способ нанесения композиционного ламинатного молибден-медного покрытия на медную контактную поверхность

Формула изобретения

Способ нанесения композиционного многослойного ламинатного молибден-медного покрытия на медные контактные поверхности, включающий использование концентрированных потоков энергии для испарения исходных материалов молибдена и меди и конденсацию их на контактную поверхность, отличающийся тем, что в качестве исходных материалов используют тонкие фольги молибдена и меди, при этом осуществляют нанесение чередующихся слоев молибдена и меди при последовательном пропускании через фольги электрического тока, вызывающего электрический взрыв сначала молибденовой, а затем медной фольги, конденсацию продуктов взрыва на контактную поверхность осуществляют при значении поглощаемой плотности мощности 4,1 4,5 и 3,7 3,9 ГВт/м² соответственно, причем толщину слоев изменяют путем изменения массы взрываемой фольги.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности, в частности к технологии импульсного электровзрывного нанесения псевдосплавных молибден-медных покрытий с применением в качестве взрываемого материала тонких фольг меди и молибдена, и может быть использовано в электротехнике для формирования контактных поверхностей с высокой эрозионной стойкостью.

Известен способ [1] получения молибден-медного композиционного материала (КМ), относящийся к порошковой металлургии. Способ заключается в приготовлении шихты путем размола и перемешивания промышленных порошков, прессовании, спекании. Спекание производят поэтапно в среде водорода, первоначальный нагрев осуществляют до температуры восстановительной выдержки не менее 800°С, выдерживают при этой температуре не менее 1 ч и продолжают нагрев до окончательной температуры спекания со скоростью не более 10°С в минуту и выдерживают при этой температуре в течение не менее 0,5 ч, причем приготовление шихты осуществляют в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице, обеспечивающей центростремительное ускорение мелющих тел не менее 40 g, в течение не менее 10 мин, прессование производят усилием не более 150 МПа.

Молибден-медные КМ обладают высокой эрозионной стойкостью [2] и используются для получения контактов средне- и тяжелонагруженных выключателей коммутационных аппаратов [3]. Недостатком использования материалов для контактов, получаемых методами порошковой металлургии, является их низкая экономическая эффективность, обусловленная тем, что высокой эрозионной стойкостью должна обладать только поверхность, а не весь объем материала контакта. Процесс получения КМ этим способом длительный во времени, а получение КМ покрытий невозможно.

Наиболее близким к заявляемому является способ [4] вакуумного конденсационного напыления (ВКН) КМ на основе меди и молибдена для электрических контактов путем высокоскоростного электронно-лучевого испарения металлов в вакууме и последующей конденсации парового потока на предварительно подогретую подложку. Способ [4] включает испарение подложки из меди и молибдена электронно-лучевыми нагревателями. Блок испарения состоит из двух тиглей диаметрами 100 и 70 мм, предназначенных для испарения меди и молибдена соответственно. Способ позволяет получать массивные конденсированные КМ и формировать псевдосплавные покрытия молибден-медь на рабочей поверхности контактов.

Недостатком КМ покрытий, сформированных ВКН, является их низкая адгезия с основой, поскольку поатомное осаждение молибдена и меди не вызывает предплавильное состояние контактной поверхности, в связи с чем при замыкании и размыкании средне- и тяжелонагруженных контактов возможно отслоение покрытий.

Задачей заявляемого изобретения является получение композиционного многослойного ламинатного [5] молибден-медного покрытия на контактных поверхностях, обладающего высокой адгезией на уровне когезии как покрытия с основой, так и между слоями меди и молибдена, при сохранении высокой эрозионной стойкости КМ молибден-медь.

Поставленная задача реализуется способом нанесения композиционного ламинатного молибден-медного покрытия на медную контактную поверхность. Способ заключается в использовании концентрированных потоков энергии для испарения исходных материалов молибдена и меди и конденсации их на контактную поверхность. В качестве исходных материалов используют тонкие фольги молибдена и меди, при этом осуществляют нанесение чередующихся слов молибдена и меди при последовательном пропускании через фольги электрического тока, вызывающего электрический взрыв сначала молибденовой, а затем медной фольги, конденсацию продуктов взрыва на контактную поверхность осуществляют при значении поглощаемой плотности мощности 4,1 4,5 и 3,7 3,9 ГВт/м² соответственно, причем толщину слоев изменяют путем изменения массы взрываемой фольги.

