СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДИСТОГО ВОЛЬФРАМА, ВОЛЬФРАМА И МЕДИ НА МЕДНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ Российский патент 2015 года по МПК C23C4/12 C23C14/32 C23C14/16 H01H1/02 

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности с использованием концентрированных потоков энергии, в частности к технологии получения на медных электрических контактах покрытий на основе вольфрама и меди, которые могут быть использованы в электротехнике как электроэрозионностойкие покрытия с высокой адгезией с основой на уровне когезии.

Известен способ [1] формирования молибден-углерод-медных покрытий на медных контактных поверхностях, включающий смешивание порошков, отличающийся тем, что порошки молибдена и графита или технического углерода общей массой 90…120 мг смешивают в стехиометрическом соотношении 1:1 и размещают на медной фольге массой 90…120 мг, в процессе электрического взрыва которой формируют импульсную многофазную плазменную струю и оплавляют ею медную контактную поверхность при значении поглощаемой плотности мощности 6,5…7,6 ГВт/м².

Недостатком способа является высокая шероховатость напыленных покрытий, а также низкая степень гомогенизации структуры, выраженная в неоднородности фазового и элементного состава покрытий. Это ограничивает возможность практического применения электрических контактов с такими покрытиями. После электровзрывного напыления (ЭВН) на поверхности покрытий неравномерно распределены многочисленные деформированные закристаллизовавшиеся микрокапли меди. В процессе испытаний покрытий на электроэрозионную стойкость в условиях дуговой эрозии легкоплавкая медь испаряется и основным элементом покрытия становится молибден, который образует матрицу с включениями меди с размерами порядка нескольких микрометров. В отдельных областях происходит разрушение покрытия до материала основы [2]. Это может стать причиной преждевременного отказа в работе электрических контактов.

Наиболее близким к заявляемому является способ [3] формирования вольфрам-углерод-медных покрытий на медных контактных поверхностях, включающий смешивание порошков, заключающийся в том, что порошки вольфрама и графита или технического углерода общей массой 90…120 мг смешивают в стехиометрическом соотношении 1:1 и размещают на медной фольге массой 90…120 мг, путем электрического взрыва которой в едином технологическом процессе формируют импульсную многофазную плазменную струю и оплавляют ею медную контактную поверхность при значении поглощаемой плотности мощности 6,5…7,6 ГВт/м².

Недостатком способа является высокая шероховатость напыленных покрытий, а также низкая степень гомогенизации структуры, выраженная в неоднородности фазового и элементного состава покрытий. Это ограничивает возможность практического применения электрических контактов с такими покрытиями. После электровзрывного напыления (ЭВН) на поверхности покрытий неравномерно распределены многочисленные деформированные закристаллизовавшиеся микрокапли меди. В процессе испытаний покрытий на электроэрозионную стойкость в условиях дуговой эрозии легкоплавкая медь испаряется и основным элементом покрытия становится вольфрам, который образует матрицу с включениями меди с размерами порядка нескольких микрометров. В отдельных областях происходит разрушение покрытия до материала основы [2]. Это может стать причиной преждевременного отказа в работе электрических контактов.

Задачей заявляемого изобретения является получение композиционных вольфрам-углерод-медных покрытий с наполненной микрокристаллической структурой, обладающих высокой степенью гомогенизации структуры их поверхностного слоя, зеркальным блеском поверхности и высокой электроэрозионной стойкостью.

Поставленная задача реализуется способом нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе углеродистого вольфрама, вольфрама и меди на медные электрические контакты. Способ включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошков вольфрама и графита или технического углерода, взятых в стехиометрическом соотношении для синтеза углеродистого вольфрама общей массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м², осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней композиционного покрытия системы W-C-Cu и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см², длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30 имп.

Продукты разрушения композиционного электрически взрываемого проводника образуют плазменную струю, служащую инструментом формирования на поверхности медного электрического контакта композиционного покрытия с наполненной структурой [4], образованного псевдосплавом углеродистого вольфрама, вольфрама и меди [3]. Последующая импульсно-периодическая ЭПО покрытия сопровождается переплавлением его поверхностного слоя толщиной 20-30 мкм. Дефекты в виде микропор и микротрещин, выявляемые после ЭВН [3], в нем не наблюдаются. Импульсно-периодическая ЭПО приводит к формированию в покрытии высокодисперсной и однородной структуры. Размеры включений углеродистого вольфрама, вольфрама в медной матрице уменьшаются в 2-4 раза по сравнению с их размерами сразу после ЭВН. Поверхность покрытия приобретает зеркальный блеск. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании поверхностного слоя с низкой шероховатостью и гомогенизированной структурой, что увеличивает срок их службы и расширяет область практического применения контактов в электротехнической аппаратуре.

Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структура нижележащего слоя электровзрывного композиционного покрытия системы W-C-Cu без переплавления при ЭПО, на фиг.2 - структура поперечного сечения поверхностного слоя электровзрывного композиционного покрытия системы W-C-Cu после переплавления при ЭПО.

Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что при ЭВН на поверхность медного электрического контакта путем электрического взрыва композиционного электрически взрываемого проводника при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м² происходит формирование покрытия с композиционной наполненной структурой, когда в медной матрице располагаются включения углеродистого вольфрама, вольфрама с размерами от 1,0 до 4,0 мкм (фиг.1). В покрытии наблюдаются дефекты в виде микропор и микротрещин. Указанный режим, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 4,5-6,5 ГВт/м², установлен эмпирически и является оптимальным, поскольку при интенсивности воздействия ниже 4,5 ГВт/м² не происходит образование рельефа между покрытием и медным электрическим контактом, вследствие чего возможно отслаивание покрытия, а выше 6,5 ГВт/м² происходит формирование развитого рельефа поверхности напыляемого покрытия. При значении массы медной фольги менее 60 мг становится невозможным изготовление из нее композиционного электрически взрываемого проводника. При значении массы медной фольги более 360 мг покрытие с композиционной наполненной структурой на медных электрических контактах обладает большим количеством дефектов. При значении массы сердечника композиционного электрически взрываемого материала менее 0,5 или более 2,0 массы фольги покрытие с композиционной наполненной структурой на медных электрических контактах также обладает дефектной структурой. Граница электровзрывного покрытия с основой не является ровной, что позволяет увеличить адгезию покрытия с основой.

Импульсно-периодическая ЭПО поверхности электровзрывного покрытия с поверхностной плотностью поглощаемой энергии 40-60 Дж/см², длительностью импульсов 150-200 мкс, количеством импульсов 10-30 приводит к выглаживанию рельефа поверхности до образования зеркального блеска. Толщина модифицированных слоев после ЭПО изменяется в пределах от 20 до 40 мкм и незначительно увеличивается с ростом плотности энергии пучка электронов. Электронно-пучковая обработка, сопровождающаяся переплавлением слоя покрытия приводит к формированию композиционной наполненной [4] структуры (фиг.2). Дефекты в виде микропор и микротрещин в нем не наблюдаются. Размеры включений углеродистого вольфрама, вольфрама в медной матрице изменяются в пределах от 0,5 до 1,0 мкм. Импульсно-периодическая ЭПО поверхностного слоя приводит к формированию в нем более дисперсной и однородной структуры. Указанный режим является оптимальным, поскольку при поверхностной плотности энергии меньше 40 Дж/см², длительности импульсов короче 150 мкс, количестве импульсов менее 10 имп. не происходит образования однородной структуры на основе углеродистого вольфрама, вольфрама и меди и диспергирования меди и вольфрама в покрытии. При поверхностной плотности энергии больше 60 Дж/см², длительности импульсов длиннее 200 мкс, количестве импульсов более 30 имп. происходит формирование рельефа поверхности.

Методом рентгенофазового анализа установлено, что основными фазами в покрытии являются углеродистый вольфрам и медь в соотношении приблизительно 1:1. Выявлены дифракционные линии, принадлежащие вольфраму, объемная доля которого 5…10%.

Электроэрозионную стойкость покрытий, полученных заявленным способом, в условиях дуговой эрозии измеряли на контактах электромагнитных пускателей марки ПМА 4100. Испытания на коммутационную износостойкость в режиме АС-4 согласно ГОСТу [5] проводили на испытательном комплексе ООО «ЗЭТА» (г.Кемерово) при токе коммутирования 378 А, который в 6 раз превышал номинальный, и cosφ=0,35. Число циклов включений-отключений до полного разрушения составило ~10000-11000. Это соответствует требованиям ГОСТа [5] для таких контактов.

Испытания покрытий на электроэрозионную стойкость в условиях искровой эрозии проводили при точечном контакте. Ток составлял 3 А и напряжение - 220 В. После 10000 включений-отключений измеряли потерю массы образца. Формирующееся при ЭВН покрытия обладают большей электроэрозионную стойкость в условиях искрового разряда по сравнению с исходной для меди марки М00. Относительное изменение электроэрозионной стойкости в условиях искровой эрозии покрытий с композиционной наполненной структурой m_э/m составляет 10,05, где m_э - потеря массы меди марки М00, принятой за эталон при 10000 циклов включений-отключений.

