RU2706013C2 - Нанокомпозитные материалы на основе металлических псевдосплавов для контактов переключателей мощных электрических сетей с повышенными физико-механическими свойствами - Google Patents
Нанокомпозитные материалы на основе металлических псевдосплавов для контактов переключателей мощных электрических сетей с повышенными физико-механическими свойствами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2706013C2 RU2706013C2 RU2016149739A RU2016149739A RU2706013C2 RU 2706013 C2 RU2706013 C2 RU 2706013C2 RU 2016149739 A RU2016149739 A RU 2016149739A RU 2016149739 A RU2016149739 A RU 2016149739A RU 2706013 C2 RU2706013 C2 RU 2706013C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copper
- nanocomposite
- switches
- powders
- mechanical properties
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H1/00—Contacts
- H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
- H01H1/021—Composite material
- H01H1/025—Composite material having copper as the basic material
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Contacts (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области электротехники и нанотехнологии, в частности к разработке нанокомпозиционных электроконтактных, жаропрочных, электроэрозионностойких, электротехнических, наноструктурированных материалов на основе меди (Си), которые могут быть использованы в производстве силовых разрывных электрических контактов, в переключателях мощных электрических сетей и вакуумных дугогасительных камерах. Нанокомпозитный электроконтактный материал на основе меди, состоящий из частично разупорядочной медной матрицы, в которой распределены кластеры двух тугоплавких компонентов размером менее 5 нм. Причем порошки меди и двух тугоплавких металлов (Me1 и Ме2) имеют объемное соотношение 50%Cu-XMe1-(50-X)Me2, где X от 5 до 45%, при этом материал имеет пористость 1-3 % и твердость по Виккерсу 4,5-12 ГПа. Изобретение позволяет повысить физико-механические свойства материала, снизить пористость и удельное электросопротивление. 1 з.п. ф-лы.
Description
Изобретение относится к области электротехники и нанотехнологии, в частности, к разработке нанокомпозиционных электроконтактных, жаропрочных, электроэрозионностойких, электротехнических, наноструктурированных материалов на основе меди (Cu), которые могут быть использованы в производстве силовых разрывных электрических контактах, в переключателях мощных электрических сетей и вакуумных дугогасительных камерах.
При изготовлении указанных материалов необходимо получить сочетание высокой электропроводности, для чего в качестве основы используют Cu, и высокой износостойкости при воздействии электрической дуги, для чего необходимо вводить в состав композиционного материала тугоплавкие металлы с высокой температурой плавления и испарения, таких как вольфрам (W), хром (Cr) и молибден (Мо). Медь не смешивается и не взаимодействует с вольфрамом, хромом и молибденом, образуя при спекании псевдосплавы различного состава: Cu-Cr, Cu-W, Cu-Mo, Cu-Cr-W, Cu-Cr-Mo и Cu-Mo-W.
Известен материал и способ изготовления электрических контактов на основе Cr и Cu, включающий приготовление шихты механическим смешиванием порошков Cr и Cu, прессование и предварительное восстановление в атмосфере остроосушенного водорода с выдержкой при температуре 250-700°С, жидкофазное спекание при температуре 1100-1250°C в атмосфере остроосушенного водорода или твердофазное спекание при температуре не выше 1050°С в атмосфере водорода или в вакууме, дополнительный нагрев изделий до температуры 300-950°С в атмосфере водорода и осадку в закрытом штампе, при этом перед смешиванием порошков Cr и Cu проводят обкатку шарами частиц порошка хрома выполняют в течение 25-27 часов в медном барабане валковой мельницы в режиме «перекатывания» при соотношении массы шаров или обкатывающих тел и порошка 1:2 (RU 2369935, Н01Н 1/02, 10.10.2009).
Недостатком известного материала и способа его получения является длительность процесса измельчения порошка хрома (не менее 25 часов), низкие физико-механические свойства за счет крупного размера частиц хрома, средний диаметр которых после механической обработки составляет 53,2-57,9 мкм.
