RU2739493C1 - Method of producing composite electric contact material of cu-sic - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, particularly, to production of electrotechnical composite material based on copper containing silicon carbide particles. It can be used in production of breaking power electric contacts, in switches of powerful electric networks and vacuum arc-quenching chambers. Powders of copper, silicon and carbon are subjected to combined mechanical treatment in a high-energy ball planetary mill in an argon atmosphere at the ratio of masses of balls and mixture of powders of 10:1-20:1, rotation speed of planetary mill planetary mill 300-500 rpm and processing time 60-180 minutes. Obtained mixture of reaction composite particles is subjected to spark plasma sintering in chamber in vacuum or in atmosphere of inert gas with passing through sintered mixture of pulsed electric current of 500-5000 A under load of 30-50 MPa, at temperature of 700-1000°C and sintering duration 10-30 minutes.

EFFECT: higher hardness of composite material, reduced porosity and specific electrical resistance.

1 cl, 3 ex

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к технологии получения реакционных композиционных порошков для последующего изготовления жаропрочных и износостойких электротехнических композиционных материалов на основе меди, которые могут быть использованы в производстве силовых разрывных электрических контактах, в переключателях мощных электрических сетей и вакуумных дугогасительных камерах.The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to a technology for producing reaction composite powders for the subsequent manufacture of heat-resistant and wear-resistant electrical composite materials based on copper, which can be used in the production of power breaking electrical contacts, in switches of powerful electrical networks and vacuum interrupting chambers.

При изготовлении указанных материалов необходимо получить сочетание высокой электропроводности, для чего в качестве основы используют медь (Cu), и высокой износостойкости при воздействии электрической дуги, для чего необходимо вводить в состав композиционного материала тугоплавкие керамические компоненты в количестве, не превышающем 50 об.% с высокой температурой плавления и испарения, таких как карбид кремния (SiC).In the manufacture of these materials, it is necessary to obtain a combination of high electrical conductivity, for which copper (Cu) is used as a base, and high wear resistance when exposed to an electric arc, for which it is necessary to introduce refractory ceramic components into the composition of the composite material in an amount not exceeding 50 vol.% With high melting and evaporating temperatures, such as silicon carbide (SiC).

Изготавливаемые по заявленному способу порошковые частицы представляют собой композит, состоящий из меди и реакционной смеси кремния и углерода (Si+C), которая при спекании способна вступать в экзотермическую безгазовую реакцию с образованием карбида кремния. Реакция между кремнием углеродом является «активатором» спекания, она способствует спеканию композита до высокой относительной плотности.Powder particles produced according to the claimed method are a composite consisting of copper and a reaction mixture of silicon and carbon (Si + C), which, when sintered, is capable of entering into an exothermic gas-free reaction with the formation of silicon carbide. The reaction between silicon and carbon is an “activator” of sintering, it promotes sintering of the composite to a high relative density.

Известен нанокомпозиционный электроконтактный материал и способ его получения, включающий механическую обработку смесей металлов в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице с последующим твердофазным спеканием полученной активированной смеси, отличающийся тем, что высокоэнергетическую обработку проводят в атмосфере аргона при соотношении масс шаров и исходных порошков 20:1-40:1, при скорости вращения планетарного диска планетарной мельницы 694-900 об/мин и продолжительности обработки не более 90 минут, спекание полученных нанокомпозионных частиц с размером кристаллитов тугоплавкого металла менее 5 нм осуществляют методом искрового плазменного спекания, при этом в камере создают вакуум или атмосферу инертного газа и через спекаемый образец пропускают импульсный электрический ток 1000-5000 А под нагрузкой до 50 МПа, при этом температура спекания не превышает 1000°C при продолжительности процесса не более 15 минут. (RU 2597204 С1, опубл. 10.09.2016).Known nanocomposite electrical contact material and a method for its production, including mechanical processing of mixtures of metals in a high-energy ball planetary mill, followed by solid-phase sintering of the resulting activated mixture, characterized in that the high-energy processing is carried out in an argon atmosphere with a mass ratio of balls and initial powders 20: 1-40: 1, at a rotation speed of the planetary disk of a planetary mill of 694-900 rpm and a processing time of no more than 90 minutes, the sintering of the obtained nanocomposite particles with a refractory metal crystallite size of less than 5 nm is carried out by the method of spark plasma sintering, while a vacuum or an atmosphere of inert gas and a pulsed electric current of 1000-5000 A is passed through the sintered sample under a load of up to 50 MPa, while the sintering temperature does not exceed 1000 ° C with a process duration of no more than 15 minutes. (RU 2597204 C1, publ. 09/10/2016).

