8.3. Матеріали для електричних контактів

Вимоги, що пред'являються до контактних матеріалами

Електричні контакти знаходять широке застосування в електротехнічної, електронної і радіотехнічної промисловості в різних пристроях, що передають, що регулюють і комутуючих струмові навантаження і напруги. Електричним контактом називають поєднання двох провідників, що забезпечує надійне проходження струму силою від часток мікроампера до десятків тисяч ампер, при експлуатації в різних умовах (низькі та високі температури, наявність вологості, високі тиску і глибокий вакуум і т. п.). Тому до контактним матеріалами пред'являються вимоги, часто виключають одна одну, наприклад високі твердість і тугоплавкої при високих тепло-і електропровідності.

Загалом вимоги, пропоновані до електроконтактні матеріалами, можна розділити на чотири групи. Перша група об'єднує вимоги по електричним властивостям, другий - по фізичним, третій - за механічним, четверта - з хімічних. Згідно з вимогами 'з електричними властивостями, матеріали повинні мати високу Дугостойкость, не бути схильними до зварювання, мостікообразованію та переносу матеріалу в дузі, мати низькі контактна і перехідний опору, хорошу пріраба-тиваемость; за фізичними властивостями - мати низький питомий Електроопір і високу теплопровідність, високі температури плавлення і кипіння, низьку пружність пари, високі теплоємність, критичні значення сили струму і напруги, роботу виходу електронів і поверхневий натяг на кордоні рідкий метал - газ; за механічними властивостями - високі міцнісні характеристики на холоді і при високій температурі (твердість, опірність розриву і зім'яту, втомна міцність і термостійкість, високі пластичність і в'язкість); за хімічними властивостями - корозійну стійкість в різних середовищах в широкому діапазоні температур, малу схильність до розчинення газів, високу летючість оксидів і сульфідів і високий електрохімічний потенціал.

Вимоги, що пред'являються до електроконтактні матеріалами, ускладнюються тим, що їм іноді необхідно додатково надавати високі антифрикційні або певні магнітні властивості.

Традиційними металургійними методами отримання електроконтактів матеріалів не вдається виготовити матеріал, що володіє різноманітним і суперечливим комплексом необхідних властивостей. Тому, сучасні електроконтактні матеріали в основному є порошковими композиційними. До них відносяться: дисперсно-зміцнені, волокнисті матеріали і псевдосплави, виготовлені методами порошкової металургії. Ці матеріали дозволяють практично в повному обсязі виконати комплекс вимог, що пред'являються до електроконтактні матеріалами.

Технологічні прийоми виробництва електричних контактів методами порошкової металургії дуже різноманітні, вони забезпечують можливість отримання виробів не тільки заданого хімічного складу, але і з заданою структурою, що визначає оптимальне поєднання властивостей.

Класифікація, властивості та призначення електричних контактів і контактних матеріалів

По виду виконуваних робіт електричні контакти можна розділити на розривні і ковзні.

Розривні контакти - найбільш численна група електричних контактів, які експлуатуються в різних умовах, періодично коммутіруя ланцюга електричного струму. Робота розривних контактів, яка полягає в замиканні, розмиканні і перемиканні електричних ланцюгів, супроводжується дуговими і іскровим процесами, що приводять до поступового руйнування контактних матеріалів за рахунок виділення енергії в обсязі контактів і на їх поверхні. Енергія, що виділяється у вигляді теплоти, нагріває контакти, що знижує їх міцності властивості за рахунок рекристалізації та пластичної деформації, а також прискорює проходження хімічних процесів. Це призводить до того, що матеріал може руйнуватися в результаті: 1) корозії, яка виникає при хімічної реакції під час виникнення іскри або дуги; 2) ерозії, тобто перенесення металу з контакту на контакт при проходженні електричного струму; 3) механічного зносу , що викликається руйнуванням матеріалу під дією ударів і тертя контактів один про одного.

При корозії контактів утворюються оксидні, нітрідние та інші плівки, які погіршують експлуатаційні властивості контактів, особливо електропровідність. Плівки утворюються в результаті хімічної взаємодії матеріалу контакту з киснем і азотом повітря. Під час експлуатації у вологому середовищі спостерігається процес електрохімічної корозії. Для підвищення корозійної стійкості в композиційні контактні матеріали вводять нікель, срібло, мідь та їх сплави.

Рис. 71 Концентраційна залежність ерозії вольфрамомедних (1) і вольфрамосеребрянних (2) контактів, пропікой.

Ерозія викликає основний знос контактних матеріалів і залежить від струмового навантаження матеріалу контактів. У чистому матеріалі при розвитку електричної дуги з'являються краплі розплаву, які частково розприскуються, рівномірно руйнуючи поверхню, яка стає шорсткою. В композиційному матеріалі кістяк із тугоплавкого металу приховується від електродуги ерозії випарних охолодженням нізкоплавкіх компонентів. Цим пояснюється мінімальна ерозія вольфрамомедних і вольфрамосеребрянних контактів, що містять 60-80% вольфраму (рис. 71). Ступінь електродугової ерозії залежить також від дисперсності вольфрамового (молібденового) порошку. Мінімальну ерозію мають контакти з вольфрамового порошку з розміром частинок -2-8 мкм. Збільшення середнього розміру частинок порошку до 25 мкм збільшує електродугової ерозію втричі. Істотний вплив на ерозійну стійкість композиційних матеріалів роблять також способи їх виготовлення і розподілу компонентів.

Механічний знос контактних матеріалів залежить від межі їх міцності на вигин, втомної міцності і твердості.

Ковзні контакти забезпечують безперервну комутацію струму між рухливою і нерухомою частинами електричних машин, апаратів і приладів. До ковзаючим контактам належать, наприклад, колектор, кільця та щітки електричних машин, обмотки і повзунки реостатів і потенціометрів, струмознімачі пантографом електропоїздів. Для ковзних контактів характерне безперервне тертя і швидкий знос контактуючих поверхонь. Тому матеріали ковзних контактів повинні володіти антифрикційними властивостями.

За силою комутованих струмів контакти поділяються на слабо-і сільноточние і мало-, середньо-і важко навантажені.

До слабкострумних відносяться контакти, що працюють при силі струму від 10 ~ 6 до 10, до сільноточним - від 10 до кількох тисяч ампер. Така класифікація контактів не відображає у повному обсязі умов їх роботи. Тому зручніше класифікувати контакти по електричної навантаженні, що визначає величину ерозії матеріалу. Так, до малоіагруженним відносяться контакти, що працюють при силі струму до 10 А, ерозія в них обумовлюється плавленням контактної точки і утворенням рідких містків. У деяких випадках з'являється «коротка» дуга, яка викликає перенесення матеріалу з анода на катод.

До средненагруженним (сила струму до 100А) відносяться контакти, між якими в процесі роботи виникає дуга, яка призводить до зносу, в основному катода, за рахунок бомбардування його катіонами. У цьому випадку також відбувається і корозія за рахунок сильного окислення анода.

До важко навантаженим (сила струму понад 100 А) відносяться контакти, знос яких визначається термічним впливом дуги, внаслідок чого матеріал контакту плавиться, розбризкується і випаровується. Відбувається сильне окислення поверхні контактів.

Найбільш широко застосовуються в СРСР і за кордоном порошкові електроконтактні матеріали, їх склад і властивості наведено в табл. 62.

Таблиця 62. Склад і властивості деяких порошкових матеріалів для виготовлення розривних контактів

				Удельное
		Плот-	Твердость	электросо-
Марка	Состав, %	ность,	по Бринелю	противление
		г/см3	НВ	р.10е, Омм
	Контакты для тяжело нагруженных высоко-
и	низковольтных электрокоммутирующих		аппаратов
КМК-Б20	50W + 47,'5Cu + 2,5Ni	12,1	120—150	0,070
КМК-Б21	70W + 26,5Cu + 3,5Ni	14,0	180—210	0,080
КМК-Б22	70W + 28Cu + 2,0Ni	15,5	240	0,100
КМК-Б23	80W + 17Cu + 3Ni	15,0	530	0,104
КМК-А60	50W + 47,5Ag + 2,5Ni	13,5	100—140	0,041
КМК-А61	70W + 26,5Ag + 3,5Ni	15,0	170—210	0,045
кмк-жм	70Fe + 30Cu	7,8	120	0,015
кмк-жмв	70Fe + 27Cu + 3Bi	7,6	80	0,016
	Контакты для средне- и тяжело нагру		женных
н из ко воль тных электрокоммутирующ их			аппаратов
KMK-A00	99,9Ag	10,0	30—50	0,019
КМК-А10М	85Ag + 15CdO	9,7	80—105	0,028
КМК-А20М	90 Ag + ЮСиО	9,6	55—75	0,025
КМК-АЗО	70Ag + 30Ni	9,6	55—75	0,030
КМК-А30М	70Ag + 30Ni	9,7	75—105	0,029
КМК-А31	60Ag + 40Ni	9,5	60—80	0,035
КМК-А31М	60Ag + 40Ni	9,5	80—105	0,035
КМК-А32	68Ag + 29Ni + 3C	8,7	45—65	0,045
КМК-А40	95Ag + 5C	8,5	25—40	0,037
КМК-А50	76,5Ag + 0,8Ni + 22,3Cd + + 0,4Fe 50W + 47,5Ag + 2,5Ni	9,6	50—70	0,070
КМК-А60		13,5	100—140	0,041
КМК-Б20	50W + 47,5Cu + 2,5Ni	12,1	120—150	0,070
МГ-3	97Cu + 3C	7,0	20—35	0,040
МГ-5	95Cu 4- 5C	6,5	15—30	0,050
Кадмиевая	99Cu4- lCd	8,7	100	0,023
бронза
СН-50	50Ag + 50Ni	9,6	115	0,036
СН-70	30Ag + 70Ni	9,3	135	0,045
К	онтакты для слаботочных эле приборов	ктрокоммъ	тирующих
СН-30	70Ag 4- 30Ni	9,7	70	0,024
(проволока)
мсц-з	97Ag 4- 8Zr	10	80	0,0185
СПдЗ-17	55Ag + 28Pd 4- 17Au	11,5	90	0,200
СНФ-30	70Ag + 30 пермаллой	9,3	60	0,090
СЩН5-3	67Ag + 25Pd + 5Ni 4- 3C	10	70	0,180
ПрС-70	70Ag 4- 30Pd	10,8	100	0,120
(проволока)
ПдСН-70—3	70Ag + 25Pd + 5Ni	10,6	100	0,150
(проволока)

Характеристика вихідних компонентів, їх призначення і підготовка

На працездатність контактних матеріалів істотно впливає їх стійкість в дугового розряду, яка залежить від критичної сили струму і-напруги при виникненні дуги. Чисельні значення цих характеристик знижуються з підвищенням температури,

погіршенням стану поверхні контакту (окислення, наявність домішок, збільшення шорсткості і т. п.), про що свідчать дані табл. 63

Таблиця 63. Сила струму, напруга і знос деяких матеріалів при дугообразованіі

	Критическая сила тока, А, при				Характери-
Материал	напряжении		в цепи,	i	стическое	Уменьшение
					напряжение, В
	25	50	110	220
Медь		1,3	0,9	0,5	12,3	0,045
Серебро	1,7	1,0	0.6	0,25	11,5	0,170
Графит	—	5,0	0,7	0,1	18,0	0,0013
Вольфрам	12,5	4,0	1,8	1.4	10,0	0,070
Молибден	18,0	3,0	2,0	1,0	17,0	0,010
Никель	—	1,2	1,0	0,7	14,0	0,020
Железо	—	1,5	1,0	0,5	12,0	—
Цинк	0,5	0,5	0,5	0,5	11,0	—
Золото	1,7	1,5	0,5	0,5	15,0	—
Платина	4,0	2,0	1,0	0,5	16,0	0,130
Палладий	3,5	1,5	1,0	0,5	12,0	—

Чисті метали не задовольняють всім вимогам, що пред'являються до контактних матеріалів, тому для виготовлення останніх застосовують складні сполуки, що містять метали, тугоплавкі з'єднання, волокна і ниткоподібні кристали. У загальному випадку контактний матеріал повинен являти собою композицію, що містить електро-і теплопровідність компоненти, а також тугоплавкий, жароміцний і дугогасящій компоненти. Крім того, в композицію можна вводити речовини, що додають спеціальні властивості. Наприклад, додавання деяких оксидів РЗЕ дозволяє більш рівномірно розподіляти дугового розряд з площі контакту, а додавання дисперсно-зміцнюючих часток - підвищити зносостійкість матеріалу.

