RU2087575C1 - Sintered composite material - Google Patents

Sintered composite material Download PDF

Info

Publication number
RU2087575C1
RU2087575C1 RU94000917A RU94000917A RU2087575C1 RU 2087575 C1 RU2087575 C1 RU 2087575C1 RU 94000917 A RU94000917 A RU 94000917A RU 94000917 A RU94000917 A RU 94000917A RU 2087575 C1 RU2087575 C1 RU 2087575C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
graphite
composite material
nanofibers
sintered
electrical
Prior art date
Application number
RU94000917A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU94000917A (en
Inventor
Р.А. Оганян
О.В. Жариков
Я.Н. Оганян
Ю.А. Осипьян
Original Assignee
Институт физики твердого тела РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт физики твердого тела РАН filed Critical Институт физики твердого тела РАН
Priority to RU94000917A priority Critical patent/RU2087575C1/en
Publication of RU94000917A publication Critical patent/RU94000917A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2087575C1 publication Critical patent/RU2087575C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Contacts (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

FIELD: powder metallurgy, particular, sintered composite material applicable in manufacture, for instance, of contacts of electrical apparatuses or antifriction products. SUBSTANCE: the offered sintered material containing metallic matrix of one or several noncarbide- forming metals and graphite, additionally contains nanofibers and/or fullerens with the following quantities of components, mas.%: graphite 1-20; nanofibers and/or fullerens 0.1-20; the balance, metallic matrix. EFFECT: higher mechanical properties as compared with known industrial composite material, that prolongs service life, for instance, of electrical contracts; higher efficiency. 2 tbl

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным композиционным материалам, используемым, например, для изготовления контактов электрических аппаратов или антифрикционных изделий. The invention relates to powder metallurgy, in particular to sintered composite materials used, for example, for the manufacture of contacts of electrical apparatus or anti-friction products.

Известны композиционные материалы, используемые для изготовления контактов электрических аппаратов, содержащие в качестве основы серебро и его сплавы с добавками графита (ТУ 16-685.020-85), медь и ее сплавы с добавками графита (ТУ 16-538.272-75). Composite materials are known that are used to make contacts of electrical apparatuses, containing silver and its alloys with graphite additives (TU 16-685.020-85), copper and its alloys with graphite additives (TU 16-538.272-75) as a basis.

Известные композиционные материалы отличаются низким сопротивлением привариванию, низкой дугостойкостью, невысокой износостойкостью, механической прочностью и твердостью, что снижает срок их использования. Known composite materials are characterized by low welding resistance, low arc resistance, low wear resistance, mechanical strength and hardness, which reduces their useful life.

Наиболее близким аналогом из них является промышленный композиционный материал, содержащий медно-никелевую матрицу и графит. (Справочник п/р Г.Г. Гнесина "Спеченные материалы для электротехники и электроники" М. Металлургия, 1981, стр. 195). The closest analogue of them is an industrial composite material containing a copper-nickel matrix and graphite. (The reference book p / r GG Gnesina "Sintered materials for electrical engineering and electronics" M. Metallurgy, 1981, p. 195).

Сущность настоящего изобретения состоит в том, что предложенный спеченный композиционный материал, содержащий металлическую матрицу из одного или нескольких некарбидообразующих металлов и графит, дополнительно содержит нановолокна и/или фуллерены при следующем соотношении компонентов, мас. The essence of the present invention lies in the fact that the proposed sintered composite material containing a metal matrix of one or more non-carbide-forming metals and graphite additionally contains nanofibers and / or fullerenes in the following ratio of components, wt.