Недостатком способа является необходимость длительной обработки при высокой скорости вращения планетарного диска планетарной мельницы, что неизбежно приводит к загрязнению обрабатываемых порошков материалом барабанов и размольных шаров.The disadvantage of this method is the need for long-term processing at a high speed of rotation of the planetary disk of the planetary mill, which inevitably leads to contamination of the processed powders with the material of the drums and grinding balls.

Известен способ получения электроконтактного композитного материала на основе меди, включающий механическую обработку смеси порошков меди и тугоплавного металла, в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице, и последующим твердофазным спеканием полученной активированной смеси порошков, отличающийся тем, что механическую обработку смеси порошков проводят в атмосфере аргона при соотношении масс шаров и смеси порошков 20:1-40:1, скорости вращения планетарного диска планетарной мельницы 694-900 об/мин и продолжительности обработки 5-90 мин с получением нанокомпозиционных частиц с размером кристаллитов тугоплавкого металла от 5 нм до 100 мкм, при этом твердофазное спекание ведут в виде искрового плазменного спекания в камере в вакууме или в атмосфере инертного газа с пропусканием через спекаемую смесь порошков импульсного электрического тока 500-5000 А под нагрузкой до 50 МПа, при температуре 700-1000°C и продолжительности спекания 5-15 мин (RU 2645855 С2, опубл. 28.02.2018)A known method of producing an electrocontact composite material based on copper, including mechanical processing of a mixture of powders of copper and refractory metal, in a high-energy ball planetary mill, and subsequent solid-phase sintering of the resulting activated mixture of powders, characterized in that the mechanical processing of the mixture of powders is carried out in an atmosphere of argon at a mass ratio balls and a mixture of powders 20: 1-40: 1, the rotation speed of the planetary disk of the planetary mill 694-900 rpm and the processing time 5-90 minutes to obtain nanocomposite particles with a crystallite size of refractory metal from 5 nm to 100 μm, while solid-phase sintering is carried out in the form of spark plasma sintering in a chamber in a vacuum or in an inert gas atmosphere with a pulsed electric current of 500-5000 A passing through the sintered mixture of powders under a load of up to 50 MPa, at a temperature of 700-1000 ° C and a sintering duration of 5-15 minutes ( RU 2645855 C2, publ. 28.02.2018)

Недостатком способа является длительность обработки при высоких скоростях вращения планетарного диска, приводящее к намолу железа, а также высокое соотношение массы шаров и массы порошков (40:1), что значительно сокращает выход годного порошка.The disadvantage of this method is the duration of processing at high speeds of rotation of the planetary disk, leading to the grinding of iron, as well as a high ratio of the mass of balls and the mass of powders (40: 1), which significantly reduces the yield of suitable powder.

Наиболее близким аналогом является способ получения композиционного материала Cu-SiC с содержанием карбида кремния от 5 до 25 мас. %. Способ включает получение порошковой смеси, содержащей частицы меди и упрочнителя (SiC), размол ее в высокоэнергетической мельнице, последующее холодное компактирование в брикеты, нагрев до определенной температуры и прессование при этой температуре с получением материала, состоящего из матрицы на основе медного твердого раствора и распределенного в ней упрочнителя. В качестве исходных материалов для получения композиционных материалов использовались токарная стружка чистой меди и частицы карбида кремния средним размером 10-40 мкм в качестве упрочнителя. (RU 2202642, опубл. 20.04.2003).The closest analogue is a method for producing a Cu-SiC composite material with a silicon carbide content of 5 to 25 wt. %. The method includes obtaining a powder mixture containing particles of copper and a hardener (SiC), grinding it in a high-energy mill, subsequent cold compaction into briquettes, heating to a certain temperature and pressing at this temperature to obtain a material consisting of a matrix based on a copper solid solution and distributed a hardener in it. As starting materials for obtaining composite materials, we used turning chips of pure copper and silicon carbide particles with an average size of 10-40 microns as a hardener. (RU 2202642, publ. 20.04.2003).

Недостатками известного способа является необходимость проведения на начальном этапе холодного двухстороннего прессования для достижения, по меньшей мерее, 80% теоретической плотности и высокая относительная пористость 5%. Также к недостаткам можно отнести отсутствие свободного графита в составе, при его введении повышаются дугостойкость и износостойкость как самого материала, так и контртела.The disadvantages of this method is the need to carry out at the initial stage of cold double-sided pressing to achieve at least 80% of theoretical density and a high relative porosity of 5%. Also, the disadvantages include the absence of free graphite in the composition; its introduction increases the arc resistance and wear resistance of both the material itself and the counterbody.

