СПОСОБ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО НАПЫЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭРРОЗИОННОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ВОЛЬФРАМА И ЗОЛОТА НА МЕДНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТАКТ Российский патент 2023 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 поверхностях медных электрических контактов, работающих в условиях коммутации электрических сетей, покрытий на основе вольфрама и золота, которые могут быть использованы в электротехнике как электроэрозионностойкие покрытия с высокой стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей.

Известен способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе молибдена и меди на медные электрические контакты (RU №22545852 МПК С23С 4/08, С23С 4/12, опубл. 10.04.2015). Способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе молибдена и меди на медные электрические контакты включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника из порошка молибдена 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 Мо-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.

Недостатком способа являются низкие электроэрозионная стойкость и стабильность работы покрытия на основе молибдена и меди в условиях коммутации электрических сетей. Также недостатком способа является двухстадийное формирование покрытия, включающее электровзрывное напыление и электронно-пучковую обработку.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе вольфрама и меди на медные электрические контакты (RU №2546939 МПК С23С 4/08, С23С 4/12, опубл. 10.04.2015). Способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе вольфрама и меди на медные электрические контакты включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка вольфрама 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-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.

Недостатком способа являются низкие электроэрозионная стойкость и стабильность работы покрытия на основе вольфрама и меди в условиях коммутации электрических сетей. Также недостатком способа является двухстадийное формирование покрытия, включающее электровзрывное напыление и электронно-пучковую обработку.

Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением является получение покрытия на основе вольфрама и золота на поверхности медных электрических контактов, обладающего высокими электроэрозионной стойкостью и стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей.

Существующая техническая проблема решается тем, что предложен способ электровзрывного напыления электроэрозионностойкого покрытия на основе вольфрама и золота на медный электрический контакт, включающий электрический взрыв фольги из золота массой 100-800 мг с размещенным на ней порошком вольфрама массой 0,5-1,5 массы фольги, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-5,5 ГВт/м², осаждение на поверхность продуктов взрыва, формирование на ней композиционного покрытия на основе вольфрама и золота.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в том, что, при электрическом взрыве фольги из золота с размещенным на ней порошком вольфрама продукты разрушения образуют плазменную струю, служащую инструментом формирования на поверхности электрических контактов из медных сплавов покрытия на основе вольфрама и золота. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании покрытия, которое обладает лучшей электроэрозионной стойкостью и стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. Применение покрытия, состоящего из матрицы на основе золота с включениями вольфрама, позволяет этого добиться. Достижение такого результата обеспечивает применение золота, обладающего меньшей электропроводностью 45,5 МСм/м, по сравнению с медью - 59,5 МСм/м. Твердость чистого золота по шкале Бринелля составляет 20 кгс/мм, а у меди - 35 кгс/мм. Сочетание сопоставимой электропроводности меди и золота, а также мягкости золота позволяет формировать пару электрических контактов, которая обладает лучшими рабочими характеристиками, что позволяет повысить электроэрозионную стойкость и стабильность работы в условиях коммутации электрических сетей покрытий на основе вольфрама и золота по сравнению с покрытиями из вольфрама и меди. Использование покрытия из вольфрама и золота снижает переходное сопротивление электрических контактов и сохраняет постоянство электрических параметров (время включения, собственное время включения, собственное время отключения, полное время отключения цепи, время-токовая характеристика, ток отключения, ток включения, устойчивость при сквозных токах, механическая износостойкость, коммутационная износостойкость, восстанавливающееся напряжение, диаграмма коммутационных положений) из-за совокупности характеристик структуры и фазового состава. Покрытие на основе вольфрама и золота обладает бимодальной структурой: субмикрокристаллической и нанокристаллической. Покрытие представляет собой матрицу из золота в которой расположены частицы вольфрама. Кроме того повышается быстрота формирования покрытия по сравнению с прототипом за счет исключения финишной электронно-пучковой обработки. Прочностные характеристики покрытия на основе вольфрама и золота позволяют обеспечить быстрою приработку электрических контактов, поэтому не требуется финишная абразивная обработка поверхности покрытий перед эксплуатацией.

Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что при электровзрывном напылении на медных электрических контактах путем электрического взрыва фольги из золота массой 100-800 мг с размещенным на ней порошком вольфрама массой 0,5-1,5 массы фольги при поглощаемой плотности мощности 4,5-5,5 ГВт/м² происходит формирование покрытия на основе вольфрама и золота.

Указанный режим, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 4,5-5,5 ГВт/м², установлен эмпирически и является оптимальным, поскольку при интенсивности воздействия ниже 4,5 ГВт/м² не происходит образование рельефа между покрытием и подложкой из медного сплава, вследствие чего возможно отслаивание покрытия, а при интенсивности воздействия выше 5,5 ГВт/м² происходит интенсивный разлет продуктов взрыва, что приводит к снижению содержания вольфрама и золота в покрытии по сравнению с состоянием в исходных материалах на 5%. При значении массы фольги из золота менее 100 мг становится невозможным размещение на ее поверхности порошка вольфрама из-за снижения площади фольги. При значении массы фольги из золота более 800 мг покрытие на основе вольфрама и золота на поверхности электрических контактов из медных сплавов обладает большим количеством дефектов. Дефекты в данном случае представлены фрагментами фольги из золота, которые не разрушились при электрическом взрыве, а лишь частично оплавились и прилипли к поверхности покрытия. При значении массы порошка вольфрама менее 0,5 от массы фольги снижается электроэрозионная стойкость и стабильность работы покрытия в условиях коммутации электрических сетей. Вольфрам при формировании покрытий на основе вольфрама и золота является фазой с высокой температурой плавления и высокой твердостью. Снижение концентрации вольфрама не оказывает влияния на повышение электроэрозионной стойкости и стабильности работы покрытия в условиях коммутации электрических сетей. При значении массы порошка вольфрама более 1,5 от массы фольги из золота не происходит перенос продуктов взрыва на поверхность медного электрического контакта. В этом случае избыточная масса порошка вольфрама не позволяет сформироваться импульсной плазменной струе, следовательно, покрытие не образуется.

Проведены измерения микротвердости, модуля упругости, предела прочности при растяжении. Значение микротвердости сформированного покрытия на основе вольфрама и золота составляет 0,841 ГПа (стандартные значения микротвердости вольфрама и золота составляют 3,43 и 0,216 ГПа соответственно). Модуль упругости сформированного покрытия составил 20300 кгс/мм² (стандартные значения модуля упругости вольфрама и золота составляют 38800-40800 и 7000-8500 кгс/мм² соответственно), предел прочности при растяжении - 29,8 кгс/мм² (стандартные значения предела прочности при растяжении вольфрама и золота составляют 54-122 и 14-16 кгс/мм² соответственно).

В результате такой обработки взаимодополняющими методами исследования покрытия: сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа поверхности покрытия и прямых шлифов, рентгенофазового анализа и послойным анализом методом просвечивающей электронной микроскопии установлено следующее. Методами сканирующей электронной микроскопии и

микрорентгеноспектрального анализа поверхности покрытия установлено, что поверхность покрытия однородна, а распределение элементов на ней представлено только атомами элементов, из которых формировали покрытие: вольфрам и золото. Исследование элементного состава покрытия по его толщине показало, что основными элементами покрытия также являются вольфрам и золото. Эти результаты исследования структуры покрытия на поперечном шлифе полностью согласуются с результатами исследования поверхности покрытия, изложенными выше. Методом картирования в характеристических излучениях элементов проведена визуализация распределения элементов в объеме покрытия, согласно которой, можно отметить отсутствие явно выраженных участков покрытия с преобладающим расположением того или иного элемента, то есть вольфрам и золото распределены однородно. Сформированные покрытия не содержат поры. Методами микрорентгеноспектрального анализа и просвечивающей электронной микроскопии установлено содержание в покрытии фаз W и Au. Проведенные исследования структуры, фазового и элементного составов не выявили оксидных фаз (как правило, оксиды могут формироваться в электровзрывных покрытиях в случае проникновения воздуха в рабочее пространство), которые снижают электропроводность покрытия.

