RU2131940C1

RU2131940C1 - Method of producing sintered material based on copper for electric contacts

Info

Publication number: RU2131940C1
Application number: RU97122272A
Authority: RU
Inventors: В.В. Иванов
Original assignee: Научно-исследовательский физико-технический институт при Красноярском государственном университете
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1997-12-31
Publication date: 1999-06-20

Abstract

FIELD: nonferrous metallurgy, more specifically, production of electrocontact materials by methods of powder metallurgy. SUBSTANCE: method consists in that at the stage of preparation of mixture for pressing of blanks, added to initial powder of copper is organic polymer in the form of solution which after pyrolysis and subsequent heat treatment is converted into uniformly distributed highly dispersed carbon residue in copper matrix (polymer quantity of 0.2-1.2 wt.% in terms of residue). Such introduction of carbon allows manufacture of electric contacts with low and stable contact resistance. EFFECT: higher efficiency. 1 tbl

Description

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к получению спеченных металлокерамических электроконтактных материалов методами порошковой металлургии. The invention relates to the field of non-ferrous metallurgy, in particular to the production of sintered cermet metal-contact materials by powder metallurgy methods.

При использовании меди в качестве материала для изготовления электроконтактов на первый план выходит проблема высокого переходного сопротивления и его нестабильности из-за образования оксидов меди на контактных поверхностях в результате взаимодействия с атмосферой. Предпринимаются попытки подавить окисление или по крайней мере снизить влияние этого фактора путем легирования матрицы различными примесями, а также введением восстановителя (чаще всего - графита). When using copper as a material for making electrical contacts, the problem of high transition resistance and its instability due to the formation of copper oxides on contact surfaces as a result of interaction with the atmosphere comes to the fore. Attempts are made to suppress oxidation or at least reduce the influence of this factor by doping the matrix with various impurities, as well as by introducing a reducing agent (most often graphite).

Известны спеченные электроконтактные материалы на основе меди для коммутирующих контактов КМК-Б10, КМК-Б11, содержащие добавки графита и полученные твердофазным спеканием прессовок из смеси порошков меди и графита [1], а также содержащие дополнительно к графиту металлические добавки кадмия, цинка, молибдена, никеля, ниобия, кобальта и некоторые оксиды [2 - 5]. Known sintered copper-based electrical contact materials for commutation contacts KMK-B10, KMK-B11, containing graphite additives and obtained by solid-phase sintering of compacts from a mixture of copper and graphite powders [1], as well as metallic additives of cadmium, zinc, molybdenum, which are additional to graphite, nickel, niobium, cobalt and some oxides [2 - 5].

Общим недостатком этих материалов является относительное высокое переходное сопротивление и низкая его стабильность на контактах, имеющих слои наработки. A common disadvantage of these materials is the relative high transition resistance and its low stability at contacts having operating layers.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ получения спеченного электроконтактного материала на основе меди [6], согласно которому, в качестве добавки к шихте используют органический полимер в количестве 2 - 4% от массы порошка меди, а перед прессованием проводят термообработку в защитной атмосфере при 600 - 700^oC в течение 80 - 90 мин.The closest set of essential features is a method for producing a sintered copper-based electrical contact material [6], according to which, as an additive to the charge, an organic polymer is used in an amount of 2 - 4% by weight of copper powder, and before pressing, heat treatment is carried out in a protective atmosphere at 600 - 700 ^o C for 80 - 90 minutes

Материал, изготавливаемый по данному способу, предназначен, в основном, для применения в качестве электрода-инструмента при электроэрозионной обработке. Он может служить также в родственном техническом применении: для разрывных электрических контактов. The material manufactured by this method is intended mainly for use as an electrode tool in EDM. It can also serve in related technical applications: for breaking electrical contacts.

Указанный способ позволяет получить тонкодисперсные включения углерода и структуру материала за счет термического разложения полимера. Недостаток способа - в осуществлении сухого смешения порошков меди и полимера, что вызывает неоднородность в его распределении по шихте. Это снижает качество и служебные свойства готовых изделий, в частности повышает переходное сопротивление и понижает его стабильность. Кроме того, смешение происходит в вибромельнице и требует продолжительного времени - 2-3 ч. The specified method allows to obtain finely dispersed carbon inclusions and material structure due to thermal decomposition of the polymer. The disadvantage of this method is the dry mixing of powders of copper and polymer, which causes heterogeneity in its distribution over the charge. This reduces the quality and service properties of the finished products, in particular, increases the transition resistance and reduces its stability. In addition, mixing takes place in a vibratory mill and requires a long time - 2-3 hours.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи реализации высокодисперсной и однородной структуры материала для электроконтактов, которая бы обеспечивала низкое и стабильное переходное сопротивление. The claimed invention is directed to solving the problem of realizing a highly dispersed and uniform material structure for electrical contacts, which would provide a low and stable transition resistance.