Порошок, що застосовуються для виготовлення контактів, можна розділити на три групи: 1) легкоплавкі метали та сплави з високими електро-і теплопровідність; 2) тугоплавкі метали та з'єднання з високою ерозійної стійкістю; 3) метали та сполуки, що підсилюють спеціальні властивості контактних матеріалів.

До першої групи належать мідь, срібло та їх сплави (зазвичай використовуються випускаються промисловістю порошки міді та срібла), до другої - тугоплавкі метали (вольфрам, молібден, нікель, хром та інші), оксиди вольфраму, заліза, молібдену, карбіди, Бориди, силіцидів та інші сполуки, що мають високу ерозійної стійкістю і дугогасящімі властивостями, до третьої - елементи, визивающіе.дісперсное зміцнення матеріалів (наприклад, цирконій і титан в міді утворюють зміцнюючої фазу - інтерметаліди Сщ2т і СщТ!; дисперсно-зміцнюють частинки - оксиди алюмінію, торію ; спеціальні добавки - оксиди РЗЕ, нітрид бору та ін.)

Найбільш поширені у виробництві електричних контактів металеві порошки, одержувані методом відновлення оксидів металів або їх солей воднем або водородсодер-жащімі газами. Цим методом виробляють порошки вольфраму, молібдену, нікелю, кобальту, міді та їх сплавів. Широко застосовується і метод електролітичного осадження порошків з водних розчинів і розплавлених середовищ. Цим методом виробляють порошки міді, срібла, танталу, ніобію та сплавів. Карбонільні методом отримують порошки нікелю, кобальту і сплавів на їх основі. У виробництві електричних контактів часто виготовляють порошки металів і сплавів методом осадження з розчинів (наприклад, срібло, платину, золото і їхні сплави). Можна також одночасно брати в облогу з розчину порошки декількох металів з високою рівномірністю розподілу компонентів.

Важливу роль у виробництві контактів грають фізичні властивості порошків, що визначаються формою і середнім розміром часток, розподілом їх за ступенем дисперсності, питомою поверхнею частинок, станом їх поверхні, щільністю порошку і твердістю частинок. Форма частинок є одним з факторів, що визначає технологічні властивості порошку (насипна щільність, плинність і т. д.).

Від форми частинок залежить питома поверхня порошку, збільшення якої активує процеси, що протікають при спеканіі.Для збільшення дисперсності фазових складових і рівномірного розподілу їх за обсягом при виготовленні контактних матеріалів використовують не суміші порошків, а готові сплави, одержувані спільним відновленням, хімічним змішуванням або внутрішнім окисленням . Так, наприклад, у виробництві важко навантажених сільноточних контактів застосовують порошкові сплави вольфраму і нікелю (5% Ni), вольфраму, нікелю та заліза (7% Ni і 3% Fe), вольфраму, нікелю та міді (1-16% Ni,. 3-20% Сі). Порошкові сплави цих складів найчастіше отримують двома способами: 1) спільним відновленням суміші ангідриду вольфраму і солей нікелю, вольфраму ангідриду та солей нікелю і заліза або нікелю та міді; 2) хімічним змішуванням порошку вольфраму з водним розчином нітрату нікелю або суміші солей нікелю і заліза , нікелю та міді з подальшим відновленням суміші для отримання порошкового вольфрамонікелевого та інших сплавів. При отриманні сплавів першим способом найбільш часто використовують Форміат, оксалати, карбонати або Ацетат легуючих металів (Ni, Fe, Cu, Co), які змішують з ангідридом вольфраму способом мокрого змішування (у воді). Потім суміш просушують при 80-100 ° С, подрібнюють і відновлюють воднем у дві стадії при 650-700 і 850-950 ° С. У процесі змішування, поєднаному з помелом конгломератів складових, відбувається рівномірний розподіл компонентів. При наступних операціях високотемпературної сушки та відновлення суміші в середовищі водню відбуваються розкладання солей нікелю, міді, заліза і нікелю, взаємодія оксидів цих металів з ангідридом вольфраму, освіта вольфрамати, розкладання і відновлення їх до металу з одночасним утворенням сплавів.

При отриманні порошкових сплавів по другому способу змішуванням порошку вольфраму з водним розчином солей легуючих металів відбуваються дисоціація солей, освіта вольфрамати нікелю та заліза, нікелю та міді, нікелю. При подальшому відновленні воднем останні розкладаються, відновлюються і утворюють сплави.

Розчинність вольфраму в нікелі значно вище, ніж нікелю в вольфраму. Тому при відновленні вольфрамового ангідриду і карбонату нікелю при температурі 950 ° С в нікелі розчиняється до 34% вольфраму, а в вольфраму - близько 1% нікелю. При додаванні заліза в сплав нікелю і вольфраму воно утворює тверді розчини з нікелем і, таким чином, в результаті взаємодії цих трьох-компонентів утворюється двофазна система складається з твердого розчину на основі вольфраму і твердого розчину на основі нікелю. Добавка міді до сплаву нікелю і вольфраму також змінює рівноважний співвідношення складових.

Мідь і нікель необмежено розчиняються один в одному,

вольфрам практично не розчиняється у міді, однак розчин

ється в твердому розчині нікель - мідь і, таким чином, в резуль

Таті також виходить двофазна система: фаза на осіове воль

Фрама і фаза на основі нікелю з розчиненими в них міддю і вольфрам

Частинки вольфрамонікелевого сплаву, що містить до 1 / о

Ni равноосние, а кристали мають кубічні форму з ребрами

довжиною 2-10 мкм. Поверхня частки покрита сплавом на осно

ве нікелю. У деяких місцях цей сплав проникає в глиб час

тиц вольфраму по кристалографічних площинах. З збільшен -

ням вмісту нікелю в сплаві до 7% зростає вміст

фази на основі нікелю. Структури часток сплавів вольфрам - ні

кель-залізо і вольфрам - нікель - мідь аналогічні.

Таким чином, при приготуванні порошкових сплавів типу вольфрам - нікель одночасно з процесом відновлення відбувається взаємне розчинення вольфраму в нікелі і нікелю в вольфраму. При цьому фази па основі нікелю покривають частинки

вольфраму.

Високою стійкістю проти електродуговоі ерозії і досить незначною схильністю до приварювання володіють вольфрам, срібні контакти, для поліпшення експлуатаційних властивостей яких в шихту вводять незначну кількість нікелю (~ 0 04%) Срібло, що входить до складу контактного матеріалу, підвищує 'електропровідність комутаційного пристрою і його здатність проводити великі струми при тривалому навантаженні. Вольфрамосеребрянние контакти застосовують у силових ^ вимикачах (струм силою до 1 кА) з великою частотою включення і при короткому замиканні можуть витримати струм силою до 5 кА. Контакти на основі системи W-Ag використовують у вимикачах на електрич фіцірованних дорогах і транспортні засоби, що працюють з великими комутаційними струмами при високій напрузі.

Для комутації потужностей, близьких до 5 ГВ-А, застосовують вакуумні вимикачі, контакти яких оснащені медномо-лібденовимі, медновольфрамовимі псевдосплавамі, а також дисперсійної-твердіючих железомеднимі сплавами, отриманими спіканням та нанесенням пористої заготовки з заліза міддю при 1100 ° С. Такі контакти характеризуються високими пластичністю, термостійкістю, хорошими тепло-і електропровідністю, прірабативаемостью і твердістю.

Для підвищення їх стійкості за рахунок зниження напруги на контактах при розмиканні вводять легко випаровуються і матеріали, наприклад сурму і вісмут.

Для виготовлення розривних контактів, комутуючих великі струми в вакуумі, застосовують також композиції вольфрам - нікель-мідь, вольфрам - нікель - залізо, вольфрам - нікель, що містять близько 90% вольфраму, які називають важкими сплавами. Вони використовуються як контактний матеріал і як матеріал конструктивного призначення. Склад і властивості найбільш розповсюджених важких сплавів наведено в

табл. 64.

Таблица 64. Состав и свойства порошковых тяжелых сплавов
	Состао, %				ПЛОТНОСТЬ, г/см5, не менее	Предел прочно­сти на разрыв ав , МПа	Удли­нение 8, %	Твер­дость HRC
Марка	Ni	Си	Fe	w					Краткая характеристика процесса изготовления
ВНМ	4,5—5,1	2,7—3,1		Осталь­ное	17			24—30	Смешиванне порошков чистых ме­таллов, прессование, спекание в твердой фазе, жидкофазное спека­ние при температуре 1400—1500°С, закалка
внж	6,8—7,4		3,0—3,4	То же	16,6—17,1	700	3	20—30	Смешивание порошков чистых ме­таллов, прессование, спекание в твердой фазе, жидкофазное спека­ние при температуре 1450—1530 °С, отжиг
ТС-5	5,0—7,0		2,7—5,0	Осталь­ное	17,0	800	3	20—30	Смешивание порошков кислородсо­держащих составляющих, совмест­ное восстановление, прессование, спекание в твердой фазе, жидко­фазное спекание при температуре 1450—1530 °С, медленное охлажде-
									ние от температуры спекания, от­жиг

Структура важких сплавів складається з двох фаз: тугоплавкої на основі вольфраму у вигляді зерен округлої форми і матричної фази, в якій ці зерна дисперговані. Властивості важкого сплаву (щільність, межа міцності на розрив, подовження і твердість) залежать від рівномірності розподілу фазових складових, адгезійною міцності, міжфазної кордону, співвідношення властивостей основних фазових складових сплаву і т. д.

Технологія виготовлення псевдосплавних контактних і електродних матеріалів типу метал - метал

Псевдосплавние матеріали метал - метал знаходять широке застосування для виготовлення електричних контактів, які працюють у сільноточних пристроях високої напруги. Як тугоплавкого компонента таких контактів використовують вольфрам, молібден і нікель, як легкоплавкого - мідь і срібло. Кількість тугоплавкого компонента становить 60-80% і залежить від струмового навантаження на контакт. Чим більше зміст тугоплавкого компонента, тим вище ерозійна стійкість контакту і нижче електро-і теплопровідність. Тому для підвищення теплопровідності корпус контактів виготовляють з міді, а робочу частину - з псевдосплава товщиною 4-5 мм, що підвищує термін служби контактів у 25 разів у порівнянні з контактами, виготовленими тільки з псевдосплава.Обобщенная технологічна схема виготовлення контактів з псевдосплавов вольфрам - нікель - мідь і вольфрам - нікель - срібло (схема 29) придатна також для виготовлення контактів, що містять молібден. Згідно з наведеною схемою, контакти із зазначених матеріалів можна виготовляти трьома способами: 1) пресуванням суміші порошків сплавів вольфрам - нікель або молібден - нікель із порошками міді або срібла, спіканням і подальшої холодної деформацією порошкових заготовок; 2) пресуванням заготовок із суміші порошків сплавів вольфрам -- ■ нікель або молібден - нікель і порошків міді або срібла, спіканням і пропиткою отриманого каркасу з тугоплавкого металу розплавом міді або нікелю; 3) пресуванням заготовок із суміші порошків сплавів вольфрам - нікель або молібден - нікель із порошками міді або срібла і пропиткою розплавом міді або срібла

Схема 29. Узагальнена технологічна схема виробництва вольфрамо-нікельмедних і вольфрамонікельсеребрянних контактів

Перший спосіб виготовлення матеріалів для електричних контактів дозволяє отримувати будь-яке співвідношення тугоплавких і легкоплавких компонентів при температурах спікання, нижча за температуру плавлення легкоплавкого компонента. Спікання при температурах вище температури плавлення легкоплавкого компонента обмежує його зміст 50%. Другий і третій способи обмежують зміст тугоплавкого компонента jb матеріалі 70%, оскільки вони передбачають отримання пористого каркаса, необхідна міцність якого досягається при пористості менше 50%.

