RU2294975C1 - Copper base sintered electric-contact material - Google Patents

Abstract

FIELD: powder metallurgy, namely sintered copper base electric contact materials.

SUBSTANCE: material may be used for making electric contacts of low-voltage electric apparatuses for switching circuits of direct or alternating currents less than 300 A. Sintered electric-contact copper-base material is produced of mixture containing ultra-dispersed powder of zinc oxide with fraction size no more than 0.006 micrometers and copper powder clad with titanium nitride at next relation of ingredients, mass %: titanium nitride, 1 -4; zinc oxide, 1 - 5: copper, the balance.

EFFECT: lowered wear degree of switching, reduced oxidation degree, improved operational reliability and increased useful life period.

1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным материалам на основе меди для электрических контактов, используемых в низковольтных электрических аппаратах, коммутирующих цепи постоянного и переменного тока до 300 А.The invention relates to powder metallurgy, in particular to sintered materials based on copper for electrical contacts used in low-voltage electrical apparatus, switching DC and AC circuits up to 300 A.

Известен электроконтактный спеченный материал на основе меди с легирующими добавками карбида титана, ниобия, компонента из группы, содержащей кадмий, цинк, олово, кобальт, графит (патент России №2009562, МПК С 22 С 9/00, Н 01 Н 1/02), имеющий состав, мас.%:Known electrical contact sintered material based on copper with alloying additives of titanium carbide, niobium, a component from the group consisting of cadmium, zinc, tin, cobalt, graphite (Russian patent No. 20059562, IPC C 22 C 9/00, H 01 H 1/02) having a composition, wt.%:

Карбид титанаTitanium carbide 7,0-13,07.0-13.0 НиобийNiobium 1,5-5,01,5-5,0 Оксид ниобияNiobium oxide 2,5-7,52.5-7.5 Компонент из группы, содержащей кадмий, цинк,A component from the group consisting of cadmium, zinc,   олово, оксиды цинка, кадмия, олово, кобальт, графитtin, zinc oxides, cadmium, tin, cobalt, graphite 0,5-3,00.5-3.0 МедьCopper ОстальноеRest

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является спеченный электроконтактный материал на основе меди, содержащий ультрадисперсный порошок оксида цинка дисперсностью не более 0,006 мкм и алюминий (патент РФ №2208654, МПК С 22 С 9/00, Н 01 Н 1/02, опубл. 2003 г.) при следующем соотношении компонентов, мас.%:Closest to the invention in technical essence and the achieved result is a sintered electrical contact material based on copper, containing ultrafine zinc oxide powder with a dispersion of not more than 0.006 microns and aluminum (RF patent No. 2208654, IPC C 22 C 9/00, H 01 H 1/02 , publ. 2003) in the following ratio of components, wt.%:

Ультрадисперсный порошок оксида цинкаUltrafine Zinc Oxide Powder 1-51-5 АлюминийAluminum 0,001-0,0050.001-0.005 МедьCopper ОстальноеRest

Недостатками указанных аналогов является повышенный коммутационный износ, низкая теплопроводность и повышающееся удельное электросопротивление в условиях длительного включения. Все это снижает качества спеченного электроконтактного материала и возможности его использования.The disadvantages of these analogues are increased switching wear, low thermal conductivity and increasing electrical resistivity in conditions of prolonged inclusion. All this reduces the quality of the sintered electrical contact material and the possibility of its use.

В основу изобретения положена задача снижения коммутационного износа и понижение окисления электроконтактного материала на медной основе, повышение надежности и долговечности.The basis of the invention is the task of reducing switching wear and lowering the oxidation of electrical contact material on a copper basis, increasing reliability and durability.

Поставленная задача решается тем, что спеченный электроконтактный материал на основе меди, содержащий ультрадисперсный порошок оксида цинка дисперсностью не более 0,006 мкм в количестве мас.% 1-5, согласно изобретению медь плакирована нитридом титана в количестве мас.% нитрида титана 1-4.The problem is solved in that the sintered electrical contact material based on copper, containing ultrafine zinc oxide powder with a dispersion of not more than 0.006 μm in the amount of wt.% 1-5, according to the invention, the copper is clad with titanium nitride in the amount of wt.% Titanium nitride 1-4.