Структура покрытия, получаемого заявляемым способом, наиболее близка к псевдосплавам, получаемым методом ВКН. По толщине слоев меди и молибдена. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в том, что формируемое композиционное многослойное ламинатное молибден-медное покрытие обладает высокой адгезией на уровне когезии как покрытия с основой, так и между слоями молибдена и меди. Способ позволяет экономически эффективно наносить покрытия на небольшие контактные поверхности. Время формирования одного слоя покрытия составляет 100 мкс. Необходимое количество слоев чередуют путем последовательного нанесения молибдена и меди. Способ позволяет наносить произвольное количество слоев молибдена и меди, образующих покрытие.

Способ поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема импульсного плазменного ускорителя для нанесения композиционного многослойного ламинатного молибден-медного покрытия на контактные поверхности, на фиг.2 - композиционное многослойное ламинатное молибден-медное покрытие, полученное в примере 1, на фиг.3 - композиционное многослойное ламинатное молибден-медное покрытие, полученное в примере 2.

Плазменный ускоритель состоит из коаксиально-торцевой системы токоподводящих электродов - внутреннего электрода 1, внешнего электрода 2, разделенных изолятором 3, и разрядной камеры 4, локализующей продукты взрыва и переходящей в сопло, по которому они истекают в вакуумируемую технологическую камеру. Электровзрыв происходит в результате пропускания через проводник 5 тока большой плотности при разряде конденсаторной батареи.

Продукты взрыва с помощью плазменного ускорителя направляются на контактную поверхность. Формирование композиционного многослойного ламинатного молибден-медного покрытия с адгезией на уровне когезии как покрытия с основой, так и между слоями меди и молибдена происходит при последовательном нанесении молибдена и меди многофазной плазменной струей с последующим теплоотводом в материал контактной поверхности.

Исследования методом световой микроскопии показали, что после нанесения первого слоя плазменной струей, сформированной из продуктов электрического взрыва молибденовой фольги в режиме, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 4,1 4,5 ГВт/м², происходит нанесение однородного по глубине слоя молибдена, толщину которого можно изменять пропорционально массе фольги. На границе молибденового слоя с медной основой вследствие силового воздействия плазменной струи формируется рельеф, который увеличивает адгезию. Указанный режим является оптимальным, поскольку при интенсивности воздействия ниже 4,1 ГВт/м² не происходит образование рельефа между слоем молибдена и основой, вследствие чего возможно отслаивание покрытия, а выше - 4,5 ГВт/м² происходит перемешивание соседних слоев вследствие течения расплава под действием неоднородного давления струи продуктов взрыва и ухудшение качества облучаемой поверхности.

После нанесения второго слоя плазменной струей, сформированной из продуктов электрического взрыва медной фольги, при поглощаемой плотности мощности 3,7 3,9 ГВт/м² происходит нанесение однородного по глубине слоя меди, толщину которого можно изменять пропорционально массе фольги. Указанный режим, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 3,7 3,9 ГВт/м², установлен эмпирически и является оптимальным, поскольку при интенсивности воздействия ниже 3,7 ГВт/м² не происходит образование рельефа между слоями меди и молибдена, вследствие чего возможно их отслаивание, а выше - 3,9 ГВт/м² происходит искажение границы раздела между соседними слоями. Композиционное многослойное ламинатное молибден-медное покрытие формируется при последовательном нанесении слоев меди и молибдена в указанных режимах (фиг.2, фиг.3). Необходимое количество слоев можно чередовать путем последовательного нанесения молибдена и меди в указанных режимах.

Указанные приемы формирования композиционного покрытия не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники, и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.

Примеры конкретного осуществления способа:

Пример 1.