Способи отримання контактних матеріалів пропиткою пористих каркасів з тугоплавких металів розплавленими металами знайшли широке застосування, тому що дозволяють отримувати беспорістие псевдосплави з високими експлуатаційними властивостями, що забезпечило їм домінуюче положення при створенні електричних контактів.

Так, при виготовленні композиційних псевдосплавіих контактів вольфрам - мідь, вольфрам - срібло методом просочення з вольфрамонікелевого сплаву, що міститься 0,2-3,5% Ni, що сприяє поліпшенню змочування рідкими сріблом або міддю поверхні вольфрамового порошку, пресують робочу частину контакту з високу пористість ( 60-40%). Для отримання заготовок з більшою міцністю і поліпшення формуемости й уп-лотняемості порошку вольфрамонікелевого сплаву до нього додають невелику кількість порошків міді (у разі пресування вольфрамонікельмедних контактів) або срібла (у разі пресування вольфрамонікельсеребрянних контактів). Кількість порошків міді та срібла, що вводяться в шихту для пресування, залежить від змісту цих компонентів в готовому сплаві. Для отримання сплавів, що містять 50% срібла або міді, в шихту вводять 30% цих елементів, а для сплавів, що містять 30% срібла або міді, в шихту вводять 12% загальної їх змісту. Після змішування компонентів суміші протягом 0,5-3,0 год з відповідних шихти пресують робочу частину контакту. Навіску суміші для робочої частини контакту підраховують за формулою

РПР = Vdnv,

де РДР - маса наважки суміші для пресування, г; V - объм пресування, см3; с1щ> - щільність пресування, г/см3 (dnp для прессовок зі сплаву КМК-Б20 становить 8,58, КМК-Б21 - 11,1, КМК -А60 - 9,56 і КМК-А61 - 11,95 г/см3).

Робочу частину контакту пресують на механічних або гідравлічних пресах при тиску 300-400 МПа, що забезпечує отримання заготовки відповідної щільності. На тих же пресах з порошків міді та срібла пресують насичуючі брикет.

При виготовленні контактів діаметром до 12 мм проводять одночасне пресування просякнута брикети і робочої частини контакту, для чого в прес-форму спочатку засипають навіску порошку срібла або міді, необхідну для просочення, злегка ут рамбовивают, потім засипають навіску суміші робочої частини контакту і піддають пресуванню.

Просочення пористої частини контакту здійснюють в електричних печах в середовищі водню або водню газу (конвертований природного газу, дисоційованому аміаку) при температурі 1150-1170 ° С - сплавів вольфрам - нікель - мідь і 1000-1100 ° С - для сплавів вольфрам - нікель - срібло , тобто при температурі, на 100-150 ° С перевищує температуру плавлення просякнута металу. Швидкість просочення становить кілька десятих часток міліметра в секунду. Товщина шару просоченого h залежить від властивостей розплаву і тривалості т його контакту з твердим каркасом, а також від пористості каркаса:

де о * ж-г - поверхнева енергія па межі поділу рідина - газ; в - крайовий кут змочування; і - в'язкість просякнута рідини; ГЕФ - ефективний радіус порові каналів. Загальна тривалість просочення можна визначити за формулою

т ~ гвфож_гсозв ± (^ ржгЗф) / 5 '

де h - товщина просочуємо заготовки; g - прискорення вільного падіння; V - об'єм пор; РЖ - щільність просякнута рідини; 5 - площа поперечного перерізу просочуємо заготовки. Знак в знаменнику формули залежить від методу просочення: знак «+» відповідає просочення за методом накладення (спечений в середовищі водню або неспеченний пористий каркас разом з поміщеним на ньому необхідною кількістю твердого просякнута металу, розрахованими виходячи з обсягу пір в каркасі, завантажують у піч з захисної середовищем і відповідною температурою і розплав вбирається в пори каркаса), знак «-» - просочення за методом занурення (пористий каркас поміщають у попередньо розплавлений легкоплавкий компонент або при нагріванні розплав створюють навколо пористого каркаса).

При формуванні контактних деталей за методом просочення пористих заготовок зберігаються конфігурації та розміри готових деталей, що забезпечує можливість виготовлення готових за формою і розмірами робочих частин контактів простої форми з мідним або срібним підшару для напайки на контактодер-жателі. Для реалізації методу використовують спеціальні графітові форми / (ріс.72), в які перешкодять спресований каркас із вольфрамонікелевого порошку 4. Якщо дозволяє міцність графіту, каркас можна формувати прямо в графітової формі. Після цього у форму поміщають мідну заготовку 2, отриману пресуванням порошку, стружки або механічною обробкою литий міді. При нагріванні графітової форми в захисному середовищі до температури 1200 ° С розплавлена мідь просочує пористий каркас із вольфрамонікелевого порошку, створюючи робочий шар

контакту 3, а надлишок міді утворює мідне тіло контактної деталі. При формуванні мідного тіла необхідно застосовувати спеціальні заходи для виведення усадочною раковини у верхню частину мідної виливки. Для цього при охолодженні міді інтенсивно охолоджують нижню частину форми і утеплюють верхню її частину.

Таким чином, метод просочення дозволяє отримувати високощільні контакти складних конфігурацій з підшару для пайки, а також готові контактні вузли. Крім того, медновольфра-мовие і серебряновольфрамовие просочені матеріали добре обробляються різанням. Вони застосовуються, головним чином, в контактах потужних вимикачів високовольтних комутаційних приладів. У промислових масштабах випускаються контакти у вигляді прямокутних пластин, дисків, наконечників, кілець і фасонних деталей.

Для підвищення механічної міцності, зносостійкості і ерозійної стійкості каркас робочої частини контакту формують з волокон тугоплавкого металу. Наприклад, каркас із високоміцних вольфрамових волокон у вигляді дротів, розташованих перпендикулярно до робочої поверхні контакту, просочують міддю або сріблом. Властивості композицій вольфрам - мідь, вольфрам-срібло, отриманих спіканням і пропиткою порошкового каркаса і пропиткою волокон, наведено в табл. 65.

В даний час як матеріали контактів застосовують псевдосплави на основі срібла, що містять в якості зміцню-нітеля метали та сплави, що володіють обмеженою розчинність в сріблі - нікель, паладій, цирконій, сплави паладій - нікель, паладій - нікель - графіт, нікель - графіт і ін Найбільше застосування знаходять контакти з псевдосплава Ag-Ni. Порошкові Ag-Ni контакти з

Таблиця 65. Властивості композицій вольфрам-мідь і вольфрам-срібло

Композиция	Плотность, г/см3	Твердость HRB	Удельное электросо­противление р-10°,Ом-м
Спеченные ) ЛтГ г„ т-т г W—vjU Пропитанные J Спеченные \ут . Пропитанные / *	10,0—14,0 13,0—15,0 11,5—16,8 16,0—17,0	90—140 180—220 70—175 230—260	0,033—0,071 0,055—0,065 0,027—0,055 0,045—0,047

псевдосплавов з 10-40% Ni відрізняються від суто срібних більш високими механічними та електроерозійні характеристиками, що можна пояснити зміцнюючих ефектом, викликаним добавкою нікелю і більш високою електропровідністю, ніж у сплавів Ag-Cd-Au, що утворюють тверді розчини (ріс.73). Оскільки срібло і нікель у твердому стані взаємно не розчиняються, а в розплавленому сріблі може розчинитися тільки декілька десятих часток відсотка нікелю, то такі сплави з рівномірним розподілом компонентів отримують тільки методами порошкової металургії. Пресування піддають механічну суміш порошків нікелю і срібла або суміші порошків, отримані хімічним змішуванням. Тиск пресування складає 400-500 МПа. Спікання проводять у відновної середовищі при температурі 700-800 ° С. Після спікання заготовки піддають допрессовке при тиску 500 МПа або деформації прокаткою і волочінням для посилення міцності властивостей.

Рис. 73. Електропровідність композицій Ag - Ni (/), Ag - Cd (2), Ag - Au (3) в залежності від їх складу (Ме \-Ag; Ме-г-Ni, Cd, Au).

Такі контактні матеріали можна одержувати також пропиткою нікелевих волокон розплавленим сріблом. Отриманий пропиткою композиційний волокнистий матеріал навіть при великому змісті волокон нікелю пластичний і допускає деформацію> 90% без проміжного відпалу, що особливо важливо при отриманні композиційної дроту методом волочіння або екструзії. Контакти з волокнистих матеріалів більш стійкі проти дугового ерозії в порівнянні з контактами, отриманими пресуванням і спіканням (ріс.74).

400 N-Ю3

Рис. 74. Залежність ерозії матеріалів контактів Ag - Ni (змінний струм 10 А; зусилля на контакт 1 Н) від числа включень N;

При токах невеликої сили «150 А) схильність компонентів системи Ag-Ni до приварювання менше, ніж у срібла або сереб-рянних сплавів. У процесі комутації утворюється плівка оксиду нікелю, що служить додатковим перешкодою до приварювання, як і в контактах на основі композиції срібло - оксид металу (перш за все при роботі з постійним струмом). Однак при замиканні ланцюгів з струмами дуже великої сили срібно-нікелеві контакти приварюються; в цьому випадку краще застосовувати пари контактів з різних матеріалів (наприклад, Ag-Ni з Ag-С). Відносно електродугової ерозії при розмиканні ланцюгів з силою струму 100 А контакти Ag-Ni можна порівняти з досить стійкими контактами Ag-CdO і перевершують срібні. Мінімальною електродугової ерозією контактів (анода і катода) у вимикачах змінного струму характеризуються сплави, що містять 80% Ag і 20% Ni. Контакти з такого матеріалу коммутіруют без приварювання струми до 200 А. Ступінь електродугової ерозії контактів можна ще більше зменшити, застосовуючи зв'язані пари контактів, наприклад Ag-Ni з різним вмістом нікелю.

Перевагами матеріалів на основі Ag-Ni є високі механічні властивості, а також гарна технологічність, що дозволяє припаюють їх всіма припоями на основі срібла (без створення проміжного шару). Контакти Ag-Ni, як і контакти Ag-CdO і Ag-CuO, в основному використовуються для замикання і розмикання електричних ланцюгів в апаратах, що працюють під напругою до 1 кВ, призначених для управління приймачами електричної енергії та її розподілу. Властивості таких контактних матеріалів наведено в табл. 62.

Технологія виготовлення псевдосплавних контактних матеріалів, зміцнених тугоплавкими сполуками та оксидами

До цієї групи відносяться матеріали на основі міді та срібла, у які, для підвищення твердості, зносостійкості і зменшення схильності до схоплювання, вводять тугоплавкі оксиди або з'єднання. Типовими представниками таких матеріалів є композиції Ag-CdO, Ag-CuO і Сі-А1203. Перевагою зазначених матеріалів є менша пріваріваемость контактів і зниження середнього зменшення маси матеріалу, ніж у чистих металів. Використання порошкових контактів Ag-CdO і Ag-CuO дозволяє також отримати значну економію срібла.

Ефективність застосування оксидів кадмію і міді полягає в тому, що вони при температурах контактної дуги піддаються термічній дисоціації, а продукти дисоціації - пари кадмію, міді і кисню надають гасить дію на дугу. Крім того, летючість оксидів кадмію і міді при високих температурах дозволяє позбавитися від чужорідного товстого шару на контактній поверхні, завдяки чому контактний опір при великих навантаженнях залишається постійним і низьким, а термін служби контактів зростає.