Предлагаемый способ получения спеченного электроконтактного материала, включающий последовательное проведение операций приготовления шихты путем смешивания меди и органического полимера, прессования, спекания, отличающийся тем, что органический полимер вводят в виде раствора, причем компоненты шихты для смешивания берутся в следующем соотношении, мас.%:
Раствор органического полимера в пересчете на углеродный остаток - 0,2 - 1,2
Медь - Остальное
Данный способ обеспечивает достижение желаемого технического результата - контакты на его основе обладают значительно более низким и стабильным переходным сопротивлением. От наиболее близкого аналога заявляемый способ отличается введением органического полимера в виде раствора в количестве 0,2 - 1,2% в пересчете на углеродный остаток.The proposed method for producing a sintered electrical contact material, which includes sequential operations of preparing the mixture by mixing copper and an organic polymer, pressing, sintering, characterized in that the organic polymer is introduced in the form of a solution, the components of the mixture for mixing are taken in the following ratio, wt.%:
The solution of the organic polymer in terms of carbon residue is 0.2 - 1.2
Copper - Else
This method ensures the achievement of the desired technical result - the contacts on its basis have a significantly lower and stable transition resistance. From the closest analogue of the claimed method differs by the introduction of an organic polymer in the form of a solution in an amount of 0.2 - 1.2% in terms of carbon residue.

Улучшение эксплуатационных характеристик контактов в этом случае происходит по следующим причинам. Как известно, реальная площадь контактирования соприкасающихся поверхностей составляет десятые и даже сотые процента от видимой площади и происходит в отдельных малых областях (контактных пятнах). Существо изобретения заключается в реализации высокодисперсной и однородной структуры композиционного электроконтакта, чтобы при этом в область определяющей доли контактных пятен попадали участки, содержащие углерод. В процессе работы контактов под током контактных пятна нагреваются, как известно, до нескольких сот градусов, углерод восстанавливает оксиды меди на этих участках до металлической меди и переходное сопротивление остается относительно низким и стабильным. Высокодисперсная и однородная структура композиционного электроконтакта реализуется вследствие термолиза полимерной пленки, образующейся после смешивания порошков с раствором полимера и обволакивающей каждую частицу шихты. Термолиз полимера происходит в процессе последующей термообработки и приводит к образованию ультрадисперсного углеродного остатка, равномерное распределенного в матрице контакта и способствующего, с одной стороны, существенному снижению межконтактного переходного сопротивления и повышению его стабильности, а с другой стороны - повышению способности контактов противостоять свариванию. Известно [7], что при одинаковом содержании углерода в материале уменьшение размеров углеродных частиц ведет к повышению одного из основных качеств электроконтактов - их стойкости против сваривания. При этом технология изготовления должна обеспечивать получение низкопористого материала с максимально высокой плотностью. Improving the operational characteristics of the contacts in this case occurs for the following reasons. As you know, the actual contact area of contacting surfaces is tenths or even hundredths of a percent of the visible area and occurs in separate small areas (contact spots). The essence of the invention lies in the implementation of a highly dispersed and uniform structure of the composite electrical contact, so that areas containing carbon fall into the region of the determining proportion of contact spots. In the process of operation of the contacts under the current, the contact spots are heated, as is known, to several hundred degrees, carbon reduces the copper oxides in these areas to metallic copper and the transition resistance remains relatively low and stable. The highly dispersed and homogeneous structure of the composite electrical contact is realized due to the thermolysis of the polymer film formed after mixing the powders with the polymer solution and enveloping each particle of the charge. Thermolysis of the polymer occurs during the subsequent heat treatment and leads to the formation of an ultrafine carbon residue uniformly distributed in the contact matrix and contributing, on the one hand, to a significant decrease in the contact resistance and increase its stability, and on the other hand, to increase the ability of the contacts to resist welding. It is known [7] that with the same carbon content in the material, a decrease in the size of carbon particles leads to an increase in one of the main qualities of electrical contacts - their resistance to welding. In this case, the manufacturing technology should ensure the production of low-porosity material with the highest possible density.

