RU2523156C1 - Charge for production of material for high-current contacts and method of its production - Google Patents
Charge for production of material for high-current contacts and method of its production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2523156C1 RU2523156C1 RU2013114046/02A RU2013114046A RU2523156C1 RU 2523156 C1 RU2523156 C1 RU 2523156C1 RU 2013114046/02 A RU2013114046/02 A RU 2013114046/02A RU 2013114046 A RU2013114046 A RU 2013114046A RU 2523156 C1 RU2523156 C1 RU 2523156C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copper
- graphite
- mixture
- titanium hydride
- charge
- Prior art date
Links
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
- Contacts (AREA)
Abstract
Description
Область техники.The field of technology.
Изобретение относится к производству электроконтактных графито-медных материалов для сильноточных электрических контактов методами порошковой металлургии, в частности к шихте и способу получения из нее материала для этих контактов.The invention relates to the production of electrical contact graphite-copper materials for high current electrical contacts by powder metallurgy methods, in particular to a charge and a method for producing material for these contacts from it.
Предшествующий уровень техники.The prior art.
В сильноточных (в смысле высокая плотность тока) скользящих электрических контактах, таких как коллекторно-щеточный узел, токосъемный узел электрифицированного транспорта, подъемно-транспортных устройств широко применяются углеродно-медные и медно-углеродные материалы.Carbon-copper and copper-carbon materials are widely used in high-current (in the sense of high current density) sliding electrical contacts, such as a collector-brush assembly, a collector assembly of electrified vehicles, and hoisting-and-transport devices.
Основным недостатком этих материалов является отсутствие физико-химического взаимодействия между медью и углеродом. Медь не образует карбидов. Краевой угол смачивания жидкой медью графита составляет 140° при температуре 1100°С, т.е. медь не смачивает и не проникает в углерод.The main disadvantage of these materials is the lack of physico-chemical interaction between copper and carbon. Copper does not form carbides. The wetting angle of graphite with liquid copper is 140 ° at a temperature of 1100 ° C, i.e. copper does not wet or penetrate carbon.
Известно, что легирование меди металлами IV-VI группы таблицы Менделеева уменьшает краевой угол смачивания углерода медью до 40-0°.It is known that alloying copper with metals of the IV-VI group of the periodic table reduces the contact angle of carbon wetting with copper to 40-0 °.
Так, добавка 1% мас. Cr снижает краевой угол смачивания до 40°, а добавка в медь 10% Cr снижает краевой угол смачивания до 20° при температуре 1200°С. Добавка 5% Ti в медь снижает краевой угол смачивания графита при 1200°С практически до 0°, так что медь самопроизвольно растекается по графиту.So, the addition of 1% wt. Cr reduces the contact angle to 40 °, and the addition of 10% Cr to copper reduces the contact angle to 20 ° at a temperature of 1200 ° C. The addition of 5% Ti to copper reduces the contact angle of graphite at 1200 ° С to almost 0 °, so that copper spontaneously spreads over graphite.
Такой подход для получения медно-графитовых материалов для электрических контактов использован в патенте RU 2088682С1.This approach to obtaining copper-graphite materials for electrical contacts is used in patent RU 2088682C1.
В соответствии с одним из аспектов изобретения по патенту RU 2088682 шихта для получения материала может содержать следующие компоненты, мас.%:In accordance with one aspect of the invention according to patent RU 2088682, a mixture for producing a material may contain the following components, wt.%:
Способ получения материала из данной шихты включает смешение частиц графита, плакированных карбидом, по крайней мере, одного металла IV-VI групп периодической системы с порошками меди или ее сплавов и порошками титана, циркония, гафния и хрома, формование из готовой смеси материала путем одноосного прессования с нагрузкой 5-25 МПа и спекание материала в вакууме при температуре от 1100 до 1600°С или в атмосфере защитного газа (азота или аргона) при температуре 1350-1660°С.A method of obtaining material from this charge involves mixing graphite particles clad with carbide of at least one metal of groups IV-VI of the periodic system with powders of copper or its alloys and powders of titanium, zirconium, hafnium and chromium, molding from a finished mixture of material by uniaxial pressing with a load of 5-25 MPa and sintering of the material in vacuum at a temperature of 1100 to 1600 ° C or in an atmosphere of protective gas (nitrogen or argon) at a temperature of 1350-1660 ° C.