Введение плакированных нитридом титана частиц меди позволяет защищать медную основу от окисления, кроме того, нитрид титана является токопроводящим материалом, что так же обеспечивает стабильный уровень электросопротивления и снижение коммутационного износа в условиях длительного включения контактов.The introduction of copper particles clad with titanium nitride protects the copper base from oxidation, in addition, titanium nitride is a conductive material, which also provides a stable level of electrical resistance and reduced switching wear under conditions of long-term contact switching.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

Для получения спеченного электроконтактного материала были приготовлены пять вариантов смеси компонентов, массовый состав которых приведен в таблице.To obtain a sintered electrical contact material, five variants of a mixture of components were prepared, the mass composition of which is given in the table.

Спеченный электроконтактный материал изготавливался по следующей технологической схеме. Вначале готовились плакированные порошки меди, технология создания которых заключается в следующем: порошок меди помещают в вакуумную камеру, где в процессе перемешивания происходит напыление слоя материала (нитрид титана) на частицы порошка. Одним из наиболее важных условий получения высоких эксплутационных характеристик порошковых изделий является равномерное распределение всех составляющих компонентов по объему материала, обеспечивающее однородность структуры. С этой целью был разработан способ нанесения и равномерного распределения наночастиц на крупнокристаллические порошки матричной меди. Нанесение токопроводящих покрытий, таких как нитрида титана на частицы матричного порошка, позволит уменьшить удельное сопротивление материала вследствие проводящих свойств наносимых покрытий.Sintered electrical contact material was manufactured according to the following process flow chart. Initially, clad copper powders were prepared, the technology of which is as follows: copper powder is placed in a vacuum chamber, where a layer of material (titanium nitride) is sprayed onto the powder particles during mixing. One of the most important conditions for obtaining high performance powder products is the uniform distribution of all constituent components over the volume of the material, ensuring uniformity of structure. To this end, a method was developed for the deposition and uniform distribution of nanoparticles on coarse-grained matrix copper powders. The application of conductive coatings, such as titanium nitride on the particles of the matrix powder, will reduce the resistivity of the material due to the conductive properties of the applied coatings.

В начале готовилась лигатура из порошков меди плакированных нитридом титана и УДП оксида цинка и дополнительно проводилась смешивание в конусном смесителе в растворе пластификатора (4%-ный водный раствор поливинилового спирта), гранулирование. Из приготовленной смеси были изготовлены электрические контакты, в процессе прессования в жесткой матрице при удельном давлении прессования ≤100 МПа, предварительное спекание проводили в вакууме при температуре 540°С для удаления пластификатора, окончательное спекание в вакууме при температуре 860±20°С и времени изометрической выдержки 2-3 ч. После этого производилось калибрование при удельном давлении 800-1000 МПа, отжиг в вакууме или на воздухе при температуре 500°С для снятия остаточных напряжений. Для обеспечения требуемой плотности спеченные контакты калибровали при удельном давлении Р=800-1000 МПа, после чего подвергали отжигу в вакууме при Т=500°С для снятия остаточных напряжений, причем скорость нагрева была не выше 20°/мин. Размеры контактов 10×10×2 мм.At the beginning, a master alloy was prepared from copper powders clad with titanium nitride and UDP zinc oxide, and additionally mixing in a cone mixer in a plasticizer solution (4% aqueous solution of polyvinyl alcohol), granulation. The electrical contacts were made from the prepared mixture, during pressing in a rigid matrix at a specific pressing pressure of ≤100 MPa, preliminary sintering was carried out in vacuum at a temperature of 540 ° С to remove plasticizer, final sintering in vacuum at a temperature of 860 ± 20 ° С and isometric time excerpts of 2-3 hours. After this, calibration was performed at a specific pressure of 800-1000 MPa, annealing in vacuum or in air at a temperature of 500 ° C to relieve residual stresses. To ensure the required density, the sintered contacts were calibrated at a specific pressure of P = 800-1000 MPa, after which they were annealed in vacuum at T = 500 ° C to relieve residual stresses, and the heating rate was no higher than 20 ° / min. The dimensions of the contacts are 10 × 10 × 2 mm.

Эксплуатационные испытания этих контактов были проведены в соответствии с ТУ 16-92 (номинальный ток выключателя 250 А; номинальное напряжение главной цепи 380 В; частота 50 Гц; номинальные токи тепловых магнитных расцепителей тока в диапазоне от 16 до 100 А, температура окружающей среды 22°С) по переходному электросопротивлению, отсутствию свариваемости и перегрева электрических контактов.Operational tests of these contacts were carried out in accordance with TU 16-92 (rated current of the circuit breaker 250 A; rated voltage of the main circuit 380 V; frequency 50 Hz; rated currents of thermal magnetic current releases in the range from 16 to 100 A, ambient temperature 22 ° C) on transient electrical resistance, lack of weldability and overheating of electrical contacts.