Необходимо отметить, что полимер, введенный в шихту в виде раствора, служит также, помимо основного назначения, эффективной связкой в процессе грануляции шихты, что обеспечивает хорошую ее текучесть и равномерное заполнение прессовочной матрицы при автоматическом прессовании. It should be noted that the polymer introduced into the mixture in the form of a solution also serves, in addition to its main purpose, as an effective bond in the process of granulation of the mixture, which ensures its good fluidity and uniform filling of the pressing matrix during automatic pressing.

Указанное количество компонента-добавки к меди выбрано с точки зрения свойства контактов: при меньшем содержании добавки ее влияние проявляется слабо, а при большем - наблюдается существенное ухудшение механических свойств материала, становящегося хрупким. The indicated amount of the copper additive component was selected from the point of view of contact properties: with a lower content of the additive, its effect is weak, and with a larger content, a significant deterioration in the mechanical properties of the material becoming brittle is observed.

Для осуществления способа получения спеченных высокоплотных контакт-деталей заданного состава компоненты шихты (порошковая медь и раствор полимера), взятые в необходимой пропорции, перемешивают в смесителе в течение 10 - 15 мин, после чего растворитель выпаривают до влажности 7 - 12% и затем шихту гранулируют путем протирки через сито. Далее прессуют заготовки контак-деталей в стальной прессформе при оптимальном давлении 1 - 2 Кбар. Меньшее давление не обеспечивает необходимой плотности образцов, в большее давление приводит к их вспучиванию в процессе дальнейшей термической обработки. To implement the method of obtaining sintered high-density contact parts of a given composition, the charge components (copper powder and polymer solution), taken in the required proportion, are mixed in the mixer for 10-15 minutes, after which the solvent is evaporated to a moisture content of 7-12% and then the mixture is granulated by wiping through a sieve. Next, the blanks of contact parts are pressed in a steel mold at an optimal pressure of 1 - 2 Kbar. A lower pressure does not provide the required density of the samples; a higher pressure leads to their swelling during further heat treatment.

Следующую далее термическую обработку проводят с целью термолиза полимера при 400 - 700^oC. Более низкая температура не обеспечивает достаточной завершенности процесса термолиза, а более высокая нецелесообразна из-за снижения эффективности дальнейшего спекания. В результате удаления продуктов термолиза в материале существенно возрастает объемная доля пор, так что для повышения эффективности спекания требуется подпрессовка образцов, которая проводится также в стальных прессформах при удельных давлениях 5 - 7 Кбар. Давления вне этого интервала не дают необходимой на этой технологической стадии плотности и пористости.The following heat treatment is carried out with the aim of thermolysis of the polymer at 400 - 700 ^o C. A lower temperature does not provide sufficient completion of the thermolysis process, and a higher temperature is impractical due to a decrease in the efficiency of further sintering. As a result of removal of thermolysis products in the material, the volume fraction of pores increases significantly, so that to increase the sintering efficiency, pressing samples is required, which is also carried out in steel molds at specific pressures of 5 - 7 Kbar. Pressure outside this interval does not give the density and porosity necessary at this technological stage.

Спекание подпрессованных заготовок проводят в течение 1 - 2 ч в интервале 750 - 1050^oC. При температурах менее 750^oC спекание неэффективно, а выше 1050^oC нецелесообразно из-за возможности оплавления образцов.Sintering of pre-pressed blanks is carried out for 1 - 2 hours in the range of 750 - 1050 ^o C. At temperatures less than 750 ^o C, sintering is ineffective, and above 1050 ^o C is impractical due to the possibility of fusion of samples.

Допрессовка имеет основной целью достижение максимальной плотности материала за счет снижения остаточной пористости и производится в тех же стальных прессформах при давлениях 10 - 14 Кбар. При меньших давлениях пористость все еще достаточно велика, а при давлениях, больших 14 Кбар, не происходит дальнейшего возрастания плотности. Далее следует заключительный отжиг допрессованных заготовок при 400 - 600^oC в течение 0,5 - 1,0 ч.Prepressing has the main goal of achieving maximum material density by reducing residual porosity and is carried out in the same steel molds at pressures of 10-14 Kbar. At lower pressures, the porosity is still quite large, and at pressures greater than 14 Kbar, there is no further increase in density. This is followed by the final annealing of the pre-pressed workpieces at 400 - 600 ^o C for 0.5 - 1.0 hours

После завершения всех технологических операций плотность материала контактов достигает 8,1 - 8,5 г/см³, твердость HB=50 - 55, удельное сопротивление 2,2 - 2,8 мк Ом•см.After completion of all technological operations, the density of the contact material reaches 8.1 - 8.5 g / cm ³ , hardness HB = 50 - 55, specific resistance 2.2 - 2.8 μm • cm.