Однако приготовить сплав системы Cu-Ti-C довольно сложно из-за высокого сродства к кислороду у титана. Это приводит к уходу практически всего титана в шлак при плавке в атмосфере воздуха. Проблемы окисления титана существуют и при плавках в вакуумных печах. Обычно сначала в вакуумных печах приготавливают лигатуру, которой затем легируют расплавленную медь в вакуумных печах. Пропитку углерода расплавом Cu-Ti также следует проводить в отсутствие кислорода.However, it is rather difficult to prepare an alloy of the Cu-Ti-C system because of the high oxygen affinity for titanium. This leads to the departure of almost all titanium to slag during melting in an atmosphere of air. Titanium oxidation problems also exist in melting in vacuum furnaces. Typically, a ligature is first prepared in a vacuum furnace, which is then alloyed with molten copper in a vacuum furnace. The impregnation of carbon with a Cu-Ti melt should also be carried out in the absence of oxygen.
При производстве медно-графитового или графито-медного материала методами порошковой металлургии остаются те же проблемы. Спекание порошка сплава Cu-Ti с графитом также следует проводить в защитной атмосфере или в вакууме в отсутствие кислорода. Спекание меди обычно проводят при температурах 800-900°С, когда медь не расплавляется. В твердом состоянии титан может не успеть продиффундировать в достаточном количестве к границам с углеродом для образования карбидов.In the production of copper-graphite or graphite-copper material by powder metallurgy methods, the same problems remain. Sintering of a powder of a Cu-Ti alloy with graphite should also be carried out in a protective atmosphere or in vacuum in the absence of oxygen. Sintering of copper is usually carried out at temperatures of 800-900 ° C, when copper does not melt. In the solid state, titanium may not have time to diffuse in a sufficient amount to the boundaries with carbon to form carbides.
Если изготовить смесь порошков меди, титана и углерода, то спекать такую смесь также необходимо в отсутствие кислорода.If you make a mixture of powders of copper, titanium and carbon, then sintering such a mixture is also necessary in the absence of oxygen.
Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.
Задачей изобретения является разработка простого способа изготовления графито-медного материала, в котором медь надежно смачивает графит и не собирается в глобули и не выпотевает из графита при плавлении.The objective of the invention is to develop a simple method for the manufacture of graphite-copper material, in which copper reliably moistens graphite and is not collected in globules and does not sweat from graphite during melting.
Поставленная задача решается шихтой для изготовления материала для сильноточных электрических контактов, которая содержит частицы меди, графита и гидрида титана при следующем соотношении компонентов, масс.%:The problem is solved by the mixture for the manufacture of material for high-current electrical contacts, which contains particles of copper, graphite and titanium hydride in the following ratio of components, wt.%:
В частных воплощениях шихты размер частиц графита составляет 40-80 мкм, а размер частиц меди и гидрида не превышает 100 мкм.In private embodiments of the charge, the particle size of graphite is 40-80 microns, and the particle size of copper and hydride does not exceed 100 microns.
Поставленная задача также решается способом изготовления материала для сильноточных электрических контактов, в соответствии с которым осуществляют смешение частиц графита, гидрида титана и меди в заданном соотношении для получения вышеописанной шихты, получение из шихты заготовки материала путем спекания заготовки пропусканием импульсов электрического тока с плотностью 200-500 А/мм2 с одновременным одноосным обжатием материала.The problem is also solved by a method of manufacturing a material for high-current electrical contacts, in accordance with which particles of graphite, titanium hydride and copper are mixed in a predetermined ratio to obtain the above mixture, the material is prepared from the mixture by sintering the material by passing electric current pulses with a density of 200-500 A / mm 2 with simultaneous uniaxial compression of the material.
В иных воплощениях изобретения одноосное обжатие при спекании осуществляют под давлением 150-600 МПа.In other embodiments of the invention, uniaxial compression during sintering is carried out under a pressure of 150-600 MPa.
При этом возможно одноосное обжатие при спекании осуществлять электродами, подводящими импульсы тока.In this case, uniaxial compression during sintering is possible with electrodes supplying current pulses.
Сущность предложенного технического решения состоит в следующем.The essence of the proposed technical solution is as follows.
Изготавливается шихта в виде смеси порошков природного графита, гидрида титана и меди. Содержание компонентов выбрано из следующих соображений.The mixture is made in the form of a mixture of powders of natural graphite, titanium hydride and copper. The content of the components is selected from the following considerations.
