Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0199

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0199
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН"
Название доклада
Разработка технологии изготовления нанокомпозита на основе меди для замены серебра в разрывных электрических контактах
Докладчик
Гершман Иосиф Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Использование технологий искрового плазменного спекания и механического легирования для получения медного нанокомпозита, способного заменить серебро в разрывных электрических контактах, с минимальными технологическими потерями материала.
Цель проекта достигается решением следующих основных задач:
1. Выбор составов композиционных материалов на основе меди, способных заменить серебро в электрических контактах.
2. Разработка технологии изготовления композиционных наноматериалов на основе меди для электрических контактов.
3. Изготовление высокоплотных композиционных материалов с наноразмерными дисперсными частицами.
4. Комплексные исследования и испытания медного нанокомпозита на определение механических, физических, термомеханических свойств, температуры начала разупрочнения, на воздействие электрической дуги, поведение материала при термическом окислении по сравнению с медью и серебром; проведение стендовых испытаний, проведение эксплуатационных испытаний.
Актуальность и новизна исследования
Серебро относится к классу драгоценных металлов. При работе разрывных и скользящих электрических контактов большая часть серебра безвозвратно теряется при изнашивании. Поэтому замена серебра в электрических контактах на не драгоценный металл, например, медь, является актуальной и интересной задачей.
Актуальность работы вызвана двумя основными причинами:
1. Возрастающим дефицитом серебра;
2. Высокой экономической эффективностью замены серебра.
Применение технологии искрового плазменного спекания, механического легирования позволит значительно удешевить материал на основе меди и улучшить его качество. Как показал предварительные испытания интенсивность эрозионного изнашивания нового материала не превышает интенсивность изнашивания серебра.
Стоимость заготовок (полоса) из серебра для электрических контактов достигает 45 тыс. руб/кг. Стоимость такой же медной заготовки составляет 500 – 1000 руб./кг. Ожидаемая стоимость нового материала составит около 10 – 15 тыс. руб./кг. Таким образом, эффективность от замены 1 кг серебра составит около 30 тыс. руб. Эффективность от замены 1 т серебра составит более 30 млн. руб.
Описание исследования

Требования для перспективных материалов разрывных электрических контактов взамен серебра

Кроме традиционных требований к физическим, механическим и термомеханическим свойствам к электроконтактным материалам взамен серебросодержащих материалов необходимо предъявлять требования, связанные с нестойкостью окислов на рабочих поверхностях. Вследствие того, что только медь имеет удельную электропроводность лишь на 6 % меньше, чем серебро, только медь может быть основой контактного материала взамен серебра.

Однако, на меди образуются термодинамически стойкие оксиды. Поэтому нужен материал, на котором оксиды не будут иметь надежной адгезии с основой. Подобными материалами могут быть дисперсно упрочненные медные композиты с как можно более мелкими дисперсными частицами.

При этом материал должен обладать как можно более высокой жаропрочностью и иметь как можно более высокую температуру начала разупрочнения, не менее 700 °С. Это требование необходимо для того, чтобы удаление оксидов проходило не по материалу-основе, а по границе оксидов с ним.

Удельное электрическое сопротивление предлагаемого материала не должно уступать удельному электрическому сопротивлению наиболее распространенного материала на основе серебра Ag-15%CdO, которое составляет 0,028 мкОм·м (не менее 62 %  IACS).

Твердость должна быть не менее 80 НВ, чтобы обеспечить необходимую прочность, но не должна превышать 160 НВ, чтобы заметно не снижать контактную площадь.

Подобным требованиям удовлетворяют дисперсно-упрочненные материалы на основе меди с размерами дисперсных включений не более 100 нм.

При дуговом воздействии материал не должен терять объем больше, чем теряет медь.

Материалы и методы 

При проведении исследований использовались следующие материалы серебро Ag 99.99, холодно катанная медь марки С11000. Композиционный материал Cu-1 об.% Al2O3. Изготовление композита включало следующие основные технологические этапы: выплавка сплава Cu-Al, перевод сплава в стружку, окисление меди, восстановление меди окислением алюминия, обработка материала в шаровой мельнице, горячее прессования предварительно брикетированного порошка.

На материалах определялись удельное электрическое сопротивление, твердость, предел прочности. Эти свойства определялись при 20 °С до и после выдержки при 800 °С и при 900 °С. Температура разупрочнения определялась по результатам измерения твердости до и после часовой выдержки при данной температуре. Выше 700 °С температура выдержки увеличивалась через 20 °С.

Испытания по определению потери объема материалов при дуговом воздействии проводятся в дуге постоянного тока при однократном воздействии дугового разряда. Дуга инициируется между парой контактов из одинакового материала. Ток в дуге составляет 2,5 кА, полное время горения дуги составило 180 мс, начальное расстояние между контактами – 10 мм. Измерялась потеря массы контактов. Потеря объема определялась делением потери массы на плотность материалов. 