Известен материал и способ получения псевдосплава Cu-Cr с дисперсной структурой, включающий активацию путем смешивания исходных порошков Cu и Cr в качестве тугоплавкого металла в смесителе со смещенной осью вращения, прессование активированных порошков и их спекание в вакууме при температуре 1000-1100°С в течение 2 часов, при этом активацию исходных порошков шихты в смесителе осуществляют мелющими телами в виде металлических шариков диаметром 8-10 мм, при соотношении массы мелющих тел и исходных порошков 15:1, продолжительности смешивания шихты 3-3,5 часа и скорости вращения смесителя 60 об/мин (RU 2344189, С22С 1/04, B22F 3/12, С22С 9/00, 10.02.2008).
Изобретение позволяет получать компактный псевдосплав Cu-Cr с дисперсной структурой, с размерами частиц 40 мкм, твердостью по Бринеллю до 85 НВ, пределом прочности при растяжении до 290 МПа, с объемной усадкой при спекании при 1100°С, равной 8-10%.
Недостатком известного материала и способа является продолжительность процесса (общее время не менее 6 часов), низкие механические свойства конечного материала, крупный размер частиц.
Наиболее близким аналогом к заявляемому нанокомпозиционному электроконтактному материалу является композиционный материал Cu-Мо (20-30 масс. % Cu), который также имеет разупорядоченную медную матрицу, в которой распределены кластеры тугоплавких частиц размером более 30 нм. (RU2292988, B22F 3/12, С22С 1/04, 10.02.2007).
Недостатком известного композиционного материала является пористостью до 2%, размер частиц более 30 нм.
Недостаточно высокие свойства таких материалов, и их аналогов ограничивают использование материалов в производстве силовых разрывных и дугогасительных контактов в переключателях мощных электрических сетей, работающих в условиях больших токов и высоких напряжений.
Техническим результатом предлагаемого изобретения в части материала является значительное повышение его физико-механических свойств, снижение пористости и удельного электросопротивления, при размере частиц не более 10 нм.
Технический результат достигается тем, что заявленный нанокомпозиционный электроконтактный материала состоит из частично разупорядоченной медной матрицы, в которой распределены кластеры двух тугоплавких частиц размером менее 10 нм, при этом содержание тугоплавкого компонента составляет 50 об. %.
Нанокомпозиционный электроконтактный материал состоит из трехкомпонентных систем Cu-Cr-W, Cu-Cr-Mo и Cu-Mo-W.
Порошки меди и двух тугоплавких металлов (Me1 и Ме2) имеют объемное соотношение 50%Cu-XMe1-(50-X)Me2, где X от 5 до 45%.
Получение такого материала включает высокоэнергетическую механическую обработку (ВЭМО) смеси исходных порошков меди и двух тугоплавких металлов в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице мелющими шарами в атмосфере аргона и последующее твердофазное спекание активированной смеси. ВЭМО проводят при соотношении массы шаров и исходных порошков 15:1-20:1, при скорости вращения шаровой мельницы 694-900 об/мин и продолжительности обработки 30-60 минут, а спекание активированной смеси порошков осуществляют методом искрового плазменного спекания (ИПС), для этого порошок помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум или атмосферу инертного газа и через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток под нагрузкой 50-70 МПа. В качестве тугоплавких металлов используют хром, вольфрам, молибден. Время спекания при температуре 900-1000°С и продолжительности 10 минут. Нанокомпозиционный электроконтактный материал, представляет собой нанокомпозит, состоящий из кластеров на основе тугоплавких частиц размером менее 10 нм, распределенных в частично разупорядочной матрице, характеризующийся тем, что имеет плотность до 99%, твердость по Виккерсу 2,5-12 ГПа, электросопротивление 7-10 мкОм⋅см.
В качестве основных исходных компонентов для получения экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов на основе псевдосплавов Cu-Cr-W, Cu-Cr-Mo и Cu-Mo-W для электрических контактов используются порошки металлов: Cu (порошок медный электролитический) марки ПМС-В (ГОСТ 4960-75); Cr (порошок хрома восстановленный) марки ПХ1М; Мо (молибденовый порошок) марки ПМ99,95 (ТУ 48-19-316-80); W (вольфрамовый порошок) марки ПВ2 (ТУ14-22-143-2000).