графит 1 20;
нановолокна и/или фуллерены 0,1 20;
металлическая матрица остальное
Введенные нановолокна и/или фуллерены новые пространственные соединения углерода в виде сферообразных или трубообразных форм размерами порядка нанометра в диаметре и длиной (для нановолокон) в доли микрометров. Эти новые твердотельные фазы углерода получают испарением графита в электрической дуге в атмосфере инертного газа, а также лазерным или электронно-лучевым испарением в вакууме или каким-либо иным способом (W.Kratschmer et al, Nature, 347, 354, 1990; S.Jijima, Nature, 354, 56, 1991).
graphite 1 20;
nanofibers and / or fullerenes 0.1 to 20;
metal matrix rest
The introduced nanofibers and / or fullerenes are new spatial carbon compounds in the form of spherical or tube-shaped shapes with dimensions of the order of a nanometer in diameter and a length (for nanofibers) of a fraction of micrometers. These new solid state phases of carbon are obtained by vaporization of graphite in an electric arc in an inert gas atmosphere, as well as by laser or electron beam evaporation in vacuum or by some other method (W. Kratschmer et al, Nature, 347, 354, 1990; S. Jijima , Nature, 354, 56, 1991).

Использование графита в композиционных материалах определяется его способностью как твердой смазки уменьшать коэффициент трения и износ в трущихся парах (поверхностях) за счет образования тонкой графитовой пленки между ними в процессе эксплуатации материалов. С другой стороны, графит, не сильно ухудшая электрические свойства электроконтактных материалов, увеличивает их сопротивление привариванию и повышает их дугостойкость, то есть уменьшает износ, вызываемый термическим и электродинамическим действием дуги, возникающей в процессах электрической коммутации. The use of graphite in composite materials is determined by its ability as a solid lubricant to reduce the coefficient of friction and wear in friction pairs (surfaces) due to the formation of a thin graphite film between them during the operation of the materials. On the other hand, graphite, while not greatly degrading the electrical properties of electrical contact materials, increases their resistance to welding and increases their arc resistance, that is, reduces wear caused by the thermal and electrodynamic effects of the arc that occurs in electrical switching processes.

Верхняя граница содержания графита (20 мас.) определяется тем, что большее его количество не влияет на снижение коэффициента трения, достигая уровня коэффициента трения чистого графита, независимо от состава матрицы. Нижняя граница содержания графита (1 мас.) определяется тем минимально необходимым его количеством, которое требуется для образования тонкой графитовой пленки между трущимися парами, и, соответственно, достаточно эффективно снижающим коэффициент трения и уменьшающим схватываемость или привариваемость двух изделий. The upper limit of the graphite content (20 wt.) Is determined by the fact that a larger amount does not affect the decrease in the coefficient of friction, reaching the level of the coefficient of friction of pure graphite, regardless of the composition of the matrix. The lower boundary of the graphite content (1 wt.) Is determined by the minimum amount necessary for the formation of a thin graphite film between the rubbing couples, and, accordingly, quite effectively reducing the friction coefficient and reducing the adhesion or weldability of the two products.

Фуллерены и нановолокна в составе композиционного материала выполняют несколько функций. В связи с их малыми размерами (порядка нанометров), присутствуя в виде отдельных частичек (сферических или трубообразных кластеров) в глубинных слоях материала, они выполняют роль дисперсных упрочнителей, являясь эффективными стопорами для движения дислокаций, и тем самым повышают прочность материала. Fullerenes and nanofibers in the composition of the composite material perform several functions. Due to their small size (of the order of nanometers), being present as separate particles (spherical or tube-shaped clusters) in the deep layers of the material, they act as dispersed hardeners, being effective stoppers for the movement of dislocations, and thereby increase the strength of the material.

С другой стороны, известно, что углеродные нановолоконные пленки толщиной 0,5 мкм имеют микротвердость 40000 МПа, значительно превосходя по микротвердости твердый сплав Т15К6, у которого HM 25000 МПа (З.Я.Косаковская, Л. А.Чернозатонский, Е.А.Федоров Письма в ЖЭТФ, 1992, том 56, вып. 1, стр. 26). В связи с высокой природной твердостью нановолокон и фуллеренов они повышают общую твердость композиционного материала и тем самым, в определенной мере, его износостойкость.On the other hand, it is known that carbon nanofiber films with a thickness of 0.5 μm have a microhardness of 40,000 MPa, significantly superior in microhardness to the T15K6 hard alloy, which has H M 25,000 MPa (Z.Ya. Kosakovskaya, L.A. Chernozatonsky, E.A. . Fedorov Letters in JETP, 1992, Volume 56, Issue 1, p. 26). Due to the high natural hardness of nanofibers and fullerenes, they increase the overall hardness of the composite material and thereby, to a certain extent, its wear resistance.