Із вказаних матеріалів найбільш поширеним є композиція срібло - оксид кадмію, яка використовується в більшості мало-і средненагруженних комутаційних пристроїв.

За узагальненою схемою отримання контактів з композиції срібло - оксид кадмію (схема 30) отримують і інші композиції метал - оксид.

Схема 30. Узагальнена технологічна схема виробництва порошкових контактів срібло - оксид кадмію

Основною операцією виготовлення контактів з композиції срібло-оксид кадмію, що визначає експлуатаційні властивості

матеріалу, є змішування, оскільки необхідно отримати тонкодісперспий оксид кадмію, рівномірно розподілений в об'ємі матриці. Змішування можна проводити трьома способами.

За першим способом шихту для пресування виробів отримують змішуванням порошків срібла та оксиду кадмію в змішувачах будь-якої конструкції.

Другий спосіб полягає у змішуванні порошків срібла та кадмію з наступним пресуванням і спіканням в окисної середовищі або спіканням в відновної середовищі з подальшим окислювальним отжигом отриманої заготовки. У результаті окислювального відпалу кадмій перетворюється на оксид, рівномірно розподілений за обсягом порошкової заготовки.

Третій спосіб полягає в тому, що порошки сплаву срібло - кадмій піддають внутрішнього окислення. Оскільки кадмій піддається окислення, перебуваючи в кристалічній решітці сплаву, виходять більш дисперсні частинки оксиду з високою рівномірністю розподілу за обсягом.

Необхідною умовою освіти в процесі внутрішнього окислення кристалічного оксиду є розчинність окисляються елементів в основному металі при температурі відпалу, розчинність кисню і надмірна розчинність оксиду. У результаті реакції окислення, що протікає в твердому розчині, з нього осідає оксид в тонкодисперсної формі, розподілений в основному металі. Отриманий оксид повинен бути більш стійким, ніж оксид основного металу, щоб можна було провести виборче відновлення оксидів основного металу при збереженні оксидів упрочнітеля. Для сплавів срібла це умова дотримується легко, так як пружність дисоціації оксиду срібла значно вище, ніж оксидів кадмію.

Залежність між тривалістю відпалу, необхідного для отримання внутрішньої оксидований зони товщиною h, парціальним тиском кисню в середовищі відпалу Р0 і концентрацією розчиненого у сплаві компонента сме, що підлягає оксидування, виражається рівняннями

k = 2g0DoPo ° -5 - l, 68DMeR! [cMeR + goPo ° <73]; k = hH,

де k - постійна швидкості внутрішнього окислення; g0-постійна, що залежить від температури відпалу; h - товщина шару окисленого; DMe я Do - відповідно коефіцієнти дифузії металу, що підлягає окислення, і кисню; [R - співвідношення іонів кисню і металу в оксиді.

Аналіз рівнянь показує, що можна збільшити швидкість і скоротити тривалість оксидування, підвищуючи парціальний тиск кисню, температуру і знижуючи до мінімальної товщину оксідіруемой зони.

Внутрішньому окислення можуть піддаватися спресовані заготівлі та порошки. Для окислення компактних заготовок необхо діми високі температури і тривалі витримки. Тому більш економічно піддавати внутрішнього окислення отжигом в окисної середовищі порошки сплавів, отримані розпиленням. Що утворюється при цьому оксид основного компонента згодом відновлюється.

З підвищенням парціального тиску кисню швидкість окиснення збільшується, але не пропорційно тиску. Тому за однакових умов окислення сплавів Ag-Cd в середовищі кисню протікає в 2-3 рази швидше, ніж на повітрі. Найбільше застосування отримали сплави Ag-CdO, що містять 15% CdO. Для їх отримання піддають окислення на повітрі сплави срібла, що містять 14% CdO, при температурі 650 - 900 ° С. Загальна тривалість окислення залежить від ступеня дисперсності порошку сплаву Ag-? ~ Cd, геометричних розмірів готових контактів з цього сплаву і температури. Так, при температурі 900 ° С процес окислення сплавів закінчується за 8-12 годин, у той час як при 650 ° С - за 56 ч.

Контакти з отриманих внутрішнім окисленням порошків можна виготовляти двома способами. Перший спосіб полягає в пресуванні порошків при тиску 300-400 МПа, спіканні на повітрі при 650-900 ° С протягом 1 год, допрессовке при 800 - 1000 МПа і відпалу при 450 ° С протягом 30 хв з метою зменшення крихкості контактів і стабілізації їх властивостей. За другим способом контакти виготовляють штампуванням з Прокачаний, екструдованих порошкових заготовок. Прокатка порошкових заготовок в смуги можлива при кімнатній температурі з проміжними відпалу при 900 ° С. Прокачаний і екструдова-венние композиції володіють підвищеними твердістю, щільністю, електропровідністю та межею міцності на розрив. Електрична зносостійкість штампованих з смуги або дроту контактів на 20% вище, ніж пресованих. Оскільки вміст у композиції Ag-CdO більше 10% CdO призводить до зниження пластичних властивостей, що ускладнює деформаційно обробку, частіше застосовують перший спосіб виготовлення контактів. Крім того, оксид кадмію погіршує смачіваемость контактів припоями, тому контакти виготовляють з підшару з чистого срібла. У промислових масштабах випускаються контакти двох марок: КМК-А10 і КМК-АЮМ, що відрізняються способом отримання порошків псевдосплава Ag-CdO. У першому випадку його отримують механічним змішуванням порошків срібла та оксиду кремнію, у другому - внутрішнім окисленням сплаву срібло-кадмій, що підвищує межу міцності на розрив і твердість таких контактів удвічі в порівнянні з контактами, отриманими з механічної суміші срібла з оксидом кадмію.

Метод внутрішнього окислення застосовують також для виготовлення контактів з псевдосплавов Ag-CuO. При цьому використовують сплав срібла з 8% міді, який після окислення містить 10% CuO. Спорідненість міді до кисню значно вище, ніж срібла, а коефіцієнт дифузії міді в сріблі-~ 10 ~ 9 см2 / с тобто в 104 разів менше, ніж кисню. Це сприяє протіканню процесу окислення міді без утворення різко вираженою серцевини навіть в товстих зразках, тобто при більшому градієнті концентрації, ніж у сплаву з кадмієм. Оксид міді дисоціюють при більш високих температурах, ніж оксид кадмію. Дисоціація відбувається у дві стадії з виділенням кисню і утворенням оксиду міді (I):

2СіО ч * Cu20 + О,

а при ще більш високій температурі - з утворенням металевої міді

Cu20 ** 2Cu + О.

Перша реакція протікає при 1026, другий - при 1800 ° С. Таким чином, повна дисоціація оксиду міді відбувається при температурах, які значно перевищують температуру дисоціації оксиду кадмію, причому тільки один компонент - кисень утворює газову фазу. Отже, що гасить дію кисню на дугу може виявлятися лише при більш високих температурах, ніж при дії продуктів дисоціації оксиду кадмію. Тому контакти, що містять оксид міді, виявляють свою перевагу в зносостійкості в порівнянні з контактами Ag-CdO лише при більш високих струмових навантаженнях.

Практично внутрішній окислення сплаву Ag-Сі проводять при 700 ° С протягом 16-24 год у струмі кисню або на повітрі.

Крім способу внутрішнього окислення, для отримання порошків псевдосплавов Ag-CuO застосовують також спільне осадження солей срібла та міді з наступним термічним розкладом і механічне змішування порошків срібла і міді. Так, контакти типу КМК-А20 отримують з механічної суміші срібла з оксидом міді (II), контакти типу КМК-А20М - із суміші порошків, отриманих спільним осадженням, а контакти типу СОМ-8 - з порошків, отриманих внутрішнім окисленням.

Технологія виготовлення контактів Ag-CuO аналогічна технології виготовлення контактів Ag-CdO. Контакти Ag-CuO, виготовлені окисленням без підшару, добре напоюються на мідний утримувач припоями ПСр70, ПСр71 і ПСр15. Для кріплення контактів до латунної арматур у них передбачений сереб-рянпий подслой. Пайка здійснюється серебряінимі або мідно-сур'мянофосфорістимі припоями ПМФ Суб13.

Для поліпшення смачіваемості контактів з псевдосплавов Ag-CdO і Ag-CuO припоями при пайку передбачають проміжний шар з чистих металів основи, отриманий при формуванні в прес-формах або при виготовленні сплавів спіканням і подальшим внутрішнім окисленням. Остання проводять таким чином, щоб сплав Ag-Cd або Ag-Сі окислюється з одного боку, а інша сторона залишалася неокисленого і добре змочують припоями, утворюючи міцне з'єднання з корпусом при пайку.

Технологія виготовлення ковзних контактів

До цієї групи електротехнічних матеріалів відносяться матеріали, які поряд з високою електропровідністю мають досить високими антифрикційними властивостями. Такі матеріали, як правило, забезпечують нерозривність електричного кола в рухомих вузлах і часто працюють у важких експлуатаційних умовах. З них виготовляють щітки для електродвигунів і динамомашини, магнето, електролізерів з обертовими катодом. Крім того, такі матеріали використовуються для виготовлення пластин пантографом, що живлять двигуни електропоїздів та забезпечують контакт при швидкостях ковзання до 25 м / с в умовах впливу порівняно високого тиску і ударних навантажень. При цьому необхідно запобігти знос токонесущего матеріалу (проводи). Можливе застосування матеріалів, що володіють високими антифрикційними властивостями і електропровідністю, в комутуючих пристроях, наприклад, як розривних електричних контактів. У цьому випадку на знос матеріалу роблять також вплив електродугових процеси, процеси взаємодії з навколишнім середовищем при нагріванні.

Виходячи з умов роботи і необхідних властивостей найбільш прийнятними для виготовлення таких матеріалів є композиції, що складаються з міді або сплавів на її основі і графіту. При цьому вміст графіту може змінюватися від 5 до 80%. Для додавання матеріалу тих чи інших властивостей застосовують легування міді оловом, свинцем, нікелем, цинком і залізом. Можливо також виготовлення матеріалів на основі срібла та заліза. Марки, склад і властивості деяких таких матеріалів наведено в табл. 66.

та б л и ц а 66. Марки, склад і властивості деяких порошкових матеріалів для виготовлення ковзних електроконтактів

				Удельное
		Плотность,	Твердость	электросо-
Марка	Состав, %	г/см8	HB	противление р-10«, Ом-м
УГ	Си + С (8—75)	7,00—2,70	45—58 (по Шору)	30—60
Г	Си + С (8—75)	7,00—2,70	35—50 (по Шору)	15-45
зт	Си + С (8—75)	7,00-2,70	20—70 (по Шору)	10-65
СН-30 (проволо-	70Ag + 30N1	9,70	70	0,024
ПдС-70 (прово-	70Ag + 30Pd	10,80	100	0,012
лока)
ПдСН-70-5	70Ag + 25Pd + 5Ni	10,60	100	0,015
СПдЗ-17Су-10	48Ag + 25Pd + + 17Au + IOSb	11,50	75—90	0,022
СНДсМ-7,5	65,0Ag + 27,5Ni + 7,5MoS2	9,05	29	0,043
СНДсМ-2,7	67,5Ag + 25Pd +5Ni + 2,5MoS2	10,20	100	0,2
СПдФ-2	68,5Ag + 29,5Pd + + 2CaF2	9,63	103	0,18
Р7	70Fe + 22Cu + + 5Pb + INi H- 2BN	6,60	70—100	0,3
Р8	85Cu + 5Fe + 7Pb + + 1№+ 1MoS2 + + 1C	7,90	50—70	0,11

Як вуглецевмісний компонента матеріалів, поряд з графітом, можуть служити й інші речовини, що вводяться до складу вихідної шихти для додання виробам необхідних властивостей (міцності, зносостійкості, контактного опору). Так, при введенні кам'яновугільного пеку (смоли), який одночасно є сполучною, поліпшується пресованої вихідної шихти і підвищується міцність готових виробів. Остання також досягається при введенні в склад матеріалу гуми. Додавання сажі та коксової дрібниці забезпечує збільшення зносостійкості. Типові технологічні схеми виробництва електрощіток із застосуванням різних видів вуглецевмісний сировини наведені на схемах 31, 32.