Содержание гидрида титана в шихте должно составлять от 1 до 10% мас. Оно рассчитывается в зависимости от количества меди таким образом, чтобы гидрид титана обеспечивал надежную смачиваемость меди, что обеспечивается заявленными переделами его содержания. При выходе за заявляемые пределы содержания гидрида титана в шихте, при содержании меньше 1% не обеспечивается надежное смачивание меди графитом, при содержании больше 10% увеличивается удельное электрическое сопротивление материалаThe content of titanium hydride in the mixture should be from 1 to 10% wt. It is calculated depending on the amount of copper so that titanium hydride provides reliable wettability of copper, which is ensured by the declared redistribution of its content. When going beyond the claimed limits of the content of titanium hydride in the charge, when the content is less than 1%, reliable copper wetting with graphite is not provided, when the content is more than 10%, the electrical resistivity of the material increases
Заявленное содержание меди в шихте совместно с заявленным содержанием гидрида титана обеспечивают необходимое удельное электрическое сопротивление и самосмазывающие свойства материала. При выходе за заявляемые пределы содержания в шихте меди происходит следующее: при снижении содержания меди менее 20% увеличивается удельное электрическое сопротивление, при превышении содержания меди более 85% снижаются самосмазывающие свойства материала.The claimed content of copper in the charge together with the declared content of titanium hydride provide the necessary electrical resistivity and self-lubricating properties of the material. When going beyond the declared limits of the content in the copper mixture, the following occurs: when the copper content is lower than 20%, the electrical resistivity increases, when the copper content exceeds 85%, the self-lubricating properties of the material decrease.
Для некоторых воплощений изобретения регламентируется размеры чешуек природного графита и порошинок меди и гидрида титана.For some embodiments of the invention, the sizes of flakes of natural graphite and powders of copper and titanium hydride are regulated.
Размер чешуек природного графита составляет от 40 до 80 мкм. Размеры частиц меди и гидрида титана не должны превышать 100 мкм. При таком ограничении размеров порошка обеспечивается необходимая плотность при спекании и прессовании.The size of flakes of natural graphite is from 40 to 80 microns. The particle sizes of copper and titanium hydride should not exceed 100 microns. With this limitation of the size of the powder provides the necessary density during sintering and pressing.
Способ получения материала осуществляется в соответствии со следующим.The method of obtaining the material is carried out in accordance with the following.
Готовится смесь частиц графита с гидридом титана и меди.A mixture of graphite particles with titanium hydride and copper is prepared.
Для создания надежного контакта гидрида титана с графитом сначала смешиваются частицы графита и гидрида титана, а затем добавляется порошок меди и готовится окончательная смесь.To create reliable contact between titanium hydride and graphite, particles of graphite and titanium hydride are first mixed, and then copper powder is added and the final mixture is prepared.
Такую смесь можно спекать электроимпульсным методом с одновременным одноосным обжатием в атмосфере воздуха.Such a mixture can be sintered by the electric pulse method with simultaneous uniaxial compression in an air atmosphere.
Гидрид титана начинает разлагаться при температуре 400°С. При температурах 800-1200°С, которые развиваются обычно при спекании путем пропускания импульсов электрического тока с плотностью 200-500 А/мм2 с одновременным одноосным обжатием под давлением 150-400 МПа, гидрид титана разлагается практически полностью.Titanium hydride begins to decompose at a temperature of 400 ° C. At temperatures of 800-1200 ° C, which usually develop during sintering by passing electric current pulses with a density of 200-500 A / mm 2 with simultaneous uniaxial compression under a pressure of 150-400 MPa, titanium hydride decomposes almost completely.
Выделяющийся водород создает на короткий период восстановительную атмосферу, восстанавливая оксиды меди и не давая окисляться титану. Если титан не окисляется, то он образует карбиды на поверхности графита, значительно улучшая взаимодействие меди с углеродом, при этом медь надежно смачивает графит.The released hydrogen creates a reducing atmosphere for a short period, reducing copper oxides and preventing titanium from oxidizing. If titanium does not oxidize, then it forms carbides on the surface of graphite, significantly improving the interaction of copper with carbon, while copper reliably moistens graphite.
При выходе за заявляемые интервалы плотности тока, при значении меньше 200 А/мм2 медь может не расплавиться и не растечься по графиту, а при значении более 500 А/мм2 могут подплавиться или выгореть электроды.When going beyond the claimed intervals of the current density, at a value of less than 200 A / mm 2, copper may not melt and spread over graphite, and at a value of more than 500 A / mm 2 , the electrodes may melt or burn out.