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 [ГОСТ 2933-83. Испытание на механическую и коммутационную износостойкость. Аппараты электрические низковольтные методы испытаний. - М.: Изд-во стандартов, 1983. - 26 с.] проводили на испытательном комплексе ФГБОУ ВО «Сибирский государственный индустриальный университет» (г. Новокузнецк) при токе коммутирования 378 А, который в 6 раз превышал номинальный, и cosϕ=0,35. Число циклов включений-отключений до полного разрушения составило ~ 11000-12000. Это превышает требования ГОСТа, согласно которому число циклов включений-отключений до полного разрушения для таких контактов должно составлять 10 000. В прототипе (RU №2546939 МПК С23С 4/08, С23С 4/12, опубл. 10.04.2015) при проведении аналогичных испытаний установлено, что число циклов включений-отключений до полного разрушения составило ~ 10000-11000.

Испытания покрытий на электроэрозионную стойкость в условиях искровой эрозии проводили при точечном контакте. Ток составлял 3А и напряжение - 220 В. После 10000 включений-отключений измеряли потерю массы образца. Формирующиеся в предлагаемом способе покрытия обладают большей электроэрозионной стойкостью в условиях искрового разряда по сравнению с электротехнической медью марки М00. Относительное изменение электроэрозионной стойкости в условиях искровой эрозии покрытий на основе вольфрама и золота m/m_э составляет 9,76, где m_э - потеря массы меди марки М00, принятой за эталон при 10000 циклов включений-отключений. В прототипе при проведении аналогичных испытаний установлено, что относительное изменение электроэрозионной стойкости в условиях искровой эрозии покрытий на основе вольфрама и меди m/m_э составляет 10,05.

Способ поясняется рисунками, где:

на фиг.1 представлена структура поперечного сечения поверхностного слоя композиционного покрытия на основе вольфрама и золота, - покрытие получено на электротехнической меди марки М00;

на фиг.2 представлена структура поперечного сечения поверхностного слоя композиционного покрытия на основе вольфрама и золота на границе покрытия с подложкой, - покрытие получено на электротехнической меди марки М00;

на фиг.3 представлено увеличенное изображение структуры поперечного сечения поверхностного слоя композиционного покрытия на основе вольфрама и золота, - покрытие получено на электротехнической меди марки М00.

Примеры конкретного осуществления способа:

Пример 1.

Обработке подвергали контактную поверхность медного электрического контакта командоконтроллера ККТ 61 площадью 1,5 см². Использовали фольгу из золота массой 100 мг. На поверхности фольги из золота размещали порошок вольфрама массой 50 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5 ГВт/м² и формировали на ней электровзрывное покрытие на основе вольфрама и золота. Электровзрывное напыление произведено с использованием электровзрывной установки «ЭВУ 60/10М» научной лаборатории электровзрывного напыления высоконадежных покрытий Сибирского государственного индустриального университета, г. Новокузнецк (https://www.sibsiu.ru/universitet/podrazdeleniya/otdely/?ELEMENT_ID=21392). Режим термосилового воздействия на облучаемую поверхность задавали выбором зарядного напряжения емкостного накопителя энергии установки, по которому рассчитывали поглощаемую плотность мощности.

Дополнительные параметры процесса: время воздействия плазмы на поверхность образца ~ 100 мкс, давление в ударно-сжатом слое вблизи облучаемой поверхности ~ 12,5 МПа, остаточное давление газа в рабочей камере ~100 Па; температура плазмы на срезе серебряного сопла ~10⁴ К. Использовали импульсный плазменный ускоритель, состоящий из коаксиальных электродов и компрессионной камеры с направляющим соплом, и приспособлений, служащих для жесткого крепления медного электрического контакта относительно сопла ускорителя, размещенных в технологической камере. За время заряда батареи конденсаторов с помощью форвакуумного насоса в ней создавался низкий вакуум (100 Па). Фольгу из золота с навеской порошка вольфрама размещали между коаксиальных электродов. Особенность торцевой коаксиальной схемы разряда емкостного накопителя энергии через фольгу взрываемого материала состоит в том, что фольга прижимается к торцам электродов, один из которых (внешний) выполнен в виде кольца, а другой (внутренний) - в виде коаксиального токоподводящего стержня. При этом ток течет от центра фольги к ее периферии. Сформированные струи могут быть охарактеризованы как многофазные, поскольку включают в себя, наряду с плазмой, конденсированные частицы в виде капель различной дисперсности.