Схема 31. Технологическая схема производства электро­щеток без связующего вещества

Схема 32. Технологическая схема производства электрощеток со свя­зующим веществом

Їх можна використовувати також при виготовленні інших виробів. У якості вихідних матеріалів беруть порошки міді (ГОСТ 4960-75), свинцю (ГОСТ 16138-78), олова (ГОСТ 9723 - 73), нікелю (ГОСТ 9722-79), заліза (ГОСТ 9849-86) і графіту (ГОСТ 5279 -74).

Зазвичай вихідна сировина піддають змішування в різних змішувачах, частіше за все з зміщеної віссю. Дещо інша схема приготування шихти для пресування при використанні як вуглецевмісний компонента кам'яновугільного пеку, який також виступає в ролі сполучного. У цьому випадку його змішують з іншими компонентами містять вуглець в змішувачах з паровим обігрівом. Отриману суміш подрібнюють, просівають для відділення дрібної фракції, яку і змішують з порошком міді.

Приготовлену той чи інший спосіб шихту піддають пресуванню при тиску 200-400 МПа. Отримані пресування мають форму кінцевого виробу або заготовки, з яких механічною обробкою виготовляють необхідні деталі. Спікають заготовки в прохідних муфельних електропечах в захисному середовищі при температурі 700-900 ° С. Процеси, що відбуваються при спіканні і визначають кінцеві властивості матеріалу, залежать від його складу. У разі переважання у складі шихти міді процес спікання протікає згідно закономірностям її спікання з утворенням каркасу, усередині якого рівномірно розподілена антифрикційні добавка. За наявності у заготівлі кам'яновугільного пеку процес спікання зводиться до його коксування з утворенням міцного коксового каркаса, всередині якого розташовані частки металевого компонента. Після спікання процес ведуть відповідно до технологічної схеми виготовлення конкретного виробу, застосовуючи механічну або інший вид обробки. При виготовленні електрощіток проводять армування їх токоподводящімі елементами.

Більш високі міцнісні характеристики і зносостійкість досягаються при використанні графіту, плакірованний міддю. Плакірованіе графіту виробляють з водних розчинів солей міді. Так, наприклад, при виготовленні матеріалів, основою металевої складової у яких є мідь і свинець, вихідні порошки графіту, свинцю і цинку поміщають у водний розчин сульфату або хлориду міді (II). При цьому цинк, будучи цементуючим по відношенню до міді, витісняє її з розчину, а вона, осідаючи на поверхні частинок графіту, захоплює частина свинцю, оптимальний вміст якого в кінцевому продукті має бути 1-2%. Отримані таким чином порошки піддають пресування і спікання при температурі +400 ° С, що на 250-300 ° С нижче, ніж при спіканні заготовок із суміші порошків аналогічного складу. Отримана в цьому випадку структура характеризується рівномірним розподілом компонентів, що визначає високі зносостійкість, механічні властивості та електричні характеристики.

Матеріали на основі срібла (див. табл. 66) виготовляють за традиційною технологією.

. Однак оскільки кінцевий продукт, як правило, представляє собою дріт, прут або стрічку, після першого спікання заготовки піддають допрессовке, відпалу, а потім екструдування, прокатці або волочіння.

При виготовленні матеріалу на основі срібла при наявності дисульфіду молібдену, а також серебрянографітових матеріалів спікання проводять в середовищі аргону при температурі, нижче температури утворення рідкої фази. Отримані заготовки піддають допрессовке та відпалу.

Можливо також отримання заготовок прокаткою. Так, для отримання матеріалів Р7 і Р8 (див. табл. 66) суміш вихідних порошків у закритих оболонках ущільнюють прокаткою й спікають. При цьому температура спікання матеріалу на основі заліза становить 1000-1100, а на основі міді - 950-1000 ° С. Тривалість спікання в середовищі водню становить 2-3 год Отримані заготовки матеріалу на основі заліза просочують свинцем.

Технологія виготовлення електродних матеріалів для контактного зварювання та електроерозійної обробки

Розвиток металургії, машинобудування та приладобудування багато в чому визначається використанням прогресивних способів зварювання, зокрема контактної.

Контактна (точкова, шовна, рельєфна, стикова) електрозварювання широко поширена в металургії у виробництві труб, зварюванні смуг, стрічок, прутків та дроту при прокатки і волочіння довгомірних напівфабрикатів в машинобудуванні, приладобудуванні, радіотехніці і літакобудуванні для з'єднання різних деталей і вузлів тонколистових конструкцій і є найбільш доцільним і економічним, а іноді єдино можливим способом з'єднання металевих конструкцій. При цьому електроди незалежно від типу контактного зварювання виконують наступні основні функції: стискають деталі, підводять до зварювальних деталей електричний струм і відводять теплоту, що накопичуються в деталях в процесі їх зварювання. При шовного зварюванні електроди-ролики переміщують зварювані деталі. З огляду на періодичний режим процесу зварювання, слід зазначити, що електроди працюють також в умовах термоцікліроваіія. Залежно від природи зварюваного матеріалу, його товщини, типу і параметрів зварювання, умов охолодження електродів на їх робочої поверхні можуть розвиватися температури до 600-700 ° С і питомі тиску 300-400 МП а. Продуктивність процесів зварювання, якість і надійність зварного з'єднання багато в чому визначаються якістю електродів, що працюють в складних умовах, зазначених вище, Під дією температури і напруги змінюється форма робочої частини електродів, що приводить до зміни розмірів литого ядра зварного з'єднання, його якості і міцності.

Електроди в зварювальних машинах є струмопровідними деталями і повинні виготовлятися з матеріалів з високою електропровідністю і достатньою міцністю, особливо при підвищених температурах.

. З огляду на вищевикладене, до електродів контактного зварювання висуваються такі вимоги: висока електропровідність, що дозволяє пропускати електричний струм великої щільності без нагрівання електрода; високі механічні властивості в щіроком інтервалі температур, необхідні для сприйняття без деформації великих і неодноразово повторюваних зусиль стиснення; висока опірність зносу при терті; висока теплопровідність, що забезпечує швидке відведення теплоти із зони зварювання; відсутність взаємодії із зварювальних матеріалом в процесі зварювального імпульсу при підвищених температурах, що виникають на кордоні зварювана деталь - електрод; високі корозійна стійкість і жаростійкість; досить низька стоімость.Основу сучасних сплавів для електродів контактних машин становить мідь. Але мідь в чистому стані, володіючи високою електропровідністю, недостатньо міцна при температурі 150-200 ° С. Для підвищення твердості і жароміцних міді її піддають холодної деформації, легування елементами, що утворюють з нею твердий розчин, зміцнення сплавів при старінні за рахунок виділення з пересичені твердого розчину дрібнодисперсного фази, а також вводять в сплав елементи, які утворюють по межах зерен тугоплавкі включення у вигляді сітчастого або скелетообразного каркаса.

Найбільший ефект на зміцнення міді надає введення невеликих кількостей (0,05-3,0%) легуючих елементів (Ag, Cd, Co, Ni, Cr, Zr, Be). Ці сплави виготовляють звичайними металургійними методами, а також методами порошкової металургії.

Значно більшу перспективу використання в якості електродів контактного зварювання та електроерозіоіной обробки мають дисперсно-зміцнені композиційні матеріали і псевдосплави, одержувані традиційними методами порошкової металургії та нанесенням міддю пористого каркаса з тугоплавкого матеріалу.

Порошкові дисперсно-зміцнені сплави на основі міді являють собою металеву матрицю з оксидним (нітрид-ним) дисперсним упрочнітелем. На відміну від процесу старіння, при якому фаза-упрочнітель зароджується в самому матеріалі в процесі термообробки, в даному випадку частинки зміцнюючої фази спеціально додають в порошок основного металу. Існує кілька методів введення зміцнюючих частинок в мідну матрицю: механічне змішування порошків; хімічна і електрохімічне осадження розчинів солей з подальшим відновленням селективним гідроксиду міді; внутрішнє окислення міді сплавів, легованих Be, Mg, Al, Bi, Th і Y, що утворюють термодинамічно стабільні оксиди ( см. гл. 7). Введені в мідну матрицю дисперсні частинки оксидів BeO, MgO, AI2O3, SiC> 2, ТЮ2 і Y2O3 підвищують жаропрочное і температуру рекристалізації міді, яка визначає температурний інтервал її застосування.

Температура початку рекристалізації міді та її сплавів, зміцнених дисперсними оксидами алюмінію і магнію, наведено в табл. 67.

			Температура
		Состояние	начала рекри-
Состав сплава, об. %		материала	сталлизации, °С
Си (спеченная)		Экстру-	125
Cu-f IAI2O3		дирован-	430
Си + 3Al2Qe		ный и	720
Си + 15А1203		дефор-	940
Си + lOMgO		миро-	960
		ванный	175
Си (спеченная)
Си+ 1А1203		Экстру-	820
Си + ЗА1203		диро-	930
Си + 5А1203		ванный	1000
Си + lOMgO			1000

Для структури сплавів мідь - оксид алюмінію характерні висока дрібнозернистою та спотворення форм зерен і блоків. Електроди для точкового зварювання металів, виготовлені з такого матеріалу, мають стійкість, в 2-3 рази більшу, ніж електроди з чистої міді. Стійкість матеріалу при використанні його для електроіскровий обробки металів перевищує стійкість електрод інструменту з латуні Л62 в 5 разів.

Для підвищення електроерозійної стійкості і уповільнення процесів рекристалізації в мідь вводять 1,0-5% нітриду бору. Ці матеріали, що належать до дисперсно-зміцненим, отримують механічним змішуванням порошків, пресуванням заготовок при тиску 400 МПа, спіканням при температурі 900 ° С протягом 2 год у середовищі дисоційованому аміаку з наступною гарячою екструзією заготовок при температурі 800-900 ° С. При цьому більш високу температуру застосовують для матеріалів з великим вмістом нітриду бору. Останнє необхідно для інтенсіфіцірованія руху дислокацій, що накопичуються при деформації в частках міді при наявності нітриду бору і тим самим ускладнюють деформацію матеріалу в цілому. Цим же обумовлені більш високі тиску екструзії при збільшенні вмісту

нітриду бору. При цьому з підвищенням температури необхідні тиску знижуються. Зазвичай критична ступінь деформацій композицій мідь - нітрид бору складає 80-90%.

Для виготовлення електрод-інструменту з таких матеріалів складної конфігурації з порівняно великою площею поперечного перерізу застосовують холодне пресування з наступним спіканням і допрессовкой або гаряче пресування в графітових прес-формах при температурі 950 ° С, тиску 1,0 МПа і витримці протягом 15 хв. При гарячому пресуванні композицій мідь - нітрид бору щільність виробів сягає 95-98%. Електроди для електроерозійної обробки мають високу стійкість при обробці сталей і твердих сплавів і широко використовуються в промисловості. Вплив матеріалу і вмісту дисперсної фази на електроерозійні стійкість міді наведено в табл. 68.

Таблица	688	Влияние содержания ди-
сперсной ф	азы на электроэрозионную
стойкость меди
Обрабатывае-		Состав материала	Относи­тельный
мый материал		электрод-инстру-	объемны й
(анод)		мента, об. %	износ,%
Сталь У8		Латунь Л59	75,'2
То же		Си	61,7
»		Си+ 1А1203*	33,0
»		Си + 2А1203	25,0
»		Си + ЗА1203	21,4
»		Си + 1BN	25,6
»		Си + 2BN	19,2
»		Си + 3BN	18,6
Порош-
ковый
твердый
сплав
ВК15		Латунь Л59	188,4
То же		Си	73,6
»		Си+ 1A12(V	60,0
»		Си + 2А1203*	42,0
»		Си + ЗА1203*	38,0
»		Си+ 1А1203**	39,1
»		Си + 2А1208**	29,0
»		Си + ЗА1203**	30,5
* — Механическое смешивание; ** —
химическое	смешивание компонентов.