Учитывая пространственное строение новых твердотельных фаз углерода, сферообразное у фуллеренов и трубообразное у нановолокон, ван-дер-Ваальсов характер взаимодействия между ними и их малые размеры и высокую твердость, присутствие этих кластеров в приповерхностных и поверхностных слоях на границе раздела двух трудящихся пар приводит к изменению характера трения и, как следствие, снижению коэффициента трения и уменьшению износа материала. Given the spatial structure of the new solid-state phases of carbon, spherical in fullerenes and tube-like in nanofibers, van der Waals, the nature of the interaction between them and their small size and high hardness, the presence of these clusters in the surface and surface layers at the interface of two working pairs leads to a change nature of friction and, as a consequence, a decrease in the coefficient of friction and a decrease in wear of the material.

Высокие электропроводящие свойства фуллеренов и нановолокон способствуют повышению плотности тока электрических контактов при вводе кластеров в состав композиционных материалов. High conductive properties of fullerenes and nanofibers contribute to an increase in the current density of electrical contacts when introducing clusters into the composition of composite materials.

Верхняя граница содержания нановолокон и/или фуллеренов (20 мас.), так же как и в случае с графитом, определяется тем, что большее их количество не влияет на дальнейшее снижение коэффициента трения и износа независимо от состава матрицы. Нижняя граница содержания нановолокон и/или фуллеренов (0,1 мас. ), определяется тем минимальным количеством, по аналогии с графитом, начиная с которого происходит уменьшение трения и износа материала. The upper limit of the content of nanofibers and / or fullerenes (20 wt.), As in the case of graphite, is determined by the fact that a larger number of them does not affect a further decrease in the coefficient of friction and wear regardless of the composition of the matrix. The lower limit of the content of nanofibers and / or fullerenes (0.1 wt.), Is determined by the minimum amount, by analogy with graphite, starting from which there is a decrease in friction and wear of the material.

Пример 1. Example 1

Для получения композиционного материала в качестве исходной шихты используются порошки меди и графита с размером частиц не более 200 мкм, к ним добавляется порошковая смесь нановолокон и/или фуллеренов и графита, получаемая в известном процессе синтеза фуллеренов путем сжигания графита в электрической дуге в атмосфере гелия. Размер частиц добавляемой смеси также не превышает 200 мкм. To obtain a composite material, powders of copper and graphite with a particle size of not more than 200 μm are used as the initial charge, a powder mixture of nanofibers and / or fullerenes and graphite obtained in the known process of synthesis of fullerenes by burning graphite in an electric arc in a helium atmosphere is added to them. The particle size of the added mixture also does not exceed 200 microns.

Порошки смешивают между собой в заданном соотношении в сухом виде, затем прессуют в виде шайб диаметром 20 мм. Давление прессования от 1 до 5 т/см2. Прессовки затем спекают в вакууме 10-3 Па или в защитной атмосфере при температурах 700 1000oC в течение 2 10 часов. На спеченных материалах определяют плотность, удельное электросопротивление и микротвердость. Далее спеченные заготовки прокатывают с различными степенями деформации и при различных температурах. На прокатанных заготовках измеряют плотность, удельное электросопротивление и микротвердость.The powders are mixed together in a predetermined ratio in dry form, then pressed in the form of washers with a diameter of 20 mm Pressing pressure from 1 to 5 t / cm 2 . The compacts are then sintered in a vacuum of 10 -3 Pa or in a protective atmosphere at temperatures of 700 to 1000 o C for 2 to 10 hours. Sintered materials determine the density, electrical resistivity and microhardness. Next, the sintered billets are rolled with various degrees of deformation and at various temperatures. On rolled billets, density, electrical resistivity and microhardness are measured.

Вышеназванные свойства предложенного материала и известного композиционного материала КМК Б!) (ТУ 16 538.272 75, см. "Спеченные материалы для электротехники и электроники". Справочник по ред. Г.Г.Гнесина. -М. Металлургия, 1981, стр. 195) приведены в таблице 1. The above properties of the proposed material and the well-known composite material KMK B!) (TU 16 538.272 75, see "Sintered materials for electrical engineering and electronics". Handbook edited by GG Gnesin. -M. Metallurgy, 1981, p. 195) are given in table 1.

