RU2739493C1 - Способ получения композиционного электроконтактного материала Cu-SiC - Google Patents
Способ получения композиционного электроконтактного материала Cu-SiC Download PDFInfo
- Publication number
- RU2739493C1 RU2739493C1 RU2020121495A RU2020121495A RU2739493C1 RU 2739493 C1 RU2739493 C1 RU 2739493C1 RU 2020121495 A RU2020121495 A RU 2020121495A RU 2020121495 A RU2020121495 A RU 2020121495A RU 2739493 C1 RU2739493 C1 RU 2739493C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mixture
- powders
- sintering
- minutes
- copper
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/12—Both compacting and sintering
- B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
-
- 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
- C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
-
- 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
- C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
- C22C1/051—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor
-
- 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
- C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
- C22C1/051—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor
- C22C1/053—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor with in situ formation of hard compounds
-
- 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
- C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
- C22C1/058—Mixtures of metal powder with non-metallic powder by reaction sintering (i.e. gasless reaction starting from a mixture of solid metal compounds)
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C9/00—Alloys based on copper
-
- 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)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Contacts (AREA)
Abstract
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению электротехнического композиционного материала на основе меди, содержащего частицы карбида кремния. Может использоваться в производстве силовых разрывных электрических контактах, в переключателях мощных электрических сетей и вакуумных дугогасительных камерах. Порошки меди, кремния и углерода подвергают совместной механической обработке в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице 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. Полученную смесь реакционных композиционных частиц подвергают искровому плазменному спеканию 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 минут. Обеспечивается повышение твердости композиционного материала, снижение его пористости и удельного электросопротивления. 3 пр.
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.
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).
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.
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).
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.
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)
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.
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).
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.
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.
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 электросопротивления
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.
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.
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).
Примеры получения нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-SiC из реакционной смеси Cu-(Si+C), приведены ниже.
Пример 1.
Получение нанокомпозиционного электроконтактного материала Cu-5% об. 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.
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.
Благодаря протеканию реакции во время консолидации материала происходит образование фазы карбида кремния, которая увеличивает твердость и стойкость получаемого материала к воздействию электрической дуги.
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).
Пример 3 аналогичен примеру 1, однако ИПС проводят при более низкой температуре и большем времени выдержки - 700°C и 30 минут соответственно.
К преимуществам изобретения можно отнести:
- упрощение технологии, позволяющее снизить энергозатраты за счет проведения консолидации материала в одну стадию, а также исключить применение различных активаторов спекания;
- расширение спектра электротехнических композиционных материалов на основе меди;
- повышение эксплуатационных свойств за счет композиционной структуры предлагаемого материала.
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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020121495A RU2739493C1 (ru) | 2020-06-29 | 2020-06-29 | Способ получения композиционного электроконтактного материала Cu-SiC |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020121495A RU2739493C1 (ru) | 2020-06-29 | 2020-06-29 | Способ получения композиционного электроконтактного материала Cu-SiC |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2739493C1 true RU2739493C1 (ru) | 2020-12-24 |
Family
ID=74062917
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020121495A RU2739493C1 (ru) | 2020-06-29 | 2020-06-29 | Способ получения композиционного электроконтактного материала Cu-SiC |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2739493C1 (ru) |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0349515A3 (fr) * | 1988-06-29 | 1990-12-05 | CENTRE DE RECHERCHES METALLURGIQUES CENTRUM VOOR RESEARCH IN DE METALLURGIE Association sans but lucratif | Matériau composite à base de cuivre pour contacts électriques fortement sollicités, procédés de fabrication de ce matériau et organe de contact s'en composant |