Для виготовлення електрод-інструменту з таких матеріалів складної конфігурації з порівняно великою площею поперечного перерізу застосовують холодне пресування з наступним спіканням і допрессовкой або гаряче пресування в графітових прес-формах при температурі 950 ° С, тиску 1,0 МПа і витримці протягом 15 хв. При гарячому пресуванні композицій мідь - нітрид бору щільність виробів сягає 95-98%. Електроди для електроерозійної обробки мають високу стійкість при обробці сталей і твердих сплавів і широко використовуються в промисловості. Вплив матеріалу і вмісту дисперсної фази на електроерозійні стійкість міді наведено в табл. 68. Найбільш зносостійким при обробці твердих порошкових сплавів, вуглецевих і жароміцних сплавів на основі нікелю є сплав міді, який містить 3% нітриду бору. Цей матеріал при задовільною оброблюваності має досить високими характеристиками міцності, забезпечує зниження зносу електрод інструменту в порівнянні з міддю і латунню при обробці твердих сплавів у 3-6 разів, а при обробці сталей - у 3-4 рази.

Широке застосування як матеріал для виготовлення електродів для точкового зварювання та електроерозійної обробки знайшли вольфрамомедние псевдосплави, відомі у вітчизняній практиці і за кордоном як кіріти, або елконайти. Склад і основні властивості найбільш часто вживаних електродних матеріалів наведено в табл. 69

Таблиця 69. Склад і основні властивості електродних матеріалів

Материал	Композиция	Твердость HRB	Электропроводи­мость (по отношению к меди), %	ав , МПа
Элконайт 20	78 %W, Си	99—101	27—30	680
Элконайт 30	75 %W, Си	97—100	27—30	650
Элконайт ЮОМо	Мо	.85—95	30	540
Элконайт 100W	W	50(HRC)	30	340

Для виготовлення електродів контактних машин використовують важкі сплави ВНМ і ТС-5, які мають високі жаропрочное і термостійкістю. Технологія виробництва і властивості цих матеріалів наведені вище. Температура знеміцнення таких матеріалів, що визначає робочий інтервал температур, досягає 1000 ° С. Зазвичай вольфрамомедние псевдосплави застосовують у вигляді різних наконечників і вставок, формуючих робочу частину електрода.

Одним з методів удосконалювання технології і підвищення ефективності контактного зварювання за рахунок зниження вартості електродів і збільшення їх стійкості є застосування складових електродів. Такий електрод-інструмент складається з двох частин. Робоча частина зазвичай виконується з матеріалу з високими температурою знеміцнення і електроерозійної стійкістю (W, Мо) або композицій W-Сі, а несуча - з чистої міді. У зв'язку з високою температурою знеміцнення робочої частини для з'єднання частин електродів застосовують дифузійну зварювання у вакуумі або високотемпературну пайку припоями на основі срібла або його сплавів з міддю, а також латуні при температурі 800-1000 ° С.

Більш високі експлуатаційні характеристики, у порівнянні з вольфрамомеднимі псевдосплавамі, досягаються при використанні в якості матеріалів електрод-інструментів сплавів, підданих внутрішнього окислення, які відносяться до дисперсно-зміцненим матеріалами. За основу таких матеріалів застосовують мідь, а дисперсними упрочнітелямі є оксиди менш благородних металів, таких як Al, Mg, Be, Si, To, Y та ін Такі матеріали, аж до температури плавлення основи, практично не разупрочняются. Отримання електрод-інструменту з вказаного матеріалу в основному аналогічно технології одержання дисперсно-зміцнених матеріалів.

На відміну від деяких інших дисперсно-зміцнених матеріалів у даному випадку необхідно враховувати, що в процесі роботи при підвищених температурах відбувається знеміцнення електродного сплаву і, як наслідок, зміна розміру контактної поверхні електрода. Знеміцнення відбувається в основному в результаті протікання двох взаємопов'язаних процесів: рекристалізації і коагуляції дисперсних частинок-упрочнітелей. Останнє призводить до збільшення відстані між ними і, відповідно до механізму знеміцнення, до полегшення руху дислокацій. У результаті коагуляції дисперсних фаз слабшає • також їх бар'єрне дію на рекристалізації. Для ослаблення дії зазначених процесів і, тим самим, знеміцнення матеріалу необхідно домагатися найбільш сприятливою мікро-і субмікроструктури сплавів із стабільними дисперсними включеннями зміцнюючої фази. Остання досягається поєднанням гарту, деформації при температурі, близької до температури старіння сплаву, старіння і потім холодною або теплою деформації. Що досягається при цьому майже дворазове збільшення стійкості електродів обумовлено в основному формуванням оптимальної структури деформації, що характеризується певною щільністю дислокацій, розщепленням пересичені твердого розчину з утворенням дисперсних фаз, дробленням штучно-що вводяться дисперсних частинок і освітою полосчатим структури.

8.4. ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНІ Електронагрівники НА ОСНОВІ тугоплавких сполук

У лабораторній практиці і промисловості застосовуються електропечі опору з робочою температурою 1500-3000 ° С. При цьому в робочому просторі може бути окислювальна, інертна середу або вакуум. Залежно від виду робочого середовища і необхідної температури нагрівальні елементи таких печей повинні володіти комплексом властивостей, що забезпечують стабільну експлуатацію печей опору. Основними з них є: 1) високий питомий Електроопір; 2) малий термічний коефіцієнт Електроопір; 3) високі жаропрочное і жаростійкість; 4) відсутність фазових перетворень в процесі експлуатації; 5) хімічна стійкість по відношенню до навколишнього середовища в робочому просторі.

Для роботи в окисних середовищах при температурах> 1200 ° С застосовують нагрівачі з порошкових матеріалів на основі деяких електропровідних тугоплавких сполук, що мають високу стійкість проти окислювання (наприклад, матеріали на основі карбіду і дісіліціда молібдену, які можна довго експлуатувати на повітрі при температурах відповідно 1500 і 1800 ° С). Нагрівачі з карбіду кремнію знаходять більш широке застосування завдяки їх високої стабільності при робочих температурах і відносно низькій вартості. Крім того, як напівпровідник карбід кремнію має достатню електричну провідність і низьким термічним коефіцієнтом електроопору.

Нагрівачі з дісіліціда молібдену повніше відповідають пропонованим вимогам щодо електрофізичних властивостей, проте вартість їх вище, а експлуатація істотно складніше через необхідність підтримки температури понад 800 ° С і забезпечення незначного її коливання.

Для роботи при температурі аж до 3000 ° С в захисному середовищі інертних газів або у вакуумі використовують нагрівачі з карбіду ніобію.

Нагрівачі з карбіду кремнію. Промисловими марками електронагрівачів з карбіду кремнію (ГОСТ 16139-76) є:

Кен А - трубчасті з потовщеними висновками;

Кен Б - суцільні з висновками, що просочені металевими сплавами для зниження електроопору;

Кен БС - суцільні з приставними висновками, просоченими металевими сплавами;

Кен ВП - трубчасті з висновками, що просочені легованим кремнієм.

Існує три основних способи виробництва нагрівачів з карбіду кремнію.

Згідно першого способу, карбід кремнію зелений, що містить не менше 98% a-SiC, з розміром частинок <<100 мкм змішують з 1,5% сажі і 10-15% сполучного (рідкого скла або розчину бакеліта в етанолі). Після сушіння суміші при перемішуванні при температурі 80-90 ° С її гранулюють, протираючи через сито № 01 (ГОСТ 3584-73), і подають на формування. Нагрівачі з карбіду кремнію формують вібраційним пресуванням у паперових трубках, вертикально встановлених в металевій обоймі, закріпленої на плиті вібратора. При цьому для зменшення впливу на процес ущільнення зовнішнього та внутрішнього тертя суміш подають до трубки порціями і ущільнюють вібрацією. Отримані заготовки нагрівачів сушать при температурі 90-110 ° С і піддають попередньою відпалу на повітрі для спалювання паперової форми і попереднього спікання. Потім заготовки стрижнів обмазують пастою, що складається з кварцового піску, меленого коксу і графіту, і сушать для отримання струмопровідного шару. Після сушіння стрижні піддають сіліцірующему відпалу у спеціальних печах в сіліцірующей засипання, що складається з кварцового піску і ливарного коксу, при температурі 1800-2000 ° С за рахунок прямого пропускання струму через струмопровідний шар.

У процесі сіліцірующего відпалу кремнезем відновлюється вуглецем з утворенням кремнію, який випаровується з засипки. Кремній взаємодіє з сажею, що знаходиться у заготівлі нагрівача, з утворенням 'вторинного карбіду кремнію, який цементує зерна первинного карбіду кремнію в безперервний електропровідний Карбідний каркас. Після відпалу кінці нагрівачів піддають металізації, занурюючи їх у киплячий сплав сілікоалюмінія.

Згідно з другим способом, з карбіду кремнію зеленого, порошку кремнію (3,5%), сажі лампової (1,5%) і крохмального клейстеру готують пластифікований суміш, яку піддають мундштучному пресуванню. Після пресування стрижні сушать при температурі 90-110 ° С, кінці їх обмазують яка клеїться, пастою, насаджують на них манжети-трубки з карбіду кремнію, що представляють собою висновки-струмопідведення. Потім стрижні піддають сіліцірующему відпалу в засипку з кварцового піску-карбіду кремнію і нафтового коксу в печах з непрямим нагрівом. У процесі сіліцірующего відпалу речовини містять вуглець (сажа, продукти розкладання крохмального клейстеру), що містяться в спресованому виробі, взаємодіють з парами кремнію засипки і утворюють вторинний карбід кремнію, який пов'язує основні зерна карбіду кремнію, тим самим забезпечуючи освіта монолітного каркасу з карбіду кремнію, самозв'язаний вторинним карбідом.

Застосування перших двох способів не забезпечує одержання беспорістого матеріалу. Тому в процесі роботи таких нагрівачів карбід кремнію окислюється і утворюється SiOa відкладається в порах. При циклічному зміні температури внаслідок різниці коефіцієнтів лінійного розширення карбіду та оксиду кремнію відбувається місцеве руйнування зв'язку між зернами карбіду кремнію. Освіта в порах нагрівача оксиду кремнію приводить також до підвищення електроопору, тобто до так званого старіння. Це створює додаткові труднощі при використанні нагрівачів з карбіду кремнію, оскільки вихід з ладу одного нагрівача тягне за собою необхідність заміни всіх нагрівачів, так як у працювали стержнів вже завершилися процеси старіння та їх електричні характеристики різко відрізняються від таких у нових стрижнів.

Найбільш прийнятним є третій спосіб виготовлення нагрівачів з самозв'язаний карбіду кремнію (схема 33).

У якості вихідних матеріалів для промислового виробництва нагрівачів цим способом служать карбід кремнію зелений КЗ з зернистістю № 12 і № 20; піролізний нафтовий кокс, крекінгові або пековий (КНПЕ) (ГОСТ 22898-78), пропечений при 1200 ° С в захисної середовищі, з дисперсністю 63 мкм, у кількості, що забезпечує вміст вуглецю в шихті 25% і щільність заготовок 2,46 г/см3; кристалічний кремній марки КРО або КР1 (ГОСТ 2169-69).