Как видно из таблицы 1, применение заявляемого композиционного материала позволяет повысить после спекания микротвердость примерно в 1,5 раза по сравнению с известным промышленным композиционным материалом при том же и даже несколько меньшем уровне удельного электросопротивления и примерно той же плотности материала. Использование прокатки в процессах технологического передела позволяет повысить микротвердость предлагаемого материала в 1,3 раза по сравнению с известным материалом, что должно привести к увеличению износостойкости материала и продлению срока его службы. Отметим, что предлагаемый материал обладает более высокой технологической пластичностью. As can be seen from table 1, the use of the inventive composite material can increase after sintering the microhardness by about 1.5 times compared with the known industrial composite material with the same and even slightly lower level of electrical resistivity and about the same material density. The use of rolling in the processes of technological redistribution allows to increase the microhardness of the proposed material by 1.3 times in comparison with the known material, which should lead to an increase in the wear resistance of the material and the extension of its service life. Note that the proposed material has a higher technological ductility.

Кроме того, предлагаемый материал обладает меньшим удельным электросопротивлением, что дает возможность использовать его при больших плотностях тока. In addition, the proposed material has a lower electrical resistivity, which makes it possible to use it at high current densities.

Пример 2. Example 2

Для получения композиционного материала в качестве исходной шихты используются порошки меди (90 мас.), олова (5 мас.) и графита (5 мас.) с размером частиц не более 200 мкм. Этот состав принимается за прототип. Исходная шихта предлагаемого материала состоит из следующих компонентов: порошки меди (90 мас.), олова (5 мас.) и смесь нановолокон и/или фуллеренов (1 мас.) и графита (4 мас.) с размером частиц не более 200 мкм. To obtain a composite material, powders of copper (90 wt.), Tin (5 wt.) And graphite (5 wt.) With a particle size of not more than 200 microns are used as the initial charge. This composition is taken as a prototype. The initial charge of the proposed material consists of the following components: copper powders (90 wt.), Tin (5 wt.) And a mixture of nanofibers and / or fullerenes (1 wt.) And graphite (4 wt.) With a particle size of not more than 200 microns.

Все дальнейшие технологические операции с выбранным прототипом и предлагаемым материалом ведутся параллельно и в одинаковых условиях. All further technological operations with the selected prototype and the proposed material are carried out in parallel and under the same conditions.

Порошки смешивают между собой в заданном соотношении в сухом виде, а затем прессуют в виде шайб диаметром 20 мм. Давление прессования от 1 до 5 т/см2. Прессовки затем спекают в вакууме 10-3 Па или в защитной атмосфере при температурах 700 1000oC в течение 2 10 часов. На спеченных материалах определяют плотность и микротвердость. Далее полученные заготовки прокатывают с различными степенями деформации и при различных температурах. На прокатанных образцах измеряют плотность, удельное электросопротивление и микротвердость.The powders are mixed together in a predetermined ratio in dry form, and then pressed in the form of washers with a diameter of 20 mm Pressing pressure from 1 to 5 t / cm 2 . The compacts are then sintered in a vacuum of 10 -3 Pa or in a protective atmosphere at temperatures of 700 to 1000 o C for 2 to 10 hours. On sintered materials determine the density and microhardness. Further, the obtained billets are rolled with various degrees of deformation and at various temperatures. Density, electrical resistivity and microhardness are measured on rolled samples.

Вышеназванные свойства выбранного прототипа и предлагаемого материала приведены в таблице 2. The above properties of the selected prototype and the proposed material are shown in table 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый материал обладает примерно в 1,5 раза большей микротвердостью, чем выбранный прототип, при несколько меньшей плотности и большей электропроводности. As can be seen from table 2, the proposed material has about 1.5 times greater microhardness than the selected prototype, with a slightly lower density and greater electrical conductivity.

