Способ электровзрывного напыления электроэрозионностойкого покрытия на основе диборида титана и серебра на медный электрический контакт Российский патент 2023 года по МПК C23C4/10 C23C4/126 

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 диборида титана и серебра, 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 вольфрама и меди на медные электрические контакты (RU № 2546939, МПК C23C 4/08, C23C 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, электропроводность 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.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе диборида титана и меди на медные электрические контакты (RU № 2 539 138, МПК C23C 4/12, C23C 14/14, C23C 4/10, C23C 14/32, H01H 1/02, опубл. 10.01.2015).

Способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе диборида титана 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 диборида титана 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 TiB₂-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, электропроводность и стабильность работы покрытия на основе диборида титана 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 диборида титана и серебра на поверхности медных электрических контактов, обладающего высокими электроэрозионной стойкостью, электропроводностью и стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей.

Существующая техническая проблема решается созданием способа электровзрывного напыления электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра с включениями диборида титана, на медный электрический контакт, характеризующегося тем, что осуществляют электрический взрыв фольги из серебра массой 100–400 мг с размещенным на ней порошком диборида титана массой 0,5–1,5 массы фольги, формируют из продуктов взрыва импульсную многофазную плазменную струю, оплавляют ею поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5–5,5 ГВт/м² с осаждением на поверхность медного электрического контакта продуктов взрыва с формированием электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в том, что, при электрическом взрыве фольги из серебра с размещенным на ней порошком диборида титана продукты разрушения образуют плазменную струю, служащую инструментом формирования на поверхности электрических контактов из медных сплавов электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра с включениями диборида титана. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании покрытия, которое обладает лучшей электроэрозионной стойкостью, электропроводностью и стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. Применение покрытия, состоящего из матрицы на основе серебра с включениями диборида титана, позволяет этого добиться. Достижение такого результата обеспечивает применение серебра, обладающего большей электропроводностью 63,01 МСм/м, по сравнению с медью – 59,5 МСм/м. Твердость чистого серебра по шкале Бринелля составляет 25 кгс/мм, а у меди – 35 кгс/мм. Сочетание лучшей электропроводности серебра по сравнению с медью, а также мягкости серебра позволяет формировать пару электрических контактов, которая обладает лучшими рабочими характеристиками. Это позволяет повысить электроэрозионную стойкость, электропроводность и стабильность работы в условиях коммутации электрических сетей композиционных покрытий, содержащих матрицу на основе серебра с включениями диборида титана, по сравнению с покрытиями из диборида титана и меди. Использование этого покрытия 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. Предлагаемое электроэрозионностойкое композиционное покрытие представляет собой матрицу из серебра в которой расположены включения диборида титана и обладает бимодальной структурой: субмикрокристаллической и нанокристаллической. Кроме того, повышается быстрота формирования покрытия по сравнению с прототипом за счет исключения финишной электронно-пучковой обработки. Прочностные характеристики предлагаемого покрытия позволяют обеспечить быструю 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 серебра массой 100–400 мг с размещенным на ней порошком диборида титана массой 0,5–1,5 массы фольги, формируют из продуктов взрыва многофазную пламенную струю, оплавляют ею поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5–5,5 ГВт/м² с осаждением на поверхность медного электрического контакта продуктов взрыва.

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 матрицы на основе серебра с включениями из диборида титана в электроэрозионностойком композиционном покрытии по сравнению с состоянием в исходных материалах на 5 %. При значении массы фольги из серебра менее 100 мг становится невозможным размещение на ее поверхности порошка диборида титана из-за снижения площади фольги. При значении массы фольги из серебра более 400 мг электроэрозионностойкое композиционное покрытие, содержащее матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана, на поверхности электрических контактов из медных сплавов обладает большим количеством дефектов. Дефекты в данном случае представлены фрагментами фольги из серебра, которые не разрушились при электрическом взрыве, а лишь частично оплавились и прилипли к поверхности покрытия. При значении массы порошка диборида титана менее 0,5 от массы фольги снижается электроэрозионная стойкость и стабильность работы покрытия в условиях коммутации электрических сетей. Диборид титана при формировании электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана, является фазой с высокой температурой плавления и твердостью. Снижение концентрации диборида титана не оказывает влияния на повышение электроэрозионной стойкости и стабильности работы покрытия в условиях коммутации электрических сетей. При значении массы порошка диборида титана более 1,5 от массы фольги из серебра не происходит перенос продуктов взрыва на поверхность медного электрического контакта. В этом случае избыточная масса порошка диборида титана не позволяет сформироваться импульсной плазменной струе, следовательно, покрытие не образуется.