Использовали концентрированный поток энергии для испарения исходных материалов молибдена и меди и конденсации их на контактную поверхность. В качестве исходных материалов использовали тонкие фольги молибдена и меди, испарение осуществляли при последовательном пропускании по ним электрического тока, вызывающего электрический взрыв сначала молибденовой, а затем медной фольги. Эффективное значение тока составляло 0,88·10 ⁶ и 2,54·10⁶ А для молибденовой и медной фольги соответственно. Конденсацию продуктов взрыва на медную контактную поверхность осуществляли при значении поглощаемой плотности мощности 4,1 и 3,7 ГВт/м² соответственно. Путем последовательного нанесения молибдена и меди в указанных режимах получили композиционное многослойное ламинатное молибден-медное покрытие, состоящее из четырех слоев: слои молибдена, слой меди, слои молибдена, слой меди (фиг.2). Взрываемые фольги имели толщину 15 мкм и массу 170 и 150 мг для молибденовой и медной фольги соответственно. Контактная поверхность была выполнена из меди.

Покрытие обладает высокой адгезией на уровне когезии как покрытия с основой, так и между солями меди и молибдена, поскольку вследствие силового воздействия плазменной струи формируется рельеф, при сохранении высокой эрозионной стойкости КМ молибден-медь.

Пример 2.

Использовали концентрированный поток энергии для испарения исходных материалов молибдена и меди и конденсации их на контактную поверхность. В качестве исходных материалов использовали тонкие фольги молибдена и меди, испарение осуществляли при последовательном пропускании по ним электрического тока, вызывающего электрический взрыв сначала молибденовой, а затем медной фольги. Эффективное значение тока составляло 0,93·10 ⁶ и 2,61·10⁶ А для молибденовой и медной фольги соответственно. Конденсацию продуктов взрыва на медную контактную поверхность осуществляли при значении поглощаемой плотности мощности 4,5 и 3,9 ГВт/м² соответственно. Путем последовательного нанесения молибдена и меди в указанных режимах получили композиционное многослойное ламинатное молибден-медное покрытие, состоящее из четырех слоев: слои молибдена, слой меди, слои молибдена, слой меди (фиг.3). Взрываемые фольги имели толщину 15 мкм и массу 350 и 300 мг для молибденовой и медной фольги соответственно. Контактная поверхность была выполнена из меди.

Покрытие обладает высокой адгезией на уровне когезии как покрытия с основой, так и между солями меди и молибдена, поскольку вследствие силового воздействия плазменной струи формируется рельеф, при сохранении высокой эрозионной стойкости КМ молибден-медь.

Источники информации

1. Пат. RU № 2292988, кл. H01R 11/00, кл. B22F 3/12, С22С 1/04 Российская Федерация. Способ получения молибден-медного композиционного материала. / Г.А.Тихий [и др.] // 10.02.2007.

2. Францевич И.Н. Электрические контакты, получаемые методами порошковой металлургии. / И.Н.Францевич // Порошковая металлургия. 1980. № 8. С.36-47.

3. Гречанюк Н.И. Композиционные материалы на основе меди и молибдена для электрических контактов, конденсированные из паровой фазы. Структура, свойства. Технология. Часть 1. Современное состояние и перспективы применения технологии электронно-лучевого высокоскоростного испарения-конденсации для получения материалов электрических контактов. / Н.И.Гречанюк, В.А.Осокин, И.Н.Гречанюк и др. // Современная электрометаллургия. 2005. № 2. С.28-35.

4. Гречанюк Н.И. Композиционные материалы на основе меди и молибдена для электрических контактов, конденсированные из паровой фазы. Структура, свойства. Технология. Часть 2. Основы электронно-лучевой технологии получения материалов для электрических контактов. / Н.И.Гречанюк, В.А.Осокин, И.Н.Гречанюк и др. // Современная электрометаллургия. 2006. № 2. С.9-19.

5. Мэттьюз М. Композиционные материалы. Механика и технология. / М.Мэттьюз, Р.Ролингс // Техносфера. Москва. 2004. С.19-21.