RO129565A2 - Procedeu de obţinere a unui material compozit pe bază de wolfram pentru contacte electrice - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu de obţinere a unui material compozit pe bază de wolfram, pentru realizarea de contacte electrice utilizate în aparatura de joasă tensiune, cu funcţionare în vid. Procedeul conform invenţiei se realizează prin metoda metalurgiei pulberilor, şi constă în amestecarea de pulberi W-Cu slab aliate cu pulberi de Ni, omogenizare, granulare, presare la rece, sinterizare şi infiltrare cu cupru sau argint, la temperaturi de 1100...1150°C, cu menţinere pe palier 0,5...1 h, în atmosferă reducătoare de azot şi amoniac cracat, din care rezultă un material compozit având o compoziţie constituită din unităţi masice cuprinse în intervalele: 1,6...18% Cu; 0...19,7% Ag; 0,8...1,0% Ni şi, în rest, W, având gradul de compactizare de minimum 95%, duritatea Vickers de minimum 212 HV şi rezistivitatea electrică de maximum 6,15 μ Ω xcm.

Description

Procedeu de obținere a unui material compozit pe baza de wolfram pentru contacte electrice

Invenția de fata se refera la un procedeu de obținere a unui material compozit pe baza de wolfram, prin formarea unui schelet poros din amestecuri de pulberi W-Cu slab aliate cu pulberi de Ni si infiltrarea acestuia cu cupru sau argint, pentru realizarea de contacte electrice utilizate in aparatura de joasa tensiune cu funcționare in vid.

In aparatura de comutație in vid, cum ar fi întrerupătoare de circuit sau contactoare, s-au dezvoltat mai multe clase de materiale: Cu-Cr,W-Cu, WC-Ag, W-Ag etc. Materialele W-Cu sunt larg utilizate in contactoarele de vid datorită proprietăților remarcabile, cum sunt dilatarea termică mică, conductivitatea termică si electrică ridicată a cuprului, prelucrabilitate bună, rezistenta la coroziune, rezistenta mare la eroziunea in arc, care este baza unei fiabilități ridicate chiar sub sarcini severe [1-7].

Pentru obținerea de performante superioare este nevoie de procedee de obținere a materialelor compozite W-Cu de densitate înaltă, cu o dispersie omogenă a componentelor W si Cu. Prin urmare, microstructurile materialelor de contact au o influentă importantă asupra caracteristicilor fizice, mecanice si funcționale ale contactelor electrice. în general, cerințele pentru contactele electrice, cum ar fi rezistenta de eroziune, tendința scăzută la sudare, conductivitatea electrică si termică ridicate, sau duritatea mare pot fi îndeplinite numai daca materialul de contact are o granulatie fină si omogenă a microstructurii [4].

Datorita diferentelor mari în ceea ce privește punctele de topire si densitățile Cu si W, si a faptului ca sistemul W-Cu prezintă insolubilitate reciprocă sau solubilitatea neglijabilă [5], nu este posibila obținerea unui material compozit W-Cu prin metalurgia clasica, bazată pe topire și turnare. Spre deosebire de metalurgia clasică, metalurgia pulberilor (MP) constă în obținerea metalelor și aliajelor plecând de la pulberi metalice, pe care le transformă în corpuri compacte sub influența presiunii și căldurii, lucrând însă si la temperaturi inferioare temperaturii de topire a metalului sau a aliajului de bază. Prin urmare, prin MP pot fi obținute pseudo-aliaje W-Cu (materiale mixte, compozite, care mențin caracteristicile individuale ale componentelor, Cu si W), satisfăcând astfel cerințele importante ale contactelor electrice.

Sunt cunoscute mai multe procedee de obținere ale materialelor compozite W-Cu [1-5]:

- procedeu de obținere materialelor W-Cu prin sintetizarea fără fază lichidă. Amestecul de pulberi de W si Cu in proporția corespunzătoare compoziției dorite sunt presate în matrite având configurație corespunzătoare produselor ce trebuie obținute si sinterizate, in hidrogen, la temperaturi inferioare temperaturii de topire a cuprului.