ВЭМО исходных порошков меди и тугоплавкого металла проводят в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице «Активатор-28» мелющими стальными шарами в течение 30-60 минут. За счет интенсивной механической обработки порошков в мельнице происходит их активация и измельчение до наноразмеров не более 10 нм.
После ВЭМО исходных порошков в мельнице «Активатор-28», полученные активированные нанокомпозитные смеси порошков Cu-Cr-W, Cu-Cr-Mo и Cu-Mo-W спекают на установке ИПС (Spark Plasma Sintering -Labox 650, SinterLand, Япония).
Сущность материала заключается в следующем.
Нанокомпозиционный электроконтактный материал состоит из меди и двух тугоплавких металлов (Me1 и Ме2), которые имеют объемное соотношение 50%Cu-XMe1(50-X)Me2, где X от 5 до 45%, размер тугоплавких кластеров составляет не более 10 нм.
Контроль качества образцов проводится на каждой технологическом этапе и осуществляется как визуальным осмотром, так и с использованием аппаратурных методик.
В комплексном исследовании микроструктуры и фазового состава были использованы методы порошковой рентгеновской дифракции (рентгеноструктурный анализ), растровой (сканирующей) электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, дифракции электронов и другие. Для спеченных образцов Cu-Cr-W, Cu-Cr-Mo и Cu-Mo-W осуществляется также контроль прочностных характеристик, пористости, электросопротивления и микроструктуры.
Сущность материала подтверждается примерами
Пример 1.
Получение нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-Cr-W.
Порошки Cu, Cr и W смешивают при объемном соотношении 50% Cu, 45% Cr и 5% W. Приготовленную смесь подвергают ВЭМО (измельчению и перемешиванию) в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 900 об/мин. Соотношение шаров к смеси порошка составляет 15:1. Использовались стальные шары 6-8 мм в диаметре. Время обработки 30 минут.
Полученный активированный композитный порошок подвергают ИПС, для этого порошок помещают в графитовую цилиндрическую пресс-форму, фиксируют ее между электродами, являющимися одновременно пуансонами пресса, помещают пресс-форму в камеру, в камере создают вакуум, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток под нагрузкой 50 МПа и спекают образец при температуре 1000°С в течение 10 мин. В результате получают образцы в форме дисков диаметром 15-60 мм и толщиной 4-10 мм.
Нанокомпозиционный электроконтактный материал имеет следующие характеристики: Пористость 1-3%, твердость по Виккерсу - 4,5-12 ГПа, удельное электросопротивление - 8 мкОм⋅см.
Твердость данного материала в 3.5 раза выше твердости всех исследуемых промышленных образцов. Значение удельного сопротивления возрастает примерно на 25-50% по сравнению со значением промышленных образцов, что позволяет использовать его для электроконтактных материалов.
Исследования на просвечивающем электронном микроскопе со сверхвысоким разрешением (увеличение до 2000000 раз) показали, что материал представляет собой нанокомпозит, состоящий из кластеров на основе хрома и вольфрама размером 4-5 нм, распределенных в частично разупорядоченной матрице на основе Cu.
Пример 2.
Получение нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-Cr-Mo
Порошки Cu, Cr и Мо смешивают при объемном соотношении 50% Cu, 25% Cr и 25% Мо. Приготовленную смесь подвергают ВЭМО (измельчению и перемешиванию) в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 694 об/мин. Соотношение шаров к смеси порошка составляет 20:1. Время обработки 60 минут.
Полученные активированные композиционные порошки с различным содержанием Мо подвергают спеканию методом ИПС при 900°С в атмосфере аргона, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток под нагрузкой 70 МПа в течение 10 мин.
Микроструктура образцов для Cu-Cr-Mo схожа с микроструктурой материала по примеру 1.