Измерение перегрева проводились после испытания на коммутационную износостойкость и предельную коммутационную способность. Общее количество циклов включение-выключение под нагрузкой составило 4000 циклов. Проведенные испытания показали допустимый уровень перегрева в условиях длительного включения (более 15 суток). Результаты испытаний представлены в таблице, из которой видно, что если содержание нитрида титана равно 0,4 или 1 мас.%, (пример 1, пример 2), то развивается процесс окисления меди, и как следствие повышается температура контактной пары при длительном включении 78 и 73°C, а также повышенный коммутационный износ - 0,280·10^-6 г/цикл и 0,310·10^-6 г/цикл.Measurement of overheating was carried out after a test for switching wear resistance and ultimate switching ability. The total number of on-off cycles under load was 4000 cycles. The tests showed an acceptable level of overheating in conditions of prolonged inclusion (more than 15 days). The test results are presented in the table, from which it can be seen that if the titanium nitride content is 0.4 or 1 wt.%, (Example 1, example 2), the copper oxidation process develops, and as a result, the temperature of the contact pair increases with prolonged inclusion 78 and 73 ° C, as well as increased switching wear - 0.280 · 10 ^-6 g / cycle and 0.310 · 10 ^-6 g / cycle.

Содержание нитрида титана равное 4 и 5 мас.% (пример 4, пример 5) приводит к резкому росту удельного сопротивления и соответственно к росту температуры контактной пары 78°C, которая может превысить допустимое значение, указанное в нормативных документах, также выявлено увеличение коммутационного износа 0,34·10^-6 г/цикл и 0,35·10^-6 г/цикл.The titanium nitride content of 4 and 5 wt.% (Example 4, example 5) leads to a sharp increase in resistivity and, correspondingly, to an increase in the temperature of the contact pair 78 ° C, which can exceed the permissible value specified in the regulatory documents, an increase in switching wear is also revealed 0.34 · 10 ^-6 g / cycle and 0.35 · 10 ^-6 g / cycle.

Наилучшим показателем содержания нитрида титана является пример 3, где его количество равно 2,5 мас.% и является оптимальным, т.к. не позволяет меди окисляться, и не увеличивает удельное сопротивление контактной пары равное 0,025 мкОм·м, и как следствие имеем меньшую температуру 65°C. Коммутационный износ данной контактной пары наименьший 0,092·10^-6 г/цикл.The best indicator of titanium nitride content is example 3, where its amount is 2.5 wt.% And is optimal, because does not allow copper to oxidize, and does not increase the specific resistance of the contact pair equal to 0.025 μOhm · m, and as a result we have a lower temperature of 65 ° C. The switching wear of this contact pair is the smallest 0,092 · 10 ^-6 g / cycle.

В условиях длительного включения при номинальном токе 100 А они имеют небольшой перегрев, величина которого не превышает 90°С, что соответствует требованиям ГОСТ 300011.2-88 и, вместе с тем, происходит удовлетворительное сдувание дуги, предотвращающее свариваемость и обеспечивающее размыкание электрических контактов в условиях короткого замыкания.Under conditions of prolonged switching on at a rated current of 100 A, they have a slight overheating, the value of which does not exceed 90 ° C, which corresponds to the requirements of GOST 300011.2-88 and, at the same time, a satisfactory deflation of the arc occurs, which prevents weldability and ensures the opening of electrical contacts under short short circuits.

Как показывают результаты испытаний, электрические контакты изготавливаемые из предлагаемого материала, обладают более низким значением коммутационного износа при длительном включении и меньшим значением удельного сопротивления.As the test results show, electrical contacts made of the proposed material have a lower value of switching wear during long-term inclusion and a lower value of resistivity.

Claims (1)

Спеченный электроконтактный материал на основе меди, полученный из смеси, содержащей ультрадисперсный порошок оксида цинка дисперсностью не более 0,006 мкм и порошок меди, отличающийся тем, что смесь содержит порошок меди, плакированный нитридом титана, при следующем соотношении компонентов, мас.%:Sintered copper-based electrical contact material obtained from a mixture containing ultrafine zinc oxide powder with a dispersion of not more than 0.006 μm and copper powder, characterized in that the mixture contains copper powder plated with titanium nitride in the following ratio, wt.%: Нитрид титанаTitanium nitride 1-41-4 Оксид цинкаZinc oxide 1-51-5 МедьCopper ОстальноеRest