- procedeu de obținere materialelor W-Cu prin sinterizarea cu fază lichidă. Ca la procedeul de mai sus, cu deosebirea ca sinterizarea lor are loc la temperaturi superioare celei de topire a cuprului.

jȘ'kâb¹. 0 SÎAt“_?;TR!i INVENȚII Șl MĂRC·!

cv-2 O 12-0 99 42 -O 4 -12- 2012

- procedeu de obținere materialelor W-Cu prin infiltrare, când un comprimat poros din W, consolidat sau nu, in prealabil, printr-o sinterizare la temperaturi relativ joase (fata de temperaturile obișnuite de sinterizare ale wolframului), este infiltrat cu cupru topit, in atmosfera de hidrogen sau in vid, prin imersare in baie de cupru topit sau prin așezare peste/sub a unei pastile de cupru si încălzirea acestora peste temperatura de topire a Cu. Cuprul este absorbit in porii scheletului (comprimatului) de wolfram, prin fenomenul de capilaritate.

Procedeul prin sintetizarea fără fază lichida, permite obținerea oricărei compoziții (proporții W/Cu), dar prezintă dezavantajul ca nu asigura compactizarea deplina (prezenta in produs a unei porozităti remanente - in condiții optime, de minim 2%). In plus, structura produsului consta in particule ale unui component înglobate intr-o matrice a celuilalt (funcție de proporția componentilor) - structura mai puțin favorabila utilizării ca material de contact.

Comparativ cu procedeul prin sinterizare fara faza lichida, procedeul prin sinterizare cu faza lichida asigura densificări mai bune, insa prezintă dezavantajul ca, din cauza insolubilității reciproce de W si Cu si a unghiului mare de contact a Cu lichid pe W, sistemul W-Cu este dificil de sinterizat la densitate mare, chiar si prin sinterizare cu fază lichidă. De asemenea, s-a demonstrat că, în timpul sinterizării cu fază lichidă, grăunții de wolfram suferă o creștere considerabilă iar sinterizarea cu faza lichidă contribuie mai mult la creșterea gradului de omogenitate, decât la creșterea celui de densificare [1-5],

Procedeul infiltrării este o metodă eficientă de a realiza pseudo-aliaje sau materiale compozite, cum ar fi: Si/Cu, W/ Cu, Cr/Cu, SiC/Al-Mg, A1N/Al-Cu, etc. [3, 8-10]. Acest procedeu se aplica, de obicei, pentru materialele compozite Cu-W cu 10 până la 40% gr. Cu si prezintă dezavantajul ca nu poate fi aplicat pentru obținerea un continui mai mare de cupru, caz in care se utilizează un procedeu pur de MP, când cele două pulberi sunt amestecate, presate, sinterizate ulterior în fază solidă sau lichida.

Problema care o rezolva invenția consta in gasirea unui procedeu pentru obținerea unor contacte electrice pe baza de wolfram, prin formarea unui schelet poros din W-Cu-Ni, din amestecuri de pulberi cu 2%Cu si l%Ni si restul %W si prin infiltrarea acestui schelet cu tabla din cupru sau argint, pentru realizarea de contacte electrice utilizate in aparatura de joasa tensiune cu funcționare in vid.

Procedeul conform invenției înlătură dezavantajele menționate la procedeele prezentate anterior, prin aceea ca, in scopul obținerii unor contacte electrice cu compoziții chimice cuprinse in intervalele l,6...18%Cu; 0...19,7%Ag, 0,8...1,0%Ni si restul %W, pornește de la amestecuri de pulberi de wolfram de puritate 99,5% si dimensiuni de particule < 32 pm, pulberi de cupru de puritate 99,7% si dimensiuni de particule < 45 pm si pulberi de nichel de puritate (99,9%) si dimensiuni de particule cuprinse in intervalul 3-7 pm, cu rol de agent de sinterizare, care se omogenizează intr-un amestecator, in condițiile utilizării unor bile din otel austenitic de diametru de 5 mm in procesul de omogenizare, a unui raport de masa bile:pulbere de 1:1, viteza de rotatie a tobei omogenizatorului de 40 rpm si durata de omogenizare de 8...10 h, după