Были изготовлены серии образцов по предлагаемому способу, а также прототипу (обозначены в таблице как X) и протестированы на специальном стенде по относительной коммутационной стойкости на переменном токе и переходному падению напряжения. Результаты испытаний в виде среднего коммутационного износа (г/цикл•10⁶) на симметричную пару контактов и переходному падению напряжения Δ U на работающих (т.е. в присутствии слоев наработки) контактах приведены в таблице.A series of samples were made according to the proposed method, as well as a prototype (indicated in the table as X) and tested on a special bench for relative switching resistance on alternating current and transient voltage drop. The test results in the form of the average switching wear (g / cycle • 10 ⁶ ) for a symmetrical pair of contacts and a transient voltage drop Δ U on working (that is, in the presence of operating layers) contacts are given in the table.

Условия испытаний: I= 30 A, U= 380 B, cos φ = 0,8, количество циклов вкл/откл. - 10000. Падение напряжения - среднее из 30 измерений (по три измерения после каждой тысячи рабочих циклов). Test conditions: I = 30 A, U = 380 V, cos φ = 0.8, number of cycles on / off. - 10000. The voltage drop is the average of 30 measurements (three measurements after each thousand operating cycles).

Как показали испытания, добавление в шихту органического полимера в виде раствора влечет за собой существенное понижение переходного сопротивления и повышение его стабильности между работавшими контактами (так например, для образца N 4 все значения из 30 измерений Δ U находились в пределах 42 - 98 мВ, в то время как на образце-прототипе они изменялись в интервале 130 - 420 мВ). Добавление углерода независимо от его дисперсности, одновременно снижает и коммутационную износостойкость. Этот факт хорошо известен из литературы. As tests showed, the addition of an organic polymer in the form of a solution in the mixture entails a significant decrease in the transition resistance and an increase in its stability between the working contacts (for example, for sample No. 4, all values from 30 measurements of Δ U were in the range 42 - 98 mV, in while on the prototype sample they varied in the range of 130 - 420 mV). The addition of carbon, regardless of its dispersion, at the same time reduces switching wear resistance. This fact is well known from the literature.

Таким образом, электроконтакты, изготовленные предлагаемым способом, показали значительно более низкое и стабильное переходное падение напряжения (т. е. переходное сопротивление) и меньший коммутационный износ. Они могут успешно использоваться в электроаппаратах, для которых коммутационная стойкость не является определяющей. Thus, the electrical contacts made by the proposed method showed a significantly lower and more stable transient voltage drop (i.e., transient resistance) and less switching wear. They can be successfully used in electric devices for which switching resistance is not decisive.

Источники информации:
1. Справочник по электротехническим материалам. Т. 3 /Под ред. Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева. - Л.: Энергоатомиздат, 1988, 726 с.Sources of information:
1. Handbook of electrical materials. T. 3 / Ed. Yu.V. Koritsky, V.V. Pasynkov, B.M. Tareev. - L .: Energoatomizdat, 1988, 726 p.

2. Авторское свидетельство СССР N 139379, H 01 H 1/02, 1960. 2. Copyright certificate of the USSR N 139379, H 01 H 1/02, 1960.

3. Патент СССР N 1792445, C 22 C 9/00, H 01 H 1/02, 1991. 3. USSR patent N 1792445, C 22 C 9/00, H 01 H 1/02, 1991.

4. Патент РФ N 2009562, H 01 H 1/02, 1992. 4. RF patent N 2009562, H 01 H 1/02, 1992.

5. Патент РФ N 2038400, C 22 C 9/00, 1992. 5. RF patent N 2038400, C 22 C 9/00, 1992.

6. Авторское свидетельство СССР N 1222698, C 22 C 1/05, 1984. 6. Copyright certificate of the USSR N 1222698, C 22 C 1/05, 1984.

7. Wingert P., Allen S., Bevington R. Effects of Graphite particle size abd processing on the performance of silver-graphite contacts. IEEE Trans., CHMT - 15, 1992, # 2, pp. 154 - 159. 7. Wingert P., Allen S., Bevington R. Effects of Graphite particle size abd processing on the performance of silver-graphite contacts. IEEE Trans., CHMT - 15, 1992, # 2, pp. 154 - 159.

Claims

A method of manufacturing a sintered material based on copper for electrical contacts, including sequentially carrying out the operations of preparing the charge by mixing copper and an organic polymer, pressing, sintering, characterized in that the organic polymer is introduced into the charge in the form of a solution, the components of the charge for mixing are taken in the following ratio, wt.%:
The solution of the organic polymer in terms of carbon residue is 0.2 - 1.2
Copper - Else