Высокая стоимость и 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.The high cost and insufficiently high properties of such materials, and their analogues, limit the use of materials in the production of power breaking and arcing contacts in switches of powerful electrical networks operating under conditions of high currents and high voltages.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение технологии, позволяющее снизить энергозатраты, исключить применение различных активаторов спекания, в части материала - повышение его твердости, снижение пористости и удельного электросопротивленияThe technical result of the proposed invention is to simplify the technology, which makes it possible to reduce energy consumption, to exclude the use of various sintering activators, in terms of the material - to increase its hardness, reduce porosity and electrical resistivity

Технический результат достигается тем, что способ получения композиционного электроконтактного материала включает механическую обработку смеси порошков меди, кремния и углерода в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице с последующим одностадийным реакционным спеканием полученной активированной смеси порошков. Механическую обработку смеси порошков проводят в атмосфере аргона при соотношении масс шаров и смеси порошков 10:1-20:1, скорости вращения планетарного диска планетарной мельницы 300-500 об/мин и продолжительности обработки 60-180 минут с получением реакционных композиционных частиц. Реакционное спекание ведут в виде искрового плазменного спекания в камере в вакууме или в атмосфере инертного газа с пропусканием через спекаемую смесь порошков импульсного электрического тока 500-5000 А под нагрузкой 30-50 МПа, при температуре 700-1000°C и продолжительности спекания 10-30 минут в одну стадию.The technical result is achieved in that the method for producing a composite electrical contact material includes mechanical processing of a mixture of powders of copper, silicon and carbon in a high-energy planetary ball mill, followed by one-stage reaction sintering of the resulting activated powder mixture. Mechanical processing of a mixture of powders is carried out in an argon atmosphere with a mass ratio of balls and a mixture of powders of 10: 1-20: 1, a rotation speed of the planetary disk of a planetary mill of 300-500 rpm and a processing time of 60-180 minutes to obtain reaction composite particles. Reaction sintering is carried out in the form of spark plasma sintering in a chamber in a vacuum or in an inert gas atmosphere with a pulsed electric current of 500-5000 A passing through the sintered mixture of powders under a load of 30-50 MPa, at a temperature of 700-1000 ° C and a sintering duration of 10-30 minutes in one stage.

Композиционный электроконтактный материал, полученный согласно способу, представляет собой композит Cu-(5-50 об.%) SiC, состоящий из кластеров на основе SiC, распределенных в медной матрице, характеризующийся тем, что имеет плотность не менее 99%, твердость по Виккерсу 1-2,5 ГПа, электросопротивление 10-20 мкОм⋅см.The composite electrical contact material obtained according to the method is a Cu- (5-50 vol.%) SiC composite, consisting of clusters based on SiC, distributed in a copper matrix, characterized in that it has a density of at least 99%, a Vickers hardness of 1 -2.5 GPa, electrical resistance 10-20 μOhm⋅cm.

В качестве основных исходных компонентов для получения экспериментальных образцов нанокомпозитных материалов используются порошки металлов: Cu (порошок медный электролитический) марки ПМС-В (ГОСТ 4960-75); Si (порошок кремния) марки КЭФ-4.5 (ГОСТ 19658-81); С (сажа) марки П804Т (ТУ 38-1154-88).The following metal powders are used as the main initial components for obtaining experimental samples of nanocomposite materials: Cu (electrolytic copper powder) grade PMS-V (GOST 4960-75); Si (silicon powder) grade KEF-4.5 (GOST 19658-81); C (carbon black) of grade P804T (TU 38-1154-88).

Примеры получения нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-SiC из реакционной смеси Cu-(Si+C), приведены ниже.Examples of obtaining nanocomposite electrocontact material Cu-SiC from the reaction mixture Cu- (Si + C) are given below.

Пример 1.Example 1.

Получение нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-5% об. SiCObtaining a nanocomposite electrical contact material Cu-5% vol. SiC

Порошки Cu и (Si+C) смешивают при соотношении 95 об.% Cu и 5 об.% (Si+C). Приготовленную смесь подвергают высокоэнергетической механической обработке (ВЭМО) в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения шаровой мельницы 347 об/мин. Соотношение шаров к смеси порошка составляет 10:1. Используют стальные шары 6 мм в диаметре. Время обработки 60 минут.The Cu and (Si + C) powders are mixed at a ratio of 95 vol.% Cu and 5 vol.% (Si + C). The prepared mixture is subjected to high-energy mechanical treatment (HEMO) in a planetary ball mill in an argon atmosphere at a ball mill rotation speed of 347 rpm. The ratio of balls to powder mixture is 10: 1. Steel balls 6 mm in diameter are used. Processing time 60 minutes.

Полученный реакционный композиционный порошок подвергают искровому плазменному спеканию (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 при давлении прессования 50 МПа и спекают образец при температуре 1000°C в течение 10 мин со скоростью подъема температуры 100°C/мин. В результате получают образцы в форме дисков диаметром 15-50 мм и толщиной 3-10 мм.The resulting reaction composite powder is subjected to spark plasma sintering (IPA), for this the powder is placed in a graphite cylindrical mold, fixed between the electrodes, which are simultaneously press punches, the mold is placed in a chamber, a vacuum is created in the chamber, a pulsed sample is passed through the sintered sample. electric current at a pressing pressure of 50 MPa and sintering the sample at a temperature of 1000 ° C for 10 min with a temperature rise rate of 100 ° C / min. As a result, samples are obtained in the form of disks with a diameter of 15-50 mm and a thickness of 3-10 mm.

Благодаря протеканию реакции во время консолидации материала происходит образование фазы карбида кремния, которая увеличивает твердость и стойкость получаемого материала к воздействию электрической дуги.Due to the reaction during the consolidation of the material, a silicon carbide phase is formed, which increases the hardness and resistance of the resulting material to the effects of an electric arc.

Пример 2 аналогичен примеру 1, однако с целью уменьшения размера получаемых композиционных частиц используются размольные шары меньшего диаметра (2 мм) в том же соотношении к массе загрузке (10:1).Example 2 is similar to example 1, however, in order to reduce the size of the resulting composite particles, grinding balls of a smaller diameter (2 mm) are used in the same ratio to the load weight (10: 1).

Пример 3 аналогичен примеру 1, однако ИПС проводят при более низкой температуре и большем времени выдержки - 700°C и 30 минут соответственно.Example 3 is similar to example 1, but the IPA is carried out at a lower temperature and longer holding time - 700 ° C and 30 minutes, respectively.

К преимуществам изобретения можно отнести:The advantages of the invention include:

- упрощение технологии, позволяющее снизить энергозатраты за счет проведения консолидации материала в одну стадию, а также исключить применение различных активаторов спекания;- simplification of the technology, allowing to reduce energy consumption due to the consolidation of the material in one stage, and also to exclude the use of various sintering activators;

- расширение спектра электротехнических композиционных материалов на основе меди;- expanding the range of electrical composite materials based on copper;

- повышение эксплуатационных свойств за счет композиционной структуры предлагаемого материала.- increase in operational properties due to the composite structure of the proposed material.

Потенциальными потребителями материала, полученного по предлагаемому способу, 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.Potential consumers of the material obtained by the proposed method are: the electrical industry, where high electrical conductivity, high mechanical, physical and operational properties are required, such as strength, hardness at room and elevated temperatures, thermal stability, arc resistance, for use in the production of power breaking and vacuum interrupting contacts in switches (breakers) of powerful electrical networks operating in conditions of high currents and high voltages.

Claims (1)

Способ получения электротехнического композиционного материала на основе меди, содержащего частицы карбида кремния, включающий механическую обработку смеси порошков меди, кремния и углерода в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице и последующее реакционное спекание полученной активированной смеси, отличающийся тем, что механическую обработку смеси порошков проводят в атмосфере аргона при соотношении масс шаров и смеси порошков 10:1-20:1, скорости вращения планетарного диска планетарной мельницы 300-500 об/мин и продолжительности обработки 60-180 минут с получением активированной смеси реакционных композиционных частиц, при этом реакционное спекание проводят в виде искрового плазменного спекания в камере в вакууме или в атмосфере инертного газа с пропусканием через спекаемую смесь импульсного электрического тока 500-5000 А под нагрузкой 30-50 МПа при температуре 700-1000°C и продолжительности спекания 10-30 мин.A method of producing an electrical composite material based on copper containing silicon carbide particles, including mechanical treatment of a mixture of powders of copper, silicon and carbon in a high-energy planetary ball mill and subsequent reaction sintering of the resulting activated mixture, characterized in that the mechanical treatment of the mixture of powders is carried out in an argon atmosphere at the ratio of the masses of balls and a mixture of powders is 10: 1-20: 1, the rotation speed of the planetary disk of the planetary mill is 300-500 rpm and the processing time is 60-180 minutes to obtain an activated mixture of reaction composite particles, while the reaction sintering is carried out in the form of a spark plasma sintering in a chamber in a vacuum or in an inert gas atmosphere with passing through the sintered mixture a pulsed electric current of 500-5000 A under a load of 30-50 MPa at a temperature of 700-1000 ° C and a sintering duration of 10-30 minutes.