O 1 2 - Π O Π W. ' ’

care amestecurile omogenizate se umecteaza cu 2 - '% soluție de alcool polivinilic de concentrație 4% in apa distilata si se presează in calupi de diametru 80 mm si înălțime de 10-15 mm cu o presiune de 50-100 MPa, se concaseaza si se granulează prin sortarea pe site standardizate a fracțiilor granulometrice 125...425 pm, apoi pulberea granulata se presează la rece cu o presa hidraulica automata, la presiuni de compactare cuprinse in intervalul

200...300 MPa in scopul obținerii densității relative de 65...70 %, sub forma de semifabricate cilindrice de diametru 17...30 mm si înălțime 4...5 mm, se trateaza termic printr-un proces de sinterizare-infiltrare cu table din Cu sau Ag, care sunt așezate sub semifabricatele compactate, intr-un cuptor cu banda continua, la o viteza a benzii de 7 cm/min, in atmosfera de azot si amoniac cracat, la o temperatura de 1100°C si respectiv 1150°C, pentru materialele de contact infiltrate cu Ag si respectiv Cu si durata de infiltrare la fiecare temperatura de sinterizare de 0,5...1 h.

Prin aplicarea procedeului conform invenției se obțin următoarele avantaje:

- realizarea contactelor pe baza de wolfram, utilizate pentru contactoare cu comutație in vid cu curenți nominali de 200A, 315A, 400A si 630A, permite înlocuirea contactoarelor clasice de putere, echipate cu contacte toxice din Ag-CdO, cu funcționare in aer;

- procedeu de obținere simplificat prin MP, singura tehnologie care permite obținerea contactelor electrice din materiale compozite pe baza de wolfram si extinderea de la stadiul de microproducție la producție industrială prin folosirea de utilaje automatizate cu mare productivitate (de exemplu, prese automate, cuptoare continue, etc.)

- materialul compozit pe baza de wolfram, obtinut conform procedeului, oferă avantajele economiei de material prin obținerea formei și dimensiunilor dorite, eliminandu-se pierderile de material prin prelucrările mecanice inerente compozitelor obținute prin celelalte metode.

- materialul compozit pe baza de wolfram, obtinut conform procedeului, oferă avantajele economiei de energie datorită presiunii de compactare și temperaturii de tratament termic (sinterizare) scăzute.

- procedeul MP aplicat prin sinterizare-infiltrare, conform invenției, permite densificări mari (min. 95%) si poate fi aplicat la compoziții bogate in wolfram (77,9....81%). putandu-se obține structuri favorabile utilizării ca materiale de contact, care sa nu prezintă defecte structurale sau particule izolate de wolfram, care ar putea fi ușor detașate de la suprafața de contact in timpul arcului, si nici aglomerări de cupru capabile sa joace un rol slab in conducerea curentului si a căldurii. In plus, porozitatea inițiala mare (65...70%), intercomunicanta, a comprimatului de wolfram creează condițiile unei bune degazări in procesul infiltrării.

- introducerea unor cantitati mici de Ni (0,8...1%gr.). iri scopul îmbunătățirii capacitatii de umectare a scheletului de wolfram de către cupru lichid, avand in vedere unghiul mare de contact al cuprului lichid pe wolfram, ceea ce face ca umectarea sa nu fie perfectă iar la limitele lor de interfață sa nu se poata obține o legătură metalurgică, precum si la creșterea densității de sinterizare >2 Ο 1 2 - Γ Ο ?Ă 2- Ο 4 -1?' 21112

(15,05...15,75%). printr-un proces de sinterizare activat, sau la creșterea performantelor mecanice, cum este duritatea Vickers (212, 7. ..260,9 HV).

Conform procedeului din invenție, se obține un material compozit W-Cu-Ni-(Ag) care prezintă caracteristici fizice, electrice si mecanice comparabile cu ale materialelor de contact realizate pe plan internațional, pentru aparatura cu comutație în vid [11-13].