US6024896A (en) * | 1997-03-07 | 2000-02-15 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Contacts material |
RU2202642C1 (ru) * | 2001-09-26 | 2003-04-20 | Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет) | Способ изготовления композиционного материала на основе меди и композиционный материал, изготовленный этим способом |
US6844085B2 (en) * | 2001-07-12 | 2005-01-18 | Komatsu Ltd | Copper based sintered contact material and double-layered sintered contact member |
CN101885060A (zh) * | 2010-06-22 | 2010-11-17 | 上海中希合金有限公司 | 高性能铜-金刚石电触头材料及其制造工艺 |
RU2525882C2 (ru) * | 2012-12-24 | 2014-08-20 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" (Сфу) | Композиционный электроконтактный материал на основе меди и способ его получения |
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 |
RU2645855C2 (ru) * | 2016-06-28 | 2018-02-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Способ получения электроконтактного композитного материала на основе меди, содержащего кластеры на основе частиц тугоплавкого металла |
-
2020
- 2020-06-29 RU RU2020121495A patent/RU2739493C1/ru active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0349515A3 (fr) * | 1988-06-29 | 1990-12-05 | CENTRE DE RECHERCHES METALLURGIQUES CENTRUM VOOR RESEARCH IN DE METALLURGIE Association sans but lucratif | Matériau composite à base de cuivre pour contacts électriques fortement sollicités, procédés de fabrication de ce matériau et organe de contact s'en composant |
US6024896A (en) * | 1997-03-07 | 2000-02-15 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Contacts material |
US6844085B2 (en) * | 2001-07-12 | 2005-01-18 | Komatsu Ltd | Copper based sintered contact material and double-layered sintered contact member |
RU2202642C1 (ru) * | 2001-09-26 | 2003-04-20 | Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет) | Способ изготовления композиционного материала на основе меди и композиционный материал, изготовленный этим способом |
CN101885060A (zh) * | 2010-06-22 | 2010-11-17 | 上海中希合金有限公司 | 高性能铜-金刚石电触头材料及其制造工艺 |
RU2525882C2 (ru) * | 2012-12-24 | 2014-08-20 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" (Сфу) | Композиционный электроконтактный материал на основе меди и способ его получения |
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 |
RU2645855C2 (ru) * | 2016-06-28 | 2018-02-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Способ получения электроконтактного композитного материала на основе меди, содержащего кластеры на основе частиц тугоплавкого металла |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102393229B1 (ko) | 텅스텐 모노카바이드(wc) 구형 분말의 제조 | |
Biyik | Influence of type of process control agent on the synthesis of Ag8ZnO composite powder | |
Xie et al. | Erosion of Cu–Ti3SiC2 composite under vacuum arc | |
Zhou et al. | Effects of different atmospheres on the arc erosion behaviors of Ti3SiC2 cathodes | |
KR970004578B1 (ko) | 진공회로차단기용 접점재료의 제조방법 | |
RU2597204C1 (ru) | Нанокомпозиционный электроконтактный материал и способ его получения | |
Shkodich et al. | Preparation of copper–molybdenum nanocrystalline pseudoalloys using a combination of mechanical activation and spark plasma sintering techniques | |
Lungu et al. | Development of W-Cu-Ni electrical contact materials with enhanced mechanical properties by spark plasma sintering process | |
WO2015045547A1 (ja) | 炭化ジルコニウムのインゴット及び粉末の製造方法 | |
RU2739493C1 (ru) | Способ получения композиционного электроконтактного материала Cu-SiC | |
Guo et al. | Relationship between the MgOp/Cu interfacial bonding state and the arc erosion resistance of MgO/Cu composites | |
Jones et al. | Plasma activated sintering (PAS) of tungsten powders | |
JP2014019584A (ja) | 六ホウ化ランタン焼結体、その製造方法、六ホウ化ランタン膜及び有機半導体デバイス | |
RU2202642C1 (ru) | Способ изготовления композиционного материала на основе меди и композиционный материал, изготовленный этим способом | |
Chmielewski et al. | Relationship between mixing conditions and properties of sintered 20AlN/80Cu composite materials | |
JP2001158901A (ja) | 電気接点及び電極用の合金並びにその製造方法 | |
CA1127828A (fr) | Procede d'elaboration d'une ceramique dense en carbure de silicium | |
RU2645855C2 (ru) | Способ получения электроконтактного композитного материала на основе меди, содержащего кластеры на основе частиц тугоплавкого металла | |
Kim et al. | Properties of Cu-based nanocomposites produced by mechanically-activated self-propagating high-temperature synthesis and spark-plasma sintering | |
Zhou et al. | Arc erosion properties of WCu material reinforced with Ti3SiC2 under different applied voltages | |
RU2706013C2 (ru) | Нанокомпозитные материалы на основе металлических псевдосплавов для контактов переключателей мощных электрических сетей с повышенными физико-механическими свойствами | |
JPH0470380B2 (ru) | ||
JP2004169064A (ja) | 銅−タングステン合金およびその製造方法 | |
Zhang et al. | Properties of nanocrystalline CuCr50 contact material | |
RU2769344C1 (ru) | Материал для дугогасительных и разрывных электрических контактов на основе меди и способ его изготовления |