Предлагаемый способ проиллюстрирован рисунками, где:

на фиг. 1 представлена структура поперечного сечения поверхностного слоя электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана, – покрытие получено на электротехнической меди марки М00;

на фиг. 2 представлена структура поперечного сечения поверхностного слоя электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана, на границе покрытия с подложкой, – покрытие получено на электротехнической меди марки М00;

на фиг. 3 представлено увеличенное изображение структуры поперечного сечения поверхностного слоя электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана, – покрытие получено на электротехнической меди марки М00;

на фиг. 4 представлен участок рентгенограммы электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана, – 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, марка меди М00. Использовали фольгу из серебра массой 100 мг. На поверхности фольги из серебра размещали порошок диборида титана массой 50 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5 ГВт/м² и формировали на ней электровзрывное электроэрозионностойкое композиционное покрытие, содержащего матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана. 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 серебра с навеской порошка диборида титана 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, электропроводностью и высокой стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. Медные контакты, упрочненные заявляемым способом, показали увеличенный ресурс коммутационного износа в 2,05…2,31 раза по сравнению с серийными контактами.

Пример 2.

Обработке подвергали медную электроконтактную поверхность контактов пускателей марок ПВИ-320А площадью 0,8 см², марка меди М00. Использовали фольгу из серебра массой 400 мг. На поверхности фольги из серебра размещали порошок диборида титана массой 600 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 5,5 ГВт/м² и формировали на ней электровзрывное электроэрозионностойкое композиционное покрытие, содержащего матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана. 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 серебра с навеской порошка диборида титана 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, электропроводностью и высокой стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. Медные контакты, упрочненные заявляемым способом, показали ресурс коммутационного износа в 2,43 раза выше серийных контактов пускателей марки ПВИ-320А.

Проведены измерения микротвердости, модуля упругости, прочности на изгиб. Значение микротвердости сформированного методом электровзрывного напыления электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана, составляет 5,511 ГПа (стандартные значения микротвердости диборида титана и серебра составляют 32,000 и 0,251 ГПа соответственно). Модуль упругости сформированного покрытия составил 25 400 кгс/мм² (стандартные значения модуля упругости диборида титана и серебра составляют 47 927 – 50 986 и 8 430 кгс/мм² соответственно, а отожжённого серебра – 8 200 кгс/мм²), значение прочности на изгиб – 44,5 МПа (стандартные значения прочности на изгиб диборида титана и серебра составляют 500 – 600 и 17 МПа 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: титан, бор и серебро. Исследование элементного состава покрытия по его толщине показало, что основными элементами покрытия также являются титан, бор и серебро. 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 явно выраженные участки покрытия размером 0,1–0,5 мкм с преобладающим расположением титана и бора. Сочетание данных элементов указывает на формирование фазы диборида титана. Данные образования располагаются в матрице, которая представляет собой серебро (это также подтверждено методом картирования в характеристическом излучении серебра). Сформированные покрытия не содержат поры.

Методами рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии установлено содержание в покрытии фаз TiB₂ и Ag. 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. Также в процессе электровзрывного напыления сохраняется стабильной фаза диборида титана без трансформации в другие бориды и химические соединения. Диборид титана обладает лучшей электропроводностью, микротвердостью, модулем упругости, прочностью на изгиб и другими характеристиками по сравнению с прочими боридами титана. Таким образом, формирование структуры покрытия, представляющей собой матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана, обеспечивает лучший уровень свойств созданных покрытий среди возможных сочетаний боридов титана и серебра.

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 ~ 11 000–12 000. Это превышает требования ГОСТа, согласно которому число циклов включений-отключений до полного разрушения для таких контактов должно составлять 10 000.

Испытания покрытий на электроэрозионную стойкость в условиях искровой эрозии проводили при точечном контакте. Ток составлял 3А и напряжение – 220 В. После 10 000 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 диборида титана и серебра m/m_э составляет 9,77, где m_э – потеря массы меди марки М00, принятой за эталон при 10 000 циклов включений-отключений.

Электропроводность покрытий измеряли с применением цифрового тестера электропроводности Sigma 2008B1 (производство Китай, модель 2023 года выпуска). На поверхности покрытия выбирали 10 участков, после чего измеряли и усредняли электропроводность. Электропроводность сформированных электроэрозионностойких композиционных покрытий, содержащих матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана, составляет 62,0 МСм/м. Полученное высокое значение электропроводности обеспечено применением серебра, упрочненного тугоплавкой фазой диборида титана, обладающего высокой электропроводностью и в тоже время твердостью, износостойкостью и электроэрозионной стойкостью.

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 способу электровзрывного напыления электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана, на медный электрический контакт. Осуществляют электрический взрыв фольги из серебра массой 100–400 мг с размещенным на ней порошком диборида титана массой 0,5–1,5 массы фольги. Формируют из продуктов взрыва импульсную многофазную плазменную струю. Оплавляют ею поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5–5,5 ГВт/м² с осаждением на поверхность медного электрического контакта продуктов взрыва с формированием электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана. Обеспечивается покрытие, обладающее высокими электроэрозионной стойкостью, электропроводностью и стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. 4 ил., 2 пр.

Способ электровзрывного напыления электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана, на медный электрический контакт, характеризующийся тем, что осуществляют электрический взрыв фольги из серебра массой 100–400 мг с размещенным на ней порошком диборида титана массой 0,5–1,5 массы фольги, формируют из продуктов взрыва импульсную многофазную плазменную струю, оплавляют ею поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5–5,5 ГВт/м² с осаждением на поверхность медного электрического контакта продуктов взрыва с формированием электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана.