Износостойкий резистивный сплав на основе меди с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления Российский патент 2023 года по МПК C22C9/05 C22C9/06 C22C32/00 

Изобретение относится к области создания резистивных сплавов на основе меди для получения износостойких покрытий с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

Покрытия из таких сплавов используются в качестве термокомпенсаторов при создании миниатюрных датчиков, электросопротивление которых не зависит от температуры. Для этого берутся два материала - один с положительным, другой с отрицательным коэффициентом той же величины. Суммарный ТКС бифилярной системы при этом равен 0.

Известны сплавы на основе меди с отрицательным ТКС для получения покрытий, микропроводов, тонких пленок (а.с. №430176, 443087, патент РФ №2525876).

Патент №2525876 взят в качестве сплава-прототипа, который является наиболее близким по свойствам и химическому составу к предлагаемому сплаву и имеет следующее содержание компонентов (масс. %):

марганец 18,0-22,0 никель 18,0-25 кремний 2,0-4,0 германий 2,0-5,0 галлий 3,0-6,0 бор 1,5-4,0 медь остальное

Общим недостатком известных сплавов, является их недостаточная микротвердость и, как следствие, низкая стойкость к износу при воздействии механических нагрузок, а также ограниченный диапазон рабочих температур от - 60°С до + 200°С.

Современное прецизионное машино- и приборостроение выдвигает жесткие требования к специальным элементам по микротвердости - не ниже 9-12 ГПа.

Техническим результатом изобретения является разработка сплава на основе меди с отрицательным ТКС (1 ⋅ 10^-4К^-1) для получения функциональных покрытий с микротвердостью не ниже 9,0 ГПа.

Технический результат изобретения достигается тем, что сплав на основе меди для получения покрытий с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и высокой микротвердостью, включающий марганец, никель, германий, галлий дополнительно содержит церий, лантан, иттрий и диборид титана TiB₂ при следующем содержании компонентов (масс. %):

марганец 18,0-22,0 никель 18,0-25,0 германий 2,0-5,0 галлий 3,0-6,0 церий 0,6-0,9 лантан 0,4-0,8 иттрий 0,5-0,9 диборид титана 6,0-9,0 медь остальное

Выбранное количество марганца и никеля, как и в сплаве - прототипе, определяет электрические свойства сплава - отрицательный ТКС, равный 1 ⋅ 10^-4 К^-1 и удельное сопротивление -

Так же, как в прототипе предлагаемый сплав содержит в своем составе количество германия, равное 2,0 - 5,0%, и галлия, равное 3,0 - 6,0% для обеспечения широкого интервала рабочих температур (от -196 до +400°С). При введении германия менее 2% существенного расширения рабочих температур не наблюдается, при значениях более 5% наладить устойчивый процесс нанесения покрытий не удается. Расширение интервала рабочих температур в отрицательной области до -196°С достигается за счет введения галлия в количестве от 3,0% до 6,0%. При содержании галлия менее 3,0% требуемого эффекта не наблюдается. При содержании галлия более 6,0% происходит отслаивание покрытия от подложки.

Для получения качественных функциональных покрытий с использованием перспективного метода сверхзвукового холодного газодинамического напыления необходимо рафинировать сплав, т.е. удалить из него газовые включения (кислород, азот, водород). Это обеспечивается за счет комплексного введения в сплав редкоземельных элементов - церия, имеющего наибольшее сродство к кислороду, лантана, имеющего наибольшее сродство к водороду, иттрия, имеющего наибольшее сродство к азоту. Оптимальное количество вводимых РЗЭ следующее: церия - 0,6 - 0,9%; лантана - 0,4 - 0,8%; иттрия - 0,5 - 0,9%. Экспериментально установлено, что только комплексное введение этих компонентов обеспечивает требуемый эффект рафинирования сплава. При меньшем, чем указано количестве - эффект рафинирования не достигается; при большем - наблюдается охрупчивание полученного функционального покрытия и его отслоение от подложки.

Для повышения микротвердости в сплав дополнительно вводится наноразмерный порошок диборида титана (40 - 80 нм), имеющий в исходном состоянии микротвердость 34,8 ГПа. Экспериментально установлено, что введение в сплав менее 6% TiB₂ дает незначительный прирост микротвердости; при большем, чем 9%, появляется охрупчивание сплава. При оптимальном содержании TiB₂, равном 6,0 - 9,0% достигается повышение микротвердости в покрытии 12,2 - 15,6 ГПа при сохранении отрицательного ТКС, равного (1,0-1,5)⋅10^-4К^-1 в широком интервале рабочих температур (от -196 до +400°С).

Ниже приводится конкретный пример получения функционального покрытия из предлагаемого сплава.

Выплавка сплава двух граничных составов производилась в высокочастотной печи типа ЛЗ - 13, мощностью 10 кВт с рабочей частотой 880 кГц в алундовых тиглях емкостью 1 кг. Последовательность введения шихтовых компонентов следующая: (Cu+Ni)→Ga→Mn→Ge→(Се+La+Y)→TiB₂

Выплавленные составы сплавов следующие (масс. %):

1.

марганец 18,0-18,2 никель 18,0-18,1 германий 2,0-2,005 галлий 3,0-3,005 церий 0,6-0,601 лантан 0,4-0,402 иттрий 0,5-0,501 диборид титана 6,0-6,2 медь остальное

2.

марганец 21,8-22,0 никель 24,9-25,0 германий 4,995-5,0 галлий 5,995-6,0 церий 0,899-0,9 лантан 0,798-0,8 иттрий 0,899-0,9 диборид титана 8,8-9,0 медь остальное

После получения слитков производилось дробление на щековой дробилке типа РБ-54 до фракции 5-7 мм. После этого полученные гранулы с помощью универсальной дезинтеграторно-активаторной технологии обрабатывались на установке ДЕЗИ-15 до фракции 50±10 мкм, а затем наносились с помощью установки сверхзвукового холодного газодинамического напыления ДИМЕТ-3 на керамическую подложку из 22ХС в виде дискретных металлических дорожек толщиной 80÷120 мкм и шириной 6±1 мм.

У полученных покрытий были измерены основные характеристики (табл. 1).

Характеристики полученных покрытий из предлагаемого сплава

Из таблицы видно, что полученные образцы имеют высокое значение микротвердости(12,2 - 15,6 ГПа) при сохранении отрицательного ТКС, равного минус (1,0-1,5) 10^-4К^-1.

Предлагаемый сплав рекомендуется для создания на его основе термокомпенсаторов миниатюрных датчиков схемных элементов сопротивления.

Изобретение относится к области создания резистивных сплавов на основе меди и может быть использовано для получения износостойких покрытий с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления при создании миниатюрных датчиков. Сплав на основе меди содержит, мас. %: марганец 18,0-22,0, никель 18,0-25,0, германий 2,0-5,0, галлий 3,0-6,0, церий 0,6-0,9, лантан 0,4-0,8, иттрий 0,5-0,9, диборид титана 6,0-9,0, медь - остальное. Изобретение направлено на разработку сплава на основе меди с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и высокой микротвердостью. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

1. Сплав на основе меди, включающий марганец, никель, германий и галлий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, лантан, иттрий и диборид титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:

марганец 18,0-22,0 никель 18,0-25,0 германий 2,0-5,0 галлий 3,0-6,0 церий 0,6-0,9 лантан 0,4-0,8 иттрий 0,5-0,9 диборид титана 6,0-9,0 медь остальное

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что диборид титана введен в сплав в виде наноразмерных частиц фракции 40-80 нм.