способ формирования титан-бор-медных покрытий на медных контактных поверхностях

Формула изобретения

Способ формирования титан-бор-медных покрытий на медных контактных поверхностях, включающий размещение на фольге из титана порошковой навески из аморфного бора, электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею медной контактной поверхности при значении поглощаемой плотности мощности 6,5 7,6 ГВт/м² и насыщение оплавленного слоя компонентами плазменной струи, с последующей самозакалкой и формированием композитного покрытия, содержащего диборид титана и медь.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности, в частности к технологии импульсного электровзрывного нанесения беспористых титан-бор-медных покрытий с применением в качестве взрываемого материала тонкой фольги титана и размещенной на ней порошковой навеской аморфного бора, и может быть использовано в электротехнике для формирования контактных поверхностей с высокой электроэрозионной стойкостью.

Известен способ [1] получения молибден-медного композиционного материала (КМ), обладающего высокой электроэрозионной стойкостью, 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.

Недостатком способа формирования материалов для контактов методами порошковой металлургии является его низкая экономическая эффективность, обусловленная формированием объемного материала, в то время как высокой электроэрозионной стойкостью должна обладать только поверхность материала контакта. Процесс получения КМ этим способом длительный во времени. При этом наиболее перспективной альтернативой электро-эрозионностойким молибден-медным KM являются нанокристаллические титан-бор-медные материалы [2].

Наиболее близким к заявляемому является способ [3] газотермического напыления композиционного покрытия TiB₂-Cu. Способ заключается в напылении смеси порошков TiB₂-Cu с размерами частиц 1 50 мкм, которые разгоняют потоком воздуха при давлении 1,6 МПа и температуре 400°С до скоростей 450 580 м/с, при этом температура частиц и подложки не превышает 200°С.

Недостатком использования титан-бор-медных покрытий для контактов, получаемых этим способом, является их пористость, поскольку поры снижают электрическую проводимость покрытия.

Задачей заявляемого изобретения является получение беспористого титан-бор-медного покрытия на контактных поверхностях, обладающего высокой электроэрозионной стойкостью и адгезией покрытия с основой на уровне когезии.

Поставленная задача реализуется способом формирования титан-бор-медных покрытий на медных контактных поверхностях. Способ включает размещение на фольге из титана порошковой навески из аморфного бора, электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею медной контактной поверхности при значении поглощаемой плотности мощности 6,5 7,6 ГВт/м² и насыщение оплавленного слоя компонентами плазменной струи, с последующей самозакалкой и формированием композитного покрытия, содержащего диборид титана и медь.

Структура покрытия, получаемого заявляемым способом, наиболее близка к структуре, получаемой в прототипе. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в том, что в формируемом титан-бор-медном покрытии отсутствует пористость. Покрытие обладает высокой адгезией с основой на уровне когезии. Способ позволяет наносить покрытия на контактные поверхности площадью до 40 см².

Способ поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема импульсного плазменного ускорителя для нанесения титан-бор-медного покрытия на медные контактные поверхности, на фиг.2 - структура покрытия, на фиг.3 - карта распределения элементов в характеристических лучах меди для фиг.2, на фиг.4 - карта распределения элементов в характеристических лучах титана для фиг.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.

Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что после обработки медной контактной поверхности плазменной струей, сформированной из продуктов электрического взрыва титановой фольги с порошковой навеской бора в режиме, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 6,5 7,6 ГВт/м², происходит формирование однородного по глубине слоя титан-бор-медного покрытия, толщиной 20 25 мкм. Слой имеет когезионную связь с материалом контактной поверхности. Указанный режим является оптимальным, поскольку при интенсивности воздействия ниже 6,5 ГВт/м² не происходит интенсивного перемешивания компонентов струи с медной основой, вследствие чего частицы меди неравномерно распределяются по объему покрытия, а выше - 7,6 ГВт/м² происходит формирование развитого рельефа поверхности вследствие течения расплава под действием неоднородного давления струи продуктов взрыва, что ухудшает качество поверхности формируемого покрытия.

Методом рентгеноспектрального микроанализа получены карты распределения элементов меди и титана по толщине сформированного покрытия (фиг.3, фиг.4), которые показывают химическую однородность сформированных покрытий. Распределение бора данным способом не выявляется. Рентгеноструктурные исследования показали, что во всех режимах обработки формируются поверхностные слои, содержащие преимущественно TiB₂ и Сu, а также Ti₂B, Тi₃В₄, TiB. Содержание меди в покрытии при использованных режимах обработки не изменяется.

Указанные приемы формирования титан-бор-медного 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.

Импульсное смешивание компонентов проводили при стехиометрическом соотношении титана и бора 1:2 для получения диборида титана в поверхностном слое медного электрического контакта типа ККТ. Для этого в качестве исходных материалов использовали тонкую фольгу технически чистого титана марки ВТ1-0 массой 90 мг с размещенной на ней порошковой навеской аморфного бора массой 41 мг. Оплавление медной контактной поверхности проводили при значении поглощаемой плотности мощности 6,5 ГВт/м². При этом происходило насыщение поверхностного слоя электрического контакта компонентами плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композитной структуры.

На поверхности контакта получили титан-бор-медное покрытие толщиной 30 мкм с равномерно распределенными частицами диборида титана в медной матрице, содержащее 20 об.% Сu и 70 об.% TiB₂, контакта типа ККТ, обладающее высокой электроэрозионной стойкостью и когезионной связью с основой.

Пример 2.

Импульсное смешивание компонентов проводили при стехиометрическом соотношении титана и бора 1:2 для получения диборида титана в поверхностном слое медного электрического контакта типа ККТ. Для этого в качестве исходных материалов использовали тонкую фольгу технически чистого титана марки ВТ1-0 массой 90 мг с размещенной на ней порошковой навеской аморфного бора массой 41 мг. Оплавление медной контактной поверхности проводили при значении поглощаемой плотности мощности 7,6 ГВт/м² . При этом происходило насыщение поверхностного слоя электрического контакта компонентами плазменной струи с последующей самозакалкой и формированием композитной структуры.

На поверхности контакта получили титан-бор-медное покрытие толщиной 30 мкм с равномерно распределенными частицами диборида титана в медной матрице, содержащее 20 об.% Сu и 70 об.% TiB₂, контакта типа ККТ, обладающее высокой электроэрозионной стойкостью и когезионной связью с основой.

Источники информации

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

2. Lomovskii O.I., Maly V.I., Dudina D.V. et al. Preparation and Electrical Erosion Resistance of TiB₂/Cu // Nanocomposites Inorganic Materials. 2006. Vol.42. No.7. P.739-743.

3. Cold spraying of in situ produced TiB₂-Cu nanocomposite powders / J.S.Kirn, Y.S.Kwon, O.I.Lomovsky et al. // Composites Science and Technology. - 2007. - Vol.67. - Issues 11-12. - September. - P.2292-2296.