Изобретение можно проиллюстрировать на следующем конкретном примере. Материал изготавливали по следующей технологии:The invention can be illustrated by the following specific example. The material was made according to the following technology:
1. В заданном соотношении смешивали графит с размером частиц 40-80 мкм и TiH2 с размером частиц от 50 до 100 мкм в смесителе типа «пьяная бочка» со скоростью 30 об/мин в течение часа.1. In a predetermined ratio, graphite with a particle size of 40-80 μm and TiH 2 with a particle size of 50 to 100 μm was mixed in a drunk barrel mixer at a speed of 30 rpm for an hour.
2. К этой смеси добавляли частицы меди с размером 50 до 100 мкм. Полученную смесь смешивали в смесителе типа «пьяная бочка» со скоростью 30 об/мин в течение часа с получением шихты.2. Copper particles with a size of 50 to 100 μm were added to this mixture. The resulting mixture was mixed in a drunk barrel mixer at a speed of 30 rpm for an hour to obtain a charge.
3. Полученную шихту помещали в матрицу из изолирующего материала. Матрица представляла собой трубку с не запаянными торцами.3. The resulting mixture was placed in a matrix of insulating material. The matrix was a tube with not sealed ends.
4. Затем проводили спекание с помощью подвижных медных водоохлаждаемых электродов диаметром 12-0,05 мм, одновременно выполняющих роль пуансонов. Между электродами и сформованной заготовкой помещались круглые вольфрамовые пластины толщиной 0,1 мм. Электроды-пуансоны прижимались к торцам сформованной заготовки давлением 150-400 МПа. Между электродами пропускался электрический ток плотностью 200-500 А/мм2 в течение 2 с.4. Then, sintering was carried out using movable water-cooled copper electrodes with a diameter of 12-0.05 mm, simultaneously acting as punches. Between the electrodes and the molded billet, 0.1 mm thick tungsten plates were placed. Punched electrodes were pressed against the ends of the formed workpiece with a pressure of 150-400 MPa. An electric current with a density of 200-500 A / mm 2 was passed between the electrodes for 2 s.
В результате получали образцы материала с размерами: высотой 5-8 мм, диаметром 12 мм, из которых механической обработкой изготавливали образцы для измерения плотности, электрического сопротивления, твердости по Бринеллю.As a result, samples of material were obtained with dimensions: 5–8 mm high, 12 mm in diameter, from which samples were made by machining to measure density, electrical resistance, and Brinell hardness.
Как показывает наш опыт, предел прочности на сжатие композиционного материала, полученного из смеси порошков Cu-C-TiH2 электроимпульсным спеканием, составляет 200 МПа, что примерно в 2-3 раза выше предела прочности на сжатие композиционного материала, полученного из смеси порошков Cu-C-Ti электроимпульсным спеканием, и в 4-5 раз выше предела прочности аналогично полученного материала из смеси Cu-С.As our experience shows, the compressive strength of a composite material obtained from a mixture of powders of Cu-C-TiH 2 by electropulse sintering is 200 MPa, which is approximately 2-3 times higher than the compressive strength of a composite material obtained from a mixture of powders of Cu- C-Ti electropulse sintering, and 4-5 times higher than the tensile strength of similarly obtained material from a mixture of Cu-C.
В табл.1 приведены составы шихты материала и параметры получения этого материала, а также приведены свойства этих составов.Table 1 shows the compositions of the charge of the material and the parameters for producing this material, as well as the properties of these compositions.
Как следует из представленных данных, изобретение позволяет получить материал, изготовленный по упрощенной технологии без применения вакуума или защитных атмосфер, пористость которого составляет 1-5%, в котором медь надежно смачивает частицы графита, его удельное электрическое сопротивление составляет от 0,2 до 0,6 мкОм.м, а прочностные свойства материала позволяют использовать его для производства сильноточных электроконтактных изделий.As follows from the presented data, the invention allows to obtain a material manufactured by a simplified technology without the use of vacuum or protective atmospheres, the porosity of which is 1-5%, in which copper reliably moistens graphite particles, its electrical resistivity is from 0.2 to 0, 6 μOhm.m, and the strength properties of the material make it possible to use it for the production of high-current electrical contact products.