Згідно зі схемою технологічного процесу, порошки карбіду кремнію і нафтового коксу піддають сухого змішування в змішувачах будь-якої конструкції протягом 30-40 хв. Потім в суміш вводять 15%-й розчин крохмального клейстеру або 20%-й розчин бакеліта в етанолі з таким розрахунком, щоб в отриманих спресованих виробах містилося 30-40% вуглецю, і перемішують протягом 2 год з одночасними сушкою при температурі 80-90 ° С і дробленням утворюються грудок. З висушеної до залишкової вологості 8-10% суміші мундштучним пресуванням отримують заготовки робочої і токоподводящей частин нагрівачів заданих форм і розмірів. Після сушіння виробів при температурі 90-100 ° С протягом 16-18 год і додаткової полімеризації при 190 ° С протягом 2 годин при використанні як пластифікатора бакеліта вироби піддають реакційного ^ спікання. Для цієї мети заготовки нагрівачів у вигляді стрижнів і трубок укладають на спеціальні графітові підкладки, що виключають викривлення виробів в процесі спікання, завантажують у робочий простір індукційної або графітотрубчатой печі і піддають нагрівання при наявності кремнію, що завантажується у вигляді шматків розміром 5-1,5 мм разом з виробами. Процес реакційного спікання проводять по режиму, представленому на рис. 75.

Рис. 75. Режим реакционного спека­ния изделий из карбида кремния.

При реакційному спіканні протікають наступні процеси: в інтервалі температур 400-800 ° С відбувається деструкція бакеліта та видалення летких речовин з заготівлі, при 1415 ° С і надалі нагріванні до 1700 ° С - плавлення кремнію і просочення їм по риста заготовок з частковим утворенням вторинного карбіду кремнію за рахунок взаємодії розплавленого кремнію з вуглецем; в інтервалі температур 1700-1900 ° С завершується освіта вторинного карбіду кремнію, який пов'язує зерна первинного карбіду кремнію в монолітний матеріал. Поряд з цим у процесі реакційного спікання відбуваються випаровування кремнію і часткове взаємодію його парів з вуглецем з утворенням карбіду кремнію, а також розчинення вуглецю в розплавленому кремнії та кристалізація карбіду кремнію з розплаву. У підсумку реакційного спікання формується структура, що представляє собою полікристалічний карбідокремніевий каркас з окремими включеннями вільного кремнію. При подальшому підвищенні температури аж до 2200 ° С відбувається рекристалізація карбіду кремнію, що призводить до зростання зерен.

Властивості карбідокремнйевих матеріалів залежать від способу їх отримання (табл. 70).

Згідно з іншим варіантом отримання нагрівачів з самозв'язаний карбіду кремнію порошки карбіду кремнію фракційного складу змішують з розчином крохмального клейстеру. З отриманої суміші формують вироби методом мундштучного пресування з пористістю 40-45%, які сушать і потім спікають в печі Таммана при температурі 1250 ° С протягом 60-90 хв у газовому середовищі, що складається з суміші аргону і метану (20-30%) . У процесі спікання пори вироби повністю заповнюються пірол-тичні вуглецем. Попередньо спечені заготовки нагрівачів з карбіду кремнію піддають реакційного спікання в парах кремнію при температурі 1750 ° С протягом 0,5 год з подальшим підвищенням температури до 2100 ° С і тривалістю ізотермічної витримки 0,25 ч. Отриманий таким чином матеріал має дрібнозернисту структуру з рівномірним розподілом первинного та вторинного карбіду кремнію і досить високий межа міцності на вигин, що досягає 360-400 МПа. Додаючи необхідні кількості піроуглерода в пористі попередньо спечені заготовки нагрівачів, а також застосовуючи різні варіанти технології виготовлення, можна отримувати вироби з самозв'язаний карбіду кремнію в широкому діапазоні заздалегідь заданих властивостей (див. табл. 70).

Таблиця 70. Залежність властивостей карбідокремніевих матеріалів для виготовлення електричних нагрівачів від способу їх отримання

		Материа	п
Свойство	рекристал-	самосвязан-	пиролити-	монокри-
	лизованный	ный	ческий	сталличе­ский
Плотность a-SiC, г/см3	2,0—2,5	3,0—3,1	3,1—3,2	3,218
Коэффициент линейного рас-
ширения а-106, К-1	4,5—4,7	4,0—4,3	—	5,2
Модуль упругости Е, ГПа	150—220	690—4120	400—430	560
Предел прочности на изгиб
(20 °С) о-изг, МПа	170—200	(220—260	360—400	—
Предел прочности на сжатие
0сж, МПа	1000—1200	1000—1500	—	1500
Удельное электросопротивле-
ние р-102, Ом-м
Коэффициент теплопроводнос-	107	0,1—10 ■	0,1—10	50
ти, Вт/(м-°С), при темпера-
туре °С
20	31,1		—	490
1000	13,1	41,20	—.	90
Удельная теплоемкость,
Дж/(моль-К), при температу-
ре, к
300	27,06	27,23	28,32	■—
1273	50,19	—	—	31,59
Максимальная температура
длительной эксплуатации, СС	1500	1600—1650	1600—1650	—

Нагрівачі з дісіліціда молібдену розраховані на більш високі робочі температури, ніж з карбіду кремнію, що пов'язано з більшою термостійкістю захисного шару кремнезему, що утворюється на поверхні дісіліціда молібдену при високотемпе літературних окисленні. Однак дісіліцід молібдену в порівнянні з карбідом кремнію має ряд недоліків, які полягають у більш високої електропровідності, чутливості до теплових ударів, низький рівень механічних властивостей, схильність до повзучості при робочих температурах. Ці недоліки частково усуваються при виготовленні нагрівачів з дісіліціда молібдену у випадку використання в якості сполучного бентонітової глини (60-65% Si02, 15-20% А1203) 5-7% Fe203, СаО, MgO і 15-20% НДО). Останнє дозволяє підвищити їх Електроопір і зменшити повзучість за рахунок введення в склад матеріалу кремнезему і стекол.

Для виробництва нагрівачів використовують дісіліцід молібдену з розміром частинок <1,0 мкм. Такий порошок можна отримати помелом більших часток вихідного порошку в кульовий млині в середовищі спирту протягом 40-48 ч. Після дистиляції та сушіння в вакуумі порошок MoSi2 змішують з суспензією, що складається з 15-20% бентонітової глини та 85-80% води, з таким розрахунком, щоб у готовій шихті містилося 8-10% глини. Після сушіння суміші в вакуумному сушильній шафі до залишкової вологості 12-14% з неї пресують циліндричні заготовки, які завантажують в циліндр формувальної машини або в матрицю прес-форми, і методом мундштучного пресування (екструзії) формують стрижні нагрівачів і токоподводящіх частин. Спресовані стрижні сушать в електричних вакуумних шафах при тиску 60-70 Па і температурі 90-100 ° С і спекают в електропечах опору з молібденовим нагрівачем і алундовим муфелей в середовищі водню з точкою роси - 20 ...- 22 ° С і засипання з глинозему при температурі 1300-1500 ° С протягом 60 хв. Оскільки частинки дісіліціда молібдену плакірованний тонкою плівкою оксидів бентонітової глини, то це перешкоджає збільшенню їх розмірів в процесі спікання і забезпечує отримання дрібнозернистою структури порошкового матеріалу. Крім того, більшість глин при температурі 1100-1200 ° С розм'якшується, а при 1400-1500 ° С розплавляється. Це сприяє активуванню процесу спікання за рахунок вязкопластічпого течії і отримання практично беспорістих виробів при відносно низьких температурах (1200-1500 ° С замість 1700 ° С в разі застосування органічного пластифікатора). Після спікання стрижні для токопод-дів і робочої частини нагрівачів піддають окислювальному відпалу при температурі 1500 ° С протягом 10-15 хв прямим пропусканням струму на спеціальному стенді з метою утворення на їх поверхні захисної оксидної плівки. Наприкінці ізотермічної витримки стрижні згинають для надання їм необхідної форми. Після окислення висновків і надання робочої частини нагрівачів необхідної форми проводять їх дифузійну зварювання. Зварювані поверхні ретельно зачищають і полірують на заточний зграйці і знежирюють етанолом або ацетоном. Зварювання здійснюють в установці дифузійного зварювання у вакуумі з індукційним нагрівом при температурі 1450-1500 ° С, тиску 10-20 МПа і тривалості ізотермічної витримки протягом 5-7 хв.

Нагрівачі на основі дісіліціда молібдену працюють в безперервному і циклічних режимах електропечі. При цьому безперервний режим роботи дозволяє забезпечити максимальний термін служби нагрівачів. Довговічність нагрівачів при температурі експлуатації до 1650 ° С та поверхневої потужності 150 кВт/м2 в повітряному середовищі складає більше 10 600 ч. Навіть у діапазоні температур, близьких до граничних (1650-1700 ° С), значні зміни якості захисного шару і самого матеріалу нагрівача не спостерігаються, і теоретично можна вважати, що термін служби нагрівачів з MoSi2 за відсутності механічних дій і програвав при безперервній роботі в діапазоні температур 1000-1700 ° С практично необмежений.

У реальних же умовах експлуатація печей вимагає частого охолодження до кімнатної температури. При цьому спостерігається відшарування захисного шару, а в наступному циклі нагріву та охолодження-освіта нового захисного шару за рахунок окислення незахищених ділянок поверхні нагрівачів. Це призводить до нерівномірного стоншенню, місцевому перегріву і подальшого виходу з ладу нагрівачів. Тому при необхідності роботи печі в циклічному режимі рекомендується не знижувати температуру нижче 1000-800 ° С.Нагрівачі з карбіду ніобію. Завдяки високій температурі плавлення, низької пружності парів, високому питомою електроопору карбіди, перехідних металів IVa - Va підгруп періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва найбільш перспективні для виготовлення нагрівачів, серед них TiC, ZrC, HfC, ТАС і особливо NbC. Карбід ніобію застосовують для виготовлення нагрівачів високотемпературних (до 2800 ° С) вакуумних електропечей, які замінюють вольфрамові нагрівачі, що застосовуються для цих цілей, підвищують термін служби електропечей і знижують витрату електроенергії.

Для виготовлення нагрівачів застосовують карбід ніобію, що містить 88,8-89,0% Nb, 10,2-11,0% будь ласка, 0,1-0,2% Ссвоб. Оригінальний порошок карбіду ніобію подрібнюють в вібраційної млині протягом 2,5-3,0 год в середовищі етанолу-ректифікату при співвідношенні куль і суміші, що дорівнює 5: 1. У млин одночасно вводять 2% хлориду кобальту, який активує спікання карбіду ніобію. Після розуміли суміш піддають дистиляції при температурі 80-90 ° С і просівання через сито № 0056. Питома поверхня карбіду ніобію після подрібнення повинна становити 1,5-2,5 м2 / м.

Підготовлений таким чином порошок карбіду ніобію замішують на крохмальний клейстер, який вводять в суміш в кількості 4-5%. Потім суміш сушать у вакуумі при температурі 80 - 90 ° С до залишкової вологості 8-10%.

З висушеної суміші методом мундштучного пресування при тиску 18-24МПа виготовляють трубчасті або стрижневі заготовки зі стабільним перетином по довжині зі збільшеним поперечним перерізом в місцях струмопідведення.

Нагрівачі змінного перерізу по довжині виготовляють з карбіду ніобію також методом роздільного мундштучного пресування робочих частин і струмопідведення. Трубки-струмопідведення насаджують потім на кінці стрижнів або трубок-нагрівачів на спеціальній пасті, що складається з порошку карбіду ніобію з розміром частинок <20 мкм, і бакелітовій лаку у співвідношенні 4:1.

Після сушіння заготовок у вакуумі при температурі 80-90 ° С їх піддають спікання.

Заготівлі нагрівачів із змінним перетином по довжині виготовляють також методом гарячого лиття термопластичних шлікеров, В цьому випадку карбід ніобію замішують на парафіні з додаванням ПАР в термостатірованной пропелерним мішалці при тим ^ температуру 85-95 ° С. Як ПАР використовують бджолиний віск, який вводять в суміш у кількості 15%. Замішана суміш ВАКу-вмираючи і заливають у термостатірованний ливарний апарат, у якому підтримується температура 65-70 ° С. Стисненим повітрям при тиску 0,4-0,7 МПа суміш видавлюють в порожнину роз'єм ^ ної сталевий прес-форми з температурою 20-30 ° С з наступною витримкою при тиску протягом 20-60 с. Перед остаточним спіканням із заготовок нагрівачів, отриманих гарячим литтям термопластичних шлікеров, видаляють пластифікатор шляхом нагріву заготовок в захисному середовищі і засипання з оксиду алюмінію або сажі по режиму, наведеному на рис. 40.