Se dau in continuare doua exemple de realizare a invenției in legătură cu fig.l ...5 si Tabelul 1 care reprezintă:

-fig.l - Etapele fluxului tehnologic pentru obținerea materialelor compozite din sistemul W-Cu-Ni-(Ag), prin metoda metalurgiei pulberilor

- fig.2 - Aspectul morfologic al pulberilor de wolfram înainte de omogenizare mecanică

- fig.3 - Aspectul morfologic al pulberilor de cupru înainte de omogenizare mecanica

- fig. 4 - Aspectul microstructural al materialului compozit W-Cu-Ni-Ag, compactat la 200 MPa, sinterizat la 1100°C si infiltrat cu Ag, în secțiune transversală si în stare neatacată

- fig. 5 - Aspectul microstructural al materialului compozit W-Cu-Ni, compactat la 200 MPa, sinterizat la 1150°C si infiltrat cu Cu, în secțiune transversală si în stare neatacată

Tabelul 1. Dozarea amestecurilor din pulberi elementale si parametrii procesului de omogenizare pentru realizarea materialelor de contact pe baza de wolfram

Amestec de pulberi	Compoziție chimica amestec pulberi, %gr.	Cantitate amestec de pulberi, g	Parametrii procesului de omogenizare amestec pulberi
W-Cu-Ni	97	2	1	1000	-bile din otel austenitic de diametru 5 mm -raportul bile/pulbere: 1:1 -viteza de rotatie a tobei: 40 rpm -durata de măcinare: 8-10 h

Etapele principale de obținere a materialelor compozite conform invenției sunt prezentate în figura 1.

Pentru obținerea materialelor de contact la compoziții chimice cuprinse in intervalele l,6...18%Cu; 0...19,7%Ag, 0,8...1,0%Ni si restul %W, se utilizează următoarele materii prime:

- pulbere de wolfram, cu rol de matrice, de puritate 99,5%, dimensiuni granulometrice <32 μκη, densitate liber varsata in stare negranulata de 3.785 g/cm². aspect morfologic poligonal, figura 2, densitate 19,25 g/cm³, ^2012-00942-0 4 -12- 2012 punct de topire 3400°C, punct de fierbere 6000°C, microduritate Vickers

450HV, conductivitate termica 167 W/K-m, conductivitate electrica m/Q-mm²:

- Cu sub forma de tabla electrolitica de puritate 99,97% si grosime 0,8+· 1 mm pentru procesul de infiltrare si Cu sub forma de pulbere, cu rol de element de aliere, de puritate 99,7%, dimensiuni granulometrice <45 pm, densitate liber varsata in stare negranulata de 1,698 g/cm², aspect morfologic dendritic, figura 3, densitate 8,96 g/cm³, punct de topire 1083°C. punct de fierbere 2300°C, microduritate Vickers 100HV, conductivitate termica 394 W/K-m, conductivitate electrica 58 m/Q-mm :

- pulbere de Ni, cu rol de agent de sinterizare, de puritate 99,9% si dimensiuni granulometrice cuprinse in intervalul 3-7 μητ. densitate 8,908 g/cm³, punct de topire 1453°C, punct de fierbere 2730°C, microduritate Vickers 200HV, conductivitate termica 92 W/K-m, conductivitate electrica 14 m/Q-mm :

- table din Ag pentru procesul de infiltrare, de puritate 99,98% si grosime 0.8 + 1 mm, densitate 10,5 g/cm³, punct de topire 961 °C, punct de fierbere 2200°C, microduritate Vickers 80HV, conductivitate termica 419 W/K-m, conductivitate electrica 62 m/Q-mm²:

Aspectul microstructural al materialului compozit W-Cu-Ni-Ag, compactat la 200 MPa, sinterizat la 1100°C si infiltrat cu Ag, în secțiune transversală si în stare neatacată este prezentat in figura 4, iar aspectul microstructural al materialului compozit W-Cu-Ni, compactat la 200 MPa, sinterizat la 1150°C si infiltrat cu Cu, în secțiune transversală si în stare neatacată este prezentat in figura 5.

Materialele de contact realizate, conform invenției, au microstructuri omogene, cu matricea constituita din particule uniform distribuite de wolfram si nichel, rețele din argint, cupru sau din aliaj AgCu, uniform distribuite, care determina creșterea legăturii W-W si in consecința, creșterea densității (15,05...15,75 g/cm³), a rezistivitatii electrice (3.77...6,15 pQxcm) si a durității Vickers (212, 7....260.9 HV).