Нанокомпозиционный электроконтактный материал имеет следующие характеристики: пористость 1%, твердость по Виккерсу от 4 до 5 ГПа, удельное электросопротивление - 7 мкОм⋅см.
Пример 3.
Получение нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-Мо-W
Порошки Cu, Мо и W смешивают при объемном соотношении 50% Cu, 5% Мо и 45% W. Приготовленную смесь подвергают ВЭМО (измельчению и перемешиванию) в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 694 об/мин. Соотношение шаров к смеси порошка составляет 15:1. Время обработки 60 минут.
Полученный активированный композиционный порошок подвергают ИПС в атмосфере аргона, через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток под нагрузкой 70 МПа и проводят спекание при температуре 1000°С в течение 10 мин. В результате получают образцы в форме дисков диаметром 15-60 мм и толщиной 4-10 мм.
Микроструктура образца схожа с микроструктурой материала по примеру 1.
Нанокомпозиционный электроконтактный материал Cu-Mo-W имеет следующие характеристики: пористость 1%; твердость по Виккерсу - 6-14 ГПа, удельное электросопротивление - 9,3 мкОм⋅см.
Нанокомпозиционный электроконтактный материал состоит из нанокластеров тугоплавких металлов, разделенных между собой каркасом медной фазы. Такая наноструктура предлагаемого материала обладает повышенными эксплуатационными свойствами по сравнению с материалами аналогов и промышленными материалами для контактов, например, ОАО "ПОЛЕМА" и компаний Китая и Германии.
Потенциальными потребителями такого материала, являются: электротехническая промышленность, где необходимы высокая электрическая проводимость, высокие механические, физические и эксплуатационные свойства, такие как прочность, твердость при комнатной и повышенной температурах, термическая стабильность, дугостойкость, для применения в производстве силовых разрывных и вакуумных дугогасительных контактов в переключателях (размыкателях) мощных электрических сетей, работающих в условиях больших токов и высоких напряжений.
Claims (2)
1. Нанокомпозиционный электроконтактный материал на основе меди, состоящий из частично разупорядоченной медной матрицы, в которой распределены кластеры частиц двух тугоплавких компонентов размером менее 5 нм, при этом содержание тугоплавкого компонента составляет 50 об.%, причем порошки меди и двух тугоплавких компонентов (Me1 и Ме2) имеют объемное соотношение 50%Cu-XMe1-(50-X)Me2, где X от 5 до 45%, при этом материал имеет пористость 1-3% и твердость по Виккерсу 4,5-12 ГПа.
2. Нанокомпозиционный электроконтактный материал по п. 1, отличающийся использованием комбинации тугоплавких компонентов Cr, Mo, W для создания трехкомпонентных систем Cu-Cr-W, или Cu-Cr-Мо, или Cu-Mo-W.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016149739A RU2706013C2 (ru) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Нанокомпозитные материалы на основе металлических псевдосплавов для контактов переключателей мощных электрических сетей с повышенными физико-механическими свойствами |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016149739A RU2706013C2 (ru) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Нанокомпозитные материалы на основе металлических псевдосплавов для контактов переключателей мощных электрических сетей с повышенными физико-механическими свойствами |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016149739A RU2016149739A (ru) | 2019-03-07 |
| RU2016149739A3 RU2016149739A3 (ru) | 2019-06-20 |
| RU2706013C2 true RU2706013C2 (ru) | 2019-11-13 |
Family
ID=65632524
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016149739A RU2706013C2 (ru) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Нанокомпозитные материалы на основе металлических псевдосплавов для контактов переключателей мощных электрических сетей с повышенными физико-механическими свойствами |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2706013C2 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4486631A (en) * | 1981-12-28 | 1984-12-04 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Contact for vacuum circuit breaker |
| RU2292988C1 (ru) * | 2005-07-05 | 2007-02-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Способ получения молибден-медного композиционного материала |
| US20130199905A1 (en) * | 2010-06-24 | 2013-08-08 | Meiden T & D Corporation | Method for Producing Electrode Material for Vacuum Circuit Breaker, Electrode Material for Vacuum Circuit Breaker and Electrode for Vacuum Circuit Breaker |
| RU2597204C1 (ru) * | 2015-07-23 | 2016-09-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Нанокомпозиционный электроконтактный материал и способ его получения |
| EP3098829A1 (en) * | 2014-01-23 | 2016-11-30 | Meidensha Corporation | Electrode material and method for producing electrode material |
-
2016
- 2016-12-19 RU RU2016149739A patent/RU2706013C2/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4486631A (en) * | 1981-12-28 | 1984-12-04 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Contact for vacuum circuit breaker |
| RU2292988C1 (ru) * | 2005-07-05 | 2007-02-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Способ получения молибден-медного композиционного материала |
| US20130199905A1 (en) * | 2010-06-24 | 2013-08-08 | Meiden T & D Corporation | Method for Producing Electrode Material for Vacuum Circuit Breaker, Electrode Material for Vacuum Circuit Breaker and Electrode for Vacuum Circuit Breaker |
| EP3098829A1 (en) * | 2014-01-23 | 2016-11-30 | Meidensha Corporation | Electrode material and method for producing electrode material |
| RU2597204C1 (ru) * | 2015-07-23 | 2016-09-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Нанокомпозиционный электроконтактный материал и способ его получения |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016149739A (ru) | 2019-03-07 |
| RU2016149739A3 (ru) | 2019-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shkodich et al. | Bulk Cu–Cr nanocomposites by high-energy ball milling and spark plasma sintering | |
| RU2597204C1 (ru) | Нанокомпозиционный электроконтактный материал и способ его получения | |
| JP5880789B1 (ja) | 固溶体粒子を成形した成形体にＣｕを溶浸した複合金属 | |
| JP5904308B2 (ja) | 電極材料の製造方法 | |
| EP3098829B1 (en) | Method for producing electrode material | |
| Biyik | Effect of reinforcement ratio on physical and mechanical properties of Cu-W composites synthesized by ball milling | |
| JP5861807B1 (ja) | 電極材料の製造方法 | |
| Ćosović et al. | Comparison of properties of silver-metal oxide electrical contact materials | |
| JP6075423B1 (ja) | 真空遮断器 | |
| Shkodich et al. | Preparation of copper–molybdenum nanocrystalline pseudoalloys using a combination of mechanical activation and spark plasma sintering techniques | |
| WO2018142709A1 (ja) | 電極材料の製造方法及び電極材料 | |
| EP4218038A1 (en) | Electric contact comprising a metal-graphene composite layer | |
| RU2706013C2 (ru) | Нанокомпозитные материалы на основе металлических псевдосплавов для контактов переключателей мощных электрических сетей с повышенными физико-механическими свойствами | |
| JP6311325B2 (ja) | 電極材料及び電極材料の製造方法 | |
| RU2645855C2 (ru) | Способ получения электроконтактного композитного материала на основе меди, содержащего кластеры на основе частиц тугоплавкого металла | |
| JP6015725B2 (ja) | 電極材料の製造方法 | |
| Tsakiris et al. | W-Cu composite materials for electrical contacts used in vacuum contactors | |
| JP5310272B2 (ja) | 真空遮断器の電極接点部材並びに真空遮断器用電極接点部材の製造方法 | |
| JP6398415B2 (ja) | 電極材料の製造方法 | |
| CN111670261B (zh) | 电触点及使用该电触点的真空阀 | |
| JP5506873B2 (ja) | 接点材料およびその製造方法 | |
| RU2739493C1 (ru) | Способ получения композиционного электроконтактного материала Cu-SiC | |
| Wang et al. | In-situ synthesized silver-graphene nanocomposite with enhanced electrical and mechanical properties | |
| Kuskov et al. | Study of structure of copper-based composite materials during the spark plasma sintering | |
| Gavriliu et al. | A comparative study concerning the obtaining and using of some Ag-CdO, Ag-ZnO and Ag-SnO2 sintered electrical contact materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200807 Effective date: 20200807 |