную шихту помещали в матрицу из изолирующего материала. Матрица представляла собой трубку с не запаянными торцами.

4. Затем проводили спекание с помощью подвижных медных водоохлаждаемых электродов диаметром 12-0,05 мм, одновременно выполняющих роль пуансонов. Между электродами и сформованной заготовкой помещались круглые вольфрамовые пластины толщиной 0,1 мм. Электроды-пуансоны прижимались к торцам сформованной заготовки давлением 150-400 МПа. Между электродами пропускался электрический ток плотностью 200-500 А/мм² в течение 2 с.

В результате получали образцы материала с размерами: высотой 5-8 мм, диаметром 12 мм, из которых механической обработкой изготавливали образцы для измерения плотности, электрического сопротивления, твердости по Бринеллю.

Как показывает наш опыт, предел прочности на сжатие композиционного материала, полученного из смеси порошков Cu-C-TiH₂ электроимпульсным спеканием, составляет 200 МПа, что примерно в 2-3 раза выше предела прочности на сжатие композиционного материала, полученного из смеси порошков Cu-C-Ti электроимпульсным спеканием, и в 4-5 раз выше предела прочности аналогично полученного материала из смеси Cu-С.

В табл.1 приведены составы шихты материала и параметры получения этого материала, а также приведены свойства этих составов.

Как следует из представленных данных, изобретение позволяет получить материал, изготовленный по упрощенной технологии без применения вакуума или защитных атмосфер, пористость которого составляет 1-5%, в котором медь надежно смачивает частицы графита, его удельное электрическое сопротивление составляет от 0,2 до 0,6 мкОм.м, а прочностные свойства материала позволяют использовать его для производства сильноточных электроконтактных изделий.

№ состава Состав шихты, мас.% Размер частиц, мкм Параметры способа получения материала Свойства полученного материала Гидрид ти
та
на Ме
дь Графит Гид
рид тита
на Медь Гра
фит Плот
ность тока при спека
нии, А/мм² Давление при одноос
ном формова
нии и спекании Плот
ность материала, г/см³ Удель
ное элект
ричес
кое сопро
тивле
ние, мкОм.м Коэффициент трения по меди Предел проч
ности на сжа
тие, МПа 1. 1,5 20 остальное 50-100 50-100 40-80 200 200 2,62 1,2 0,15 120 2. 4 40 80-100 80-100 40-80 400 300 3,25 0,3 0,22 180 3. 1,0 30 50-100 50-100 40-80 300 250 2,86 0,4 0,18 160 4. 10 85 60-100 60-100 40-80 500 400 7,19 0,09 0,33 250

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству графито-медных материалов для сильноточных электрических контактов. Шихта содержит, мас.%: частицы меди 20-85, частицы гидрида титана 1-10 и частицы графита - остальное. Для получения заготовки материала шихту подвергают спеканию путем пропускания импульсов электрического тока плотностью 200-500 А/мм² с одновременным одноосным обжатием. Обеспечивается получение высокоплотного материала с необходимым удельным электрическим сопротивлением, а также надежной смачиваемостью медью частиц графита. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Шихта для изготовления материала для сильноточных электрических контактов, характеризующаяся тем, что она содержит частицы меди, графита и гидрида титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:
медь 20-85 гидрид титана 1-10 графит остальное

2. Шихта по п.1, характеризующаяся тем, что размер частиц графита составляет 40-80 мкм.

3. Шихта по п.1, характеризующаяся тем, что размер частиц меди и гидрида титана не превышает 100 мкм.

4. Способ изготовления материала для сильноточных электрических контактов, включающий смешивание частиц графита, гидрида титана и меди в заданном соотношении с получением шихты по п.1 и получение из шихты заготовки материала путем спекания пропусканием импульсов электрического тока плотностью 200-500 А/мм² с одновременным одноосным обжатием.

5. Способ по п.4, в котором одноосное обжатие при спекании осуществляют под давлением 150-400 МПа.

6. Способ по п.4, в котором одноосное обжатие при спекании осуществляют электродами, подводящими импульсы тока.