Exemplu 1. Pentru obținerea unui lot de contacte electrice de tip W-Cu-Ni-Ag cu compoziția chimica l,6%Cu; 17,9%Ag, 0,8%Ni si restul W, se pornește de la un amestec de pulberi W-Cu-Ni, care se dozeaza conform compoziției chimice din tabelul 1, se amesteca si se omogenizează mecanic intr-un amestecator cu bile din otel austenitic de diametru de 5 mm, la un raport de masa biletpulbere de 1:1, viteza de rotatie a tobei omogenizatorului de 40 rpm si durata de omogenizare de 8 h, după care amestecurile omogenizate se umecteaza cu 3% soluție de alcool polivinilic de concentrație 4% in apa distilata si se presează in calupi de diametru 80 mm si înălțime de 10-15 mm cu o presiune de 100 MPa, se concaseaza si se granulează prin sortarea pe site standardizate a fracțiilor granulometrice 125...425 pm, apoi pulberea granulata se presează la rece, la presiunea de compactare 200 MPa in scopul obținerii densității relative de 65 %. sub forma de semifabricate cilindrice de diametru 17 mm si înălțime 4...5 mm, se trateaza termic printr-un proces de sinterizareinfiltrare cu tabla din Ag, de grosime 0,8 mm, care se aseaza sub

Λ-2012-00942-0 4.-12-2012 semifabricatele compactate, intr-un cuptor cu banda continua, la o viteza a benzii de 7 cm/min, in atmosfera de azot si amoniac cracat, la o temperatura de 1100°C si durata de infiltrare la temperatura de sinterizare de 1 h.

Contactele obținute au gradul de compactizare de min. 96,8%, duritatea Vickers de min. 239 HV si rezistivitate electrica de max. 3,77 pQ.cm.

Exemplu 2. Pentru obținerea unui lot de contacte electrice de tip W-Cu-Ni cu compoziția chimica 18%Cu; l%Ni si restul W, se pornește de la un amestec de pulberi W-Cu-Ni, care se dozeaza conform compoziției chimice din tabelul 1, se amesteca si se omogenizează mecanic intr-un amestecator cu bile din otel austenitic de diametru de 5 mm, la un raport de masa bile:pulbere de 1:1, viteza de rotatie a tobei omogenizatorului de 40 rpm si durata de omogenizare de 8 h, după care amestecurile omogenizate se umecteaza cu 3% soluție de alcool polivinilic de concentrație 4% in apa distilata si se presează in calupi de diametru 80 mm si înălțime de 10-15 mm cu o presiune de 100 MPa, se concaseaza si se granulează prin sortarea pe site standardizate a fracțiilor granulometrice 125...425 pm, apoi pulberea granulata se presează la rece, la presiunea de compactare 200 MPa in scopul obținerii densității relative de 66 %, sub forma de semifabricate cilindrice de diametru 17 mm si înălțime

4...5 mm, se trateaza termic printr-un proces de sinterizare-infiltrare cu tabla din Cu, de grosime 1 mm, care se aseaza sub semifabricatele compactate, intr-un cuptor cu banda continua, la o viteza a benzii de 7 cm/min, in atmosfera de azot si amoniac cracat, la o temperatura de 1150°C si durata de infiltrare la temperatura de sinterizare de 1 h.

Contactele obținute au gradul de compactizare de min. 95,25%, duritatea Vickers de min. 261 HV si rezistivitate electrica de max. 6,15 pQ.cm.

fi’ 2 O 1 2 - C O c 4 2 - O 4 -12- 201?

Bibliografie

1. Slade, G.: Electric Contacts for Power Interruption: A Review. 20th ICEC. 2000. pag. 239 - 245.

2. Ludwar, W.F. Rieder, Proc. 13-th Int. Conf. on Electric Contacts. Lausanne, 1986, p. 156.

3. P. Frey, K.W. Jager, Proc. 11-th Int. Conf. on Electric Contact Phenomena, Berlin 1982, p. 317.

4. R. Grill, P. Klăusler. F. E.-H. Mueller, O. Schrott, H. Hauser -WC /Ag Contact Materials with Improved Homogeneity. RM 20, pag. 200-211.

5. ***Cap. 4. Contact Materials, Metallic Contact Materials, 2006. Taylor and Francis Group, LLC, p. 71-147.