Примеры конкретного осуществления способа:

Пример 1.

Обработке подвергали контактную поверхность медного электрического контакта командоконтроллера ККТ 61 площадью 1,5 см². Использовали композиционный электрически взрываемый проводник, состоящий из оболочки и сердечника в виде порошков вольфрама и графита, взятых в стехиометрическом соотношении для синтеза углеродистого вольфрама, при этом оболочка состояла из двух слоев электрически взрываемой плоской медной фольги массой 60 мг, а масса сердечника составляла 30 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5 ГВт/м² и формировали на ней композиционное электровзрывное покрытие системы W-C-Cu. После самозакалки покрытия при теплоотводе в объем основы медного контакта осуществляли импульсно-периодическую ЭПО поверхности электровзрывного покрытия при поверхностной плотности энергии 40 Дж/см², длительности импульсов - 150 мкс, количестве импульсов - 10 имп.

Получили электроэрозионностойкое покрытие с высокой адгезией покрытия с основой на уровне когезии. На ОАО «Новокузнецкий вагоностроительный завод» медные контакты, упрочненные заявляемым способом, показали увеличенный ресурс коммутационного износа в 1,5…2,0 раза по сравнению с серийными контактами.

Пример 2.

Обработке подвергали медную электроконтактную поверхность контактов пускателей марок ПВИ-320А площадью 0,8 см². Использовали композиционный электрически взрываемый проводник, состоящий из оболочки и сердечника в виде порошков вольфрама и технического углерода, взятых в стехиометрическом соотношении для синтеза углеродистого вольфрама, при этом оболочка состояла из двух слоев электрически взрываемой плоской медной фольги массой 360 мг, а масса сердечника составляла 720 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли медную электроконтактную поверхность контактов пускателей марок ПВИ-320А при поглощаемой плотности мощности 6,5 ГВт/м² и формировали на ней композиционное электровзрывное покрытие системы W-C-Cu. После самозакалки покрытия при теплоотводе в объем основы медного контакта осуществляли импульсно-периодическую ЭПО электровзрывного покрытия при поверхностной плотности энергии 60 Дж/см², длительности импульсов - 200 мкс, количестве импульсов - 30 имп.

Получили электроэрозионностойкое покрытие с высокой адгезией покрытия с основой на уровне когезии. На ОАО «Ремкомплект», г. Новокузнецк медные контакты, упрочненные заявляемым способом, показали ресурс коммутационного износа на уровне в 2 раза выше контактов пускателей марок ПВИ-320А.

Источники информации

1. Патент РФ №2470089 на изобретение «Способ формирования молибден-углерод-медных покрытий на медных контактных поверхностях» / Романов Д.А., Будовских Е.А., Громов В.Е.; заявл. 31.08.2011; опубл. 20.12.2012, Бюл. №35.6 с.

2. Романов Д.А., Будовских Е.А., Громов В.Е. Электровзрывное напыление электроэрозионностойких покрытий: формирование структуры, фазового состава и свойств электроэрозионностойких покрытий методом электровзрывного напыления. - Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. 2012. - 170 с.

3. Патент РФ №2464354 на изобретение «Способ формирования вольфрам-углерод-медных покрытий на медных контактных поверхностях» / Романов Д.А., Будовских Е.А., Громов В.Е.; заявл. 22.04.2011; опубл. 20.10.2012, Бюл. №29.6 с.

4. Мэттьюз М., Ролингс Р. Композиционные материалы. Механика и технология. - М.: Техносфера, 2004. - 408 с.

5. ГОСТ 2933-83. Испытание на механическую и коммутационную износостойкость. Аппараты электрические низковольтные методы испытаний. - М.: Изд-во стандартов, 1983. - 26 с.

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе вольфрама, углеродистого вольфрама и меди, и может быть использовано в электротехнике. Способ включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошков вольфрама и графита или технического углерода, взятых в стехиометрическом соотношении для синтеза углеродистого вольфрама общей массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м², осаждение на поверхность продуктов взрыва, формирование на ней композиционного покрытия системы W-С-Cu и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см², длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30 имп. Изобретение направлено на получение электрических контактов с высокой электроэрозионной стойкостью. 2 пр., 2 ил.

Способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе вольфрама и меди на медные электрические контакты, включающий электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошков вольфрама и графита или технического углерода, взятых в стехиометрическом соотношении для синтеза углеродистого вольфрама общей массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м², осаждение на поверхность продуктов взрыва, формирование на ней композиционного покрытия системы W-C-Cu и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см², длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30 имп.