Предлагаемый спеченный композиционный материал обладает более высокими механическими свойствами, чем известный промышленный композиционный материал, что должно привести к увеличению срока службы, например, электрических контактов. The proposed sintered composite material has higher mechanical properties than the known industrial composite material, which should lead to an increase in the service life of, for example, electrical contacts.

Claims (1)

Спеченный композиционный материал, содержащий металлическую матрицу из одного или нескольких некарбидообразующих металлов и графит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нановолокна и/или фуллерены при следующем соотношении компонентов, мас. Sintered composite material containing a metal matrix of one or more non-carbide-forming metals and graphite, characterized in that it additionally contains nanofibers and / or fullerenes in the following ratio of components, wt. Графит 1 20
Нановолокна и/или фуллерены 0,1 20
Металлическая матрица Остальноеп
Graphite 1 20
Nanofibers and / or fullerenes 0.1 20
Metal Matrix
RU94000917A 1994-01-11 1994-01-11 Sintered composite material RU2087575C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94000917A RU2087575C1 (en) 1994-01-11 1994-01-11 Sintered composite material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94000917A RU2087575C1 (en) 1994-01-11 1994-01-11 Sintered composite material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU94000917A RU94000917A (en) 1996-01-27
RU2087575C1 true RU2087575C1 (en) 1997-08-20

Family

ID=20151362

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU94000917A RU2087575C1 (en) 1994-01-11 1994-01-11 Sintered composite material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2087575C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005015688A1 (en) * 2003-08-06 2005-02-17 Evgeny Nikolaevich Ananev Anti-radar material
RU2471012C1 (en) * 2011-12-20 2012-12-27 Виктор Николаевич Мироненко Composite powder material
RU2696113C1 (en) * 2018-12-08 2019-07-31 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Method of producing nanocomposite material based on copper, hardened by carbon nanofibres
RU2811355C1 (en) * 2023-06-26 2024-01-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Method for producing composite material based on copper powder

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Спеченные материалы для электротехники и электроники. /Справочник под ред. Г.Г.Гнесина. - М.: Металлургия, 1981, с. 195. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005015688A1 (en) * 2003-08-06 2005-02-17 Evgeny Nikolaevich Ananev Anti-radar material
RU2471012C1 (en) * 2011-12-20 2012-12-27 Виктор Николаевич Мироненко Composite powder material
RU2696113C1 (en) * 2018-12-08 2019-07-31 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Method of producing nanocomposite material based on copper, hardened by carbon nanofibres
RU2811355C1 (en) * 2023-06-26 2024-01-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Method for producing composite material based on copper powder

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU598815B2 (en) Circuit breaker contact containing silver and graphite fibers
US2486341A (en) Electrical contact element containing tin oxide
US4475983A (en) Base metal composite electrical contact material
JP2705998B2 (en) Manufacturing method of electrical contact material
US6679933B1 (en) Low resistivity materials with improved wear performance for electrical current transfer and methods for preparing same
US2470034A (en) Electric contact formed of a ruthenium composition
US3385677A (en) Sintered composition material
US2983996A (en) Copper-tungsten-molybdenum contact materials
JP3763006B2 (en) Copper tungsten alloy and method for producing the same
US5445895A (en) Material for electric contacts of silver with carbon
CN111515402A (en) Preparation method of high-performance contact material
RU2087575C1 (en) Sintered composite material
JP2002313196A (en) Electric contact member and manufacturing method for the same
EP0020760A4 (en) Method of preparing an electrical contact.
EP0290311B1 (en) Sintered composite material for electrical contacts, and contact discs using said material
Qiu et al. Arc erosion behavior and mechanism of AgZrO2 electrical contact materials
US4450135A (en) Method of making electrical contacts
KR950008375B1 (en) Process for forming contact material
US2664618A (en) Electrical contact
US3669634A (en) Metal composites
US4874430A (en) Composite silver base electrical contact material
US3893820A (en) Cu-{8 Ag{9 -CdO electric contact materials
US2189755A (en) Metal composition
JP2653461B2 (en) Manufacturing method of contact material for vacuum valve
RU2368971C1 (en) Material for high-current sliding electrocontact