Получили покрытие с высокой электроэрозионной стойкостью и высокой стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. На ООО «Мысковский завод электромонтажных изделий» (Кемеровская область - Кузбасс, г. Мыски) медные контакты, упрочненные заявляемым способом, показали увеличенный ресурс коммутационного износа в 2,1…2,31 раза по сравнению с серийными контактами. В прототипе при проведении аналогичных испытаний установлено, что медные контакты с покрытием на основе вольфрама и меди 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 фольгу из золота массой 800 мг. На поверхности фольги из золота размещали порошок вольфрама массой 1200 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 5,5 ГВт/м² и формировали на ней электровзрывное покрытие на основе вольфрама и золота. Электровзрывное напыление произведено с использованием электровзрывной установки «ЭВУ 60/10М» научной лаборатории электровзрывного напыления высоконадежных покрытий Сибирского государственного индустриального университета, г. Новокузнецк (https://www.sibsiu.ru/universitet/podrazdeleniya/otdely/?ELEMENT_ID=21392). Режим термосилового воздействия на облучаемую поверхность задавали выбором зарядного напряжения емкостного накопителя энергии установки, по которому рассчитывали поглощаемую плотность мощности. Дополнительные параметры процесса: время воздействия плазмы на поверхность образца ~100 мкс, давление в ударно-сжатом слое вблизи облучаемой поверхности ~12,5 МПа, остаточное давление газа в рабочей камере ~100 Па; температура плазмы на срезе серебряного сопла ~10⁴ К. Использовали импульсный плазменный ускоритель, состоящий из коаксиальных электродов и компрессионной камеры с направляющим соплом, и приспособлений, служащих для жесткого крепления медного электрического контакта относительно сопла ускорителя, размещенных в технологической камере. За время заряда батареи конденсаторов с помощью форвакуумного насоса в ней создавался низкий вакуум (100 Па). Фольгу из золота с навеской порошка вольфрама размещали между коаксиальных электродов. Особенность торцевой коаксиальной схемы разряда емкостного накопителя энергии через фольгу взрываемого материала состоит в том, что фольга прижимается к торцам электродов, один из которых (внешний) выполнен в виде кольца, а другой (внутренний) - в виде коаксиального токоподводящего стержня. При этом ток течет от центра фольги к ее периферии. Сформированные струи могут быть охарактеризованы как многофазные, поскольку включают в себя, наряду с плазмой, конденсированные частицы в виде капель различной дисперсности.

Получили покрытие с высокой электроэрозионной стойкостью и высокой стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. На ООО «Ремкомплект», г. Новокузнецк медные контакты, упрочненные заявляемым способом, показали ресурс коммутационного износа в 2,44 раза выше серийных контактов пускателей марки ПВИ-320А. В прототипе при проведении аналогичных испытаний установлено, что медные контакты с покрытием на основе вольфрама и меди показали увеличенный ресурс коммутационного износа в 2,0 раза по сравнению с серийными контактами пускателей марки ПВИ-320А.

Предлагаемый способ позволяет сформировать покрытие, которое по совокупности свойств, характеристикам структуры и фазовому составу позволяет увеличить срок службы коммутирующих электрические цепи медных электрических контактов различной номенклатуры, и расширить область практического применения.

Изобретение относится к формированию на медных электрических контактах покрытий на основе вольфрама и золота, которые могут быть использованы в электротехнике. Способ включает электрический взрыв фольги из золота массой 100-800 мг с размещенным на ней порошком вольфрама массой 0,5-1,5 массы фольги, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-5,5 ГВт/м², осаждение на поверхность продуктов взрыва с формированием на ней композиционного покрытия на основе вольфрама и золота. Изобретение обеспечивает получение на поверхности медных электрических контактов покрытия на основе вольфрама и золота, обладающего высокими электроэрозионной стойкостью и стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. 3 ил., 2 пр.

Способ электровзрывного напыления электроэрозионностойкого покрытия на основе вольфрама и золота на медный электрический контакт, включающий электрический взрыв фольги из золота массой 100-800 мг с размещенным на ней порошком вольфрама массой 0,5-1,5 массы фольги, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-5,5 ГВт/м², осаждение на поверхность продуктов взрыва, формирование на ней композиционного покрытия на основе вольфрама и золота.