Для определения электрического сопротивления окисных пленок на материалах контактов образцы из трех материалов выдерживались при температуре 200 °С на воздухе в течение 1 часа, 3 часов, 5 часов, 7 часов и 10 часов. После каждого времени выдержки определялось падение напряжения на окисных пленках (контактное напряжение) при токе 100 А. Затем рассчитывали электрическое сопротивление (контактное сопротивление).

Стендовые испытания проводили на контакторе при напряжении 50 В, токе 1250 А. В результате испытаний определен сравнительный износ материалов контактов из меди и нанокомпозита Cu-Al2O3 и изменение переходного сопротивления контактов.

Для сравнения износа контактов, изготовленных из серебряного композита Ag-CdO и нанокомпозита Cu-Al2O3 стендовые испытания были проведены на контакторе при напряжении 1500 В, токе 1300 А.

Микроструктурные исследования проводились на TEM.

Результаты исследования

Микроструктурные исследования композита, проведенные с помощью TEM показали, что размеры субзерен рис. 1 находятся в пределах 100 – 150 мкм.

рис.1

Это означает, что композит нагартован и имеет относительно мелкие субзерна. На рис. 2 показано изображение угольной реплики композита.

 рис.2

Средний размер дисперсных частиц Al2O3 составляет около 30 нм. При этом они занимают значительную площадь поверхности - около 20 %. Это способствует повышению температуры разупрочнения и уменьшению адгезии окисной пленки с поверхностью композита. Размеры дисперсных частиц позволяют отнести его к нанокомпозитам.

Механические свойства, удельная электропроводность до и после часовой выдержки при 800 °С, температура разупрочнения приведены в таб. 1.

Таблица 1. 

Материал

Удельная электропроводность

(IACS)

Предел прочности при 20°С (МПа)

Твердость (НВ)

Предел прочности при 900°С (МПа)

Температура разупрочнения, °С

Cu - Al2O3

81/87

461/430

130/130

176/176

860

Cu

100/100

357/218

112/44

14,4/14,4

210

Потеря объема после воздействия на материалы электрической дуги приведены на рис. 3. рис.3

На рис. 4 приведены зависимости контактного сопротивления серебра, меди, нанокомпозита Cu-Al2O3 от времени выдержки при температуре 200 °С.

 рис.4

Результаты проведенных испытаний показывают, что нанокомпозит Cu-Al2O3 обладает повышенной прочностью и твердостью по сравнению с медью. 

Главный результат проведенных испытаний – это существенно более высокая температура разупрочнения нанокомпозита по сравнению с температурой разупрочнения меди. Необходимо отметить, что температура разупрочнения нанокомпозита Cu-Al2O3 превышает температуру разупрочнения известных жаропрочных низколегированных медных сплавов. Нанокомпозит обладает высокой жаропрочностью, имея на порядок более высокую прочность по сравнению с прочностью меди при температуре 900 °С. Это позволяет рассчитывать на повышенную сопротивляемость механическому износу нанокомпозита Cu-Al2O3 при повышенных температурах.

Нанокомпозит Cu-Al2O3 обладает пониженным по сравнению с медью контактным сопротивлением (рис. 4).

Не смотря на то, что начальное контактное сопротивление у меди почти в 2 раза меньше, чем у нанокомпозита, конечное контактное сопротивление у меди почти в 2 раза больше, чем у нанокомпозита. Износ медных контактов примерно в 2,5 раза больше, чем износ контактов из нанокомпозита. Таким образом, образование нестойких окислов на поверхности образцов из нанокомпозита Cu – Al2O3 обеспечивает надежную работу электрически контактов во время эксплуатации.

Контакты из нанокомпозита Cu – Al2O3 нзнашиваются менее интенсивно по сравнению с контактами из композита Ag-CdO. 

При работе электрических контактов происходит деформация и упрочнение их поверхности. Медь имеет температуру разупрочнения ниже температуры рабочей области, поэтому на ее поверхности происходит наклеп с одновременным отжигом. Непосредственно у поверхности образуется слой толщиной около 300 мкм отожженной меди, способной к схватыванию при последующем замыкании электрических контактов. При последующем размыкании электрических контактов происходит отрыв частиц с одной из поверхностей размером до 500 мкм. Нанокомпозит Cu – Al2O3 в отличие от чистой меди обладает высокой температурой разупрочнения (800 – 860 ˚С). Поэтому наклепанный слой образуется на глубину до 200 микрон. Схватывание частиц поверхностей двух сопрягаемых электрических контактов происходит в существенно меньшей степени.

Практическая значимость исследования
Практическое применение результатов работы будет осуществляться в области создания электротехнических материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками. Электрические контакты используются практически в любой области деятельности. Во многих из них применяются серебряные материалы. Планируется замена материалов на основе серебра на композиционный медный наноматериал, разрабатываемый в данной работе. Заменять серебро планируется только в силовых контактах. В контактах, в которых не должен нарушаться передаваемый сигнал (системы безопасности и связи), заменять серебро не рекомендуется. Таким образом, областью применения являются серебряные контакты силовых выключателей электрооборудования. Такие выключатели существуют во всех отраслях промышленности, практически на всех видах транспорта и в бытовых приборах.