Видалення пластифікатора відбувається за рахунок міграції рідкого пластифікатора в навколишнє вироби засипку (адсорбент) і випаровування. Загальна тривалість процесу видалення пластифікатора зростає із збільшенням обсягу вироби, особливо в інтервалі температур 100-300 ° С. Для виключення появи дефектів (тріщин, здуття, розшарувань) у великогабаритних виробах перед остаточною отгонкой пластифікатора в печах здійснюють часткове його видалення (від 30-40%) у вакуумі при 60-70 Па і температурі 180 ° С. Після отгонкой пластифікатора вироби спікають закінчать тельно.

Заготівлі нагрівачів з карбіду ніобію, отримані Мунд-т штучним гарячим пресуванням або литтям термопластичних шлікеров, завантажують у графітові контейнери з засипанням з графи-печних крупки й спікають в середовищі водню або аргону в графито-трубчастою печі опору. Контейнери з виробами завантажують у піч при температурі 1000 ° С і прогрівають протягом 0,15-0,25 ч. Потім температуру за 0,25-0,30 ч підвищують до 1850-2550 ° С і роблять ізотермічну витримку протягом 1, 7-3,0 ч.

Температура спікання заготовок з карбіду ніобію залежить від наявності активують добавок і дисперсності порошків карбіду ніобію. Найбільш сильне активуюча вплив на процес спікання карбіду ніобію надають добавки ніобію (5,0%), карбіду танталу (3%) або карбіду бору (10%) у поєднанні з хлоридом кобальту (2%). Металеві та неметалеві добавки, особливо карбіди вольфраму, цирконію і танталу, дозволяють знизити температуру спікання карбіду ніобію, підвищити його питомий Електроопір, зменшити крихкість та підвищити температуру плавлення матеріалу нагрівача за рахунок більш високої температури плавлення утворюються сплавів.

Ініціюють дії містять хлор сполук на процес спікання карбіду ніобію обумовлено тим, що при низьких температурах утворюються хлориди металів, які в подальшому частково відновлюються. Що виникають при цьому атоми металу конденсуються в місцях з мінімальним значенням вільної енергії (западини на поверхні, стики часток), що призводить до створення на поверхні частинок деякого градієнта концентрацій вакансій у разі спікання чистих металів, а також градієнта концентрацій атомів металів і неметалів при спіканні тугоплавкого з'єднання. У результаті значно прискорюються процеси поверхневої дифузії. Пористість порошкових виробів з карбіду ніобію з активують добавками становить менше 10%. Отримані таким чином нагрівачі з NbC можуть працювати у вакуумі при температурі 2500-2600 ° С більше 420 годин, а при температурі 2700-2800 ° С - 150 год без істотних змін фазового складу і структури. У той же час застосовувані для цієї мети нагрівачі із графіту при температурі 2500-2600 ° С працюють у вакуумі близько 3,5 годин, тобто в 120 разів менше, ніж нагрівачі з карбіду ніобію. Нагрівачі з карбіду ніобію також ефективно працюють в середовищі аргону технічної та особливої чистоти при тиску 0,1 МПа при температурі до 3000 ° С протягом 100 год без істотної зміни складу матеріалу.

8.5. ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНІ Термопара НА ОСНОВІ тугоплавких сполук

Багато тугоплавкі безкисневі сполуки мають високі термоелектричними властивостями, що в поєднанні з високою вогнестійкістю дозволяє використовувати їх для виготовлення електродів високотемпературних термопар для безпосереднього вимірювання температур до 3000-3500 ° С практично в будь-яких середовищах: розплавах сталей і чавунів, містять вуглець газів, розплавів шлаків, кріоліту та ін

У цьому випадку тугоплавкі сполуки, що застосовуються для виготовлення термоелектродов, повинні мати: 1) високою термо-е. р. с. термопари; 2) лінійної або близькою до лінійної залежністю термо-е. р. с. термопари від температури; 3) відсутністю точок інверсії в діапазоні вимірювань, тобто відсутністю полярності термоелектродов, що викликає незручності в роботі; 4) високою механічною міцністю при кімнатній і підвищених температурах; 5) стійкістю проти різних газових середовищ (окислювальних, відбудовних, насичується вуглицем, нейтральних); 6) високою температурою плавлення, малої питомої теплоємність.

Термоелектроди з тугоплавких сполук задовольняють більшості вимог, але є дуже крихкими. Це викликає необхідність застосування щодо масивних термоелектродов, що скорочує область можливого використання термопар.

Рис. 76. Схема разреза термопары: / — стержень; 2 — труба; 3 — изоляцион­ная втулка; 4 Ыконтакты электродов с удлиняющими проводами.

Для виготовлення термоелектродов високотемпературних термопар застосовуються MoSi2, WSi2,ZrB2, TiB2) ZrC, NbC, TiC, HfC і графіт. Відповідно до областями застосування термопар з цих тугоплавких сполук їх виготовляютьтрьох типів:

1) для вимірювання температур до 1700 ° С агресивних газових середовищ і деяких розплавлених солей і металів-(MoSi2/WSi2);

2) для вимірювання температур до 1700-1800 ° С розплавів сталі, чавуну, кольорових і деяких рідкісних металів, а також насичується вуглицем газових середовищ до 2000 ° С - (C / Zr B2);

2. для вимірювання температур до 2500 ° С відновних, нейтральних, інертних газових середовищ і у вакуумі-(C / TiC); для вимірювання температур до 3000 - 3500 ° С в цих середовищах застосовують термопари ZrC / NbC і NbC / HfC

Термоелектроди з тугоплавких з'єднань виготовляють у вигляді стрижнів і труб. При цьому найбільш технологічна конструкція термопари з термоелектродамі з тугоплавких сполук є комбінацією труби і стрижня (рис. 76). Стержень розташований в трубі концентричні. Термоелектроди в місці гарячого спаяний з'єднуються в процесі спікання, спаюються високотемпературними припоями або зварюються дифузійного зварюванням. Холодний спай отримують так: кінці електродів зачищають, обмотують мідним дротом і заливають оловом, до якого і припаюють подовжувальні дроти.

Таким чином, технологія виробництва термопар на основі тугоплавких сполук включає виробництво стрижнів і труб, зварювання гарячого спаяний, паяння або інші способи здійснення холодного спаяний. Основними операціями є пресування, спікання і термообробка термоелектродов, оскільки вони мають вирішальний вплив на термоелектричні властивості термопар.

Для виробництва стрижнів і труб з тугоплавких сполук застосовують метод мундштучного пресування пластифікований сумішей (див. гл. 5).

Стрижневі або трубчасті заготовки термоелектродов пресують при тиску 18-24 МПа. Після сушіння заготовок на повітрі або у вакуумі при температурі 80-90 ° С протягом 8-16 год їх укладають у спеціальні контейнери графітові, що виключають викривлення заготовок, і спекают в печах опору з графітотруб-чатим нагрівачем в захисному середовищі технічного водню з точкою роси -20 ...- 22 ° С або конвертований природного газу з точкою роси -2 ° С. Режими спікання термоелектродов термопар із тугоплавких сполук наведені в. термоелектродов табл. 71.

У деяких випадках для зниження температури спікання карбідів ніобію, танталу, гафнію до складу вихідної шихти вводять присадки, активують процес спікання. При використанні як активують присадок СоС12, № С12, FeCl2 їх вводять до складу вихідної шихти, а при використанні NH4C1, NaCl, KC1 - в газове середовище печі або в засипку. Активуюча вплив на процес спікання хлорвмісних сполук описано вище стосовно до спікання нагрівачів з карбіду ніобію.

Таблиця 71. Режими спікання термоелектродов з тугоплавких з'єднанні, отриманих методом мундштучного пресування

Соединение	Температура спекания, °С	Длительность спекания, мин	ч О X	Засыпка	Усадка при спекании, %	« н 11 н <■> «t S М о* о gas
MoSi2, WSi2 (пла­стификатор — глина) MoSi2, WSi2 (пластифика­тор —■ крахмал) TiC ZrB2 NbC	I —1300 II —1650— 1700 I — 1700— 1750 11 — 1650— 1700 2300—2400 2050—2100 2500—2600	180— 240 5—10 60—80 5—10 120 60—80 60—80	Водород Воздух Водород Воздух Водород То же »	Алундовые трубы То же Графитовые прокладки То же »	12—13 2—3 0—1 8-14 8—12	8—10 2-5 4—6 8-10 6—12 15—20

Процес спікання суміщають з отриманням, гарячого спаяний термопар з термоелектродов C/ZrB2, C / TiC, C /> NbC; ZrEWZrC, NbC / HfC. Для цієї мети в спресовану трубу зовнішнього термоелектрода після сушіння вставляють графітовий стрижень або вже спечений стрижень з тугоплавкого, з'єднання і на гарячому наприкінці термоелектроди з'єднують обмазкою з тієї ж суміші, з якої виготовлені трубчасті електроди. У процесі спікання за рахунок усадки маси, навколишнього стрижень, створюється контакт. При цьому взаємодія між графітовими стрижнями і електродами з карбідів титану, цирконію, ніобію і боридів цирконію, а також між стрижнем з карбіду цирконію і електродом з борид цирконію практично відсутня.

Гарячий спай електродів термопари MoSi2/WSi2 отримують шляхом дифузійного зварювання в графітовому нагрівачі при температурі 1650-1680 ° С протягом 5-10 хв при тиску 5-10 МПа. Компенсаційні і подовжувальні проводи до холодних кінців електродів припаюють. Для поліпшення умов пайки на кінці електродів гальванічним способом наносять мідь.

Всі термопари на основі тугоплавких сполук мають достатньо високу чутливість (від 8 до 65 мкВ / ° С) і відтворюваністю термоелектродвіжущей сили (табл. 72, рис. 77).

Таблиця 72. Межі вимірювань і термо-е. д. з термопар з електродами з тугоплавких сполук

Термопара	Элек	трод	Верхний предел измерений, °С	Коэффициент термо-э. д. с. при темпера­туре свыше 600 °С,
	внутренний	наружный^		мкВ/°С
C/TiC C/ZrB2 C/NbC ZrB2/ZrC MoSi2/WS2	С с с ZrC ,WSi2	TiC ZrB2 NbC ZrB2 MoSi2	2600 2000 2500 2000 1700	65 65 26 9 8

Рис 77термоелектродвіжущей сили термопар на основі ЈMg тугоплавких сполук:

/ - C / TiC; 2 - C/ZrB2; 3 - C / NbC; 4 - ZrB2/ZrC; 5 - MoSis/WSi2.

Висока стабільність термопар з термоелектродамі з тугоплавких сполук обумовлена відсутністю взаємодії між електродами при робочих температурах.

Питання для самоконтролю

1.Як класифікуються порошкові матеріали електротехнічного призначення?

2.Як вимоги пред'являються до контактних матеріалами?

3.Як ви знаєте технологічні варіанти виготовлення слабо-, середньо> навантажених і важко навантажених контактів?

4.Які вимоги пред'являються до магнітних матеріалів?

5.Які ви знаєте технологічні варіанти виготовлення виробів з магнітно-м'яких і магнітно-твердих матеріалів на основі металів і сплавів?

6.Какіе існують технологічні варіанти виготовлення виробів з магнітно-м'яких і магнітно-твер'дих феритів?

7.Як матеріали застосовуються для виготовлення нагрівачів електричних печей?

8.Які переваги і недоліки характерні для нагрівачів з безкисневих тугоплавких сполук?

9.Какіе вимоги пред'являються до матеріалів електродів контактного зварювання та ерозійної обробки?

10. Які ви знаєте технологічні варіанти отримання матеріалів для електродів контактного зварювання та ерозійної обробки?