та
наHydride tee
that
on
дьMe
q
рид тита
наGuide
reed tita
on
фитGras
fit
ность тока при спека
нии, А/мм2 Raft
current spec
NII, A / mm 2
ном формова
нии и спеканииUniaxial pressure
Mr. formova
research and sintering
ность материала, г/см3 Raft
the value of the material, g / cm 3
ное элект
ричес
кое сопро
тивле
ние, мкОм.мUdel
electronic
riches
some copro
tivle
μm
ности на сжа
тие, МПаLimit
news on soot
tie, MPa
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013114046/02A RU2523156C1 (en) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | Charge for production of material for high-current contacts and method of its production |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013114046/02A RU2523156C1 (en) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | Charge for production of material for high-current contacts and method of its production |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2523156C1 true RU2523156C1 (en) | 2014-07-20 |
Family
ID=51217627
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013114046/02A RU2523156C1 (en) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | Charge for production of material for high-current contacts and method of its production |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2523156C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109881039A (en) * | 2019-04-02 | 2019-06-14 | 东北大学 | A kind of high-strength copper titanium alloy and preparation method thereof |
RU2765562C1 (en) * | 2020-10-20 | 2022-02-01 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" | Method for manufacturing products from a charge based on a metal powder modified by dielectric powders |
RU2769344C1 (en) * | 2021-08-04 | 2022-03-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН) | Material for arc-quenching and breaking electrical contacts based on copper and method of its production |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1064335A1 (en) * | 1982-11-29 | 1983-12-30 | Истринское отделение Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики | Bimetallic cement contact |
RU2117064C1 (en) * | 1997-05-13 | 1998-08-10 | Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов | Dispersion strengthened composite material |
RU2159297C1 (en) * | 1999-08-04 | 2000-11-20 | АООТ "Металлургический холдинг" | Dispersion-hardened composite material (versions) |
-
2013
- 2013-03-29 RU RU2013114046/02A patent/RU2523156C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1064335A1 (en) * | 1982-11-29 | 1983-12-30 | Истринское отделение Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики | Bimetallic cement contact |
RU2117064C1 (en) * | 1997-05-13 | 1998-08-10 | Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов | Dispersion strengthened composite material |
RU2159297C1 (en) * | 1999-08-04 | 2000-11-20 | АООТ "Металлургический холдинг" | Dispersion-hardened composite material (versions) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109881039A (en) * | 2019-04-02 | 2019-06-14 | 东北大学 | A kind of high-strength copper titanium alloy and preparation method thereof |
CN109881039B (en) * | 2019-04-02 | 2020-12-15 | 东北大学 | High-strength copper-titanium alloy and preparation method thereof |
RU2765562C1 (en) * | 2020-10-20 | 2022-02-01 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" | Method for manufacturing products from a charge based on a metal powder modified by dielectric powders |
RU2769344C1 (en) * | 2021-08-04 | 2022-03-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН) | Material for arc-quenching and breaking electrical contacts based on copper and method of its production |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6333099B2 (en) | Method for producing Ag / SnO2 electrical contact powder and method for producing Ag / SnO2 electrical contact material | |
Amirjan et al. | Mutual dependency of mechanical properties and contiguity in W–Cu composites | |
Ćosović et al. | Comparison of properties of silver-metal oxide electrical contact materials | |
RU2523156C1 (en) | Charge for production of material for high-current contacts and method of its production | |
WO2014083977A1 (en) | Voltage non-linear resistance element | |
JP4410066B2 (en) | Manufacturing method of electrical contact material | |
Yan et al. | Microstructures and properties of Al 2 O 3 dispersion-strengthened copper alloys prepared through different methods | |
JP2016074950A (en) | Copper alloy and manufacturing method therefor | |
JPH04228531A (en) | Contact material and its manufacture | |
US8894962B2 (en) | Carbon material and method of manufacturing the same | |
RU2398656C1 (en) | Method of producing composite material for copper-based electric contacts | |
Wąsik et al. | Copper metal matrix composites reinforced by titanium nitride particles | |
US3969112A (en) | Process for preparing silver-cadmium oxide alloys | |
Limberg et al. | Metal injection moulding of Ti-6Al-4V with yttrium addition | |
US4450135A (en) | Method of making electrical contacts | |
US3505065A (en) | Method of making sintered and infiltrated refractory metal electrical contacts | |
JP5581153B2 (en) | Oxidation resistant heat resistant alloy | |
GB2243160A (en) | Molded ceramic articles and production method thereof | |
JPS61107676A (en) | Making of electric contactor and contactor obtained thereby | |
RU2522584C1 (en) | Method of material manufacturing for arc-quenching and electric break contacts and material | |
CN110983147B (en) | High-strength palladium-based weak electrical contact material and preparation method thereof | |
JP2016216775A (en) | Ag-ZnO-BASED ELECTRICAL CONTACT MATERIAL AND PRODUCTION METHOD THEREFOR | |
Orumwense et al. | Sintered copper–graphite powder compacts forindustrial applications | |
Kent et al. | Formation of aluminium nitride during sintering of powder injection moulded aluminium | |
JPH0470380B2 (en) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20160520 |