6. H. Abbaszadeh, A. Masoudi, H. Safabinesh, M. Takestani, Investigation on the characteristics of micro- and nano-structured W-15 wt.%Cu composites prepared by powder metallurgy route, Internațional Joumal of Refractory Metals and Flard Materials, 30, 2012, pp. 145-151

7. A. Ghaderi Hamidi, H. Arabi, S. Rastegari. A feasibility study of W-Cu composites production by high pressure compression of tungsten powder. Internațional Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 29,201 l.pp. 123-127

8. D. Gu. Y. Shen, Effects of processing parameters on consolidation and microstructure of W-Cu components by DMLS, Journal of Alloys and Compounds, 473, 2009, pp. 107-115

9. X.H. Yang, P. Xiao, S.H. Liang, J.T. Zou and Z.K. Fan, Alloying effect of Ni and Cr on the wettability of copper on W substrate. Acta Metallurgica Sinica (English Letter), Voi.21, No.5, Oct. 2008, pp. 369379.

10. F. A. Khalid. M. R. Bhati - Microstructure and properties of liquid phase sintered tungsten alloys - PM2 Tec’98, Las Vegas, USA, June 1998.

11. *** DODUCO, Material for High Voltage Applications CopperTungsten (W/Cu)

12. ***Schunk Metall und Kundststoff. Contacts and Shunt Assemblies.

13. *** Degussa-Elektrotechnik, Produktions-und Lieferprogramm Product Range, EH 34-1-3-295 Voi, Printed in Germany.

Claims (1)

1. REVENDICARE

   Procedeu de obținere a contactelor electrice pe baza de wolfram prin formarea unui schelet poros din W-Cu-Ni, din amestecări de pulberi cu 2%Cu si l%Ni si restul %W si prin infiltrarea acestui schele; cu tabla din cupru sau argint, caracterizat prin aceea ca, in scopul obținerii u îor contacte electrice cu compoziții chimice cuprinse in intervalele 1,6.. 18%Cu; 0...19.7%Ag,

   0,8...1,0%Ni si restul %W, pornește de la amestecuri d: pulberi de wolfram de puritate 99.5% si dimensiuni de particule < 32 pm, pulberi de cupru de puritate 99,7% si dimensiuni de particule <45 pm si pulberi de nichel de puritate (99,9%) si dimensiuni de particule cuprinse in intervalul 3-7 pm, cu rol de agent de sinterizare, care se omogenizează intr-un amestecator cu bile din otel austenitic de diametru de 5 mm, la un raport de masa bi lerpulbere de 1:1, viteza de rotatie a tobei omogenizatorului de 40 rpm si durata de omogenizare de

   8...10 h, după care amestecurile omogenizate se umecteaza cu 2 - 3% soluție de alcool polivinilic de concentrație 4% in apa distilatei si se presează in calupi de diametru 80 mm si înălțime de 10-15 mm cu o presiune de 50-100 MPa, se concaseaza si se granulează prin sortarea pe site standardizate a fracțiilor granulometrice 125...425 pm, apoi pulberea granulata se presează la rece, la presiuni de compactare cuprinse in intervalul 200...300 MPa in scopul obținerii densității relative de 65...70 %, sub forma de semifabricate cilindrice de diametru 17...30 mm si înălțime 4...5 mm, se trateaza termic printr-un proces de sinterizare-infiltrare cu table din Cu sau Ag, care sunt așezate sub semifabricatele compactate, intr-un cuptor cu banda continua, la o viteza a benzii de 7 cm/min, in atmosfera de azot si amoniac cracat, la o temperatura de 1100°C si respectiv 1150°C, pentru materialele de contact infiltrate cu Ag si respectiv Cu si durata de infiltrare la fiecare temperatura de sinterizare de 0,5...1 h; materialele de contact realizate, au microstructuri omogene, cu matricea constituita din particule uniform distribuite de wolfram si nichel, rețele din argint, cupru sau din aliaj AgCu, uniform distribuite, care determina creșterea legăturii W-W si in consecința, creșterea densității (15,05...15,75 g/cm ), a rezistivitatii electrice (3.77...6,15 ρΩχοιη) si a durității Vickers (213...261 HV).