RU2809288C1 - Method of electro-explosive spraying of electrical erosion-resistant coatings based on molybdenum and gold on copper electrical contact - Google Patents
Method of electro-explosive spraying of electrical erosion-resistant coatings based on molybdenum and gold on copper electrical contact Download PDFInfo
- Publication number
- RU2809288C1 RU2809288C1 RU2023111593A RU2023111593A RU2809288C1 RU 2809288 C1 RU2809288 C1 RU 2809288C1 RU 2023111593 A RU2023111593 A RU 2023111593A RU 2023111593 A RU2023111593 A RU 2023111593A RU 2809288 C1 RU2809288 C1 RU 2809288C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrical
- copper
- gold
- molybdenum
- coating
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 79
- 239000010949 copper Substances 0.000 title claims abstract description 55
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 54
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 54
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 50
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 46
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 37
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 title claims abstract description 35
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 32
- 239000010931 gold Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000005507 spraying Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 239000002360 explosive Substances 0.000 title abstract description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 61
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000004880 explosion Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 238000007600 charging Methods 0.000 description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 4
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 4
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 238000009760 electrical discharge machining Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 229910017315 Mo—Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004125 X-ray microanalysis Methods 0.000 description 1
- 230000002902 bimodal effect Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000010616 electrical installation Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности с использованием концентрированных потоков энергии, в частности к технологии получения на поверхностях медных электрических контактов, работающих в условиях коммутации электрических сетей, покрытий на основе молибдена и золота, которые могут быть использованы в электротехнике как электроэрозионностойкие покрытия с высокой стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей.The invention relates to the technology of applying coatings to metal surfaces using concentrated energy flows, in particular to the technology of producing coatings based on molybdenum and gold on the surfaces of copper electrical contacts operating in switching electrical networks, which can be used in electrical engineering as erosion-resistant coatings with high stability of operation under conditions of switching electrical networks.
Известен способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе вольфрама и меди на медные электрические контакты (RU №2546939 МПК С23С 4/08, С23С 4/12, опубл. 10.04.2015). Способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе вольфрама и меди на медные электрические контакты включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника в виде порошка вольфрама массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва, формирование на ней композиционного покрытия системы W-Cu и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см2, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30 имп.There is a known method for applying electrical erosion-resistant coatings based on tungsten and copper on copper electrical contacts (RU No. 2546939 MPK S23S 4/08, S23S 4/12, publ. 04/10/2015). A method for applying electrical erosion-resistant coatings based on tungsten and copper on copper electrical contacts includes an electric explosion of a composite electrically explosive conductor consisting of a two-layer flat copper shell weighing 60-360 mg and a core in the form of tungsten powder weighing 0.5-2.0 shell mass , formation of a pulsed multiphase plasma jet from the explosion products, melting of the surface of a copper electrical contact with it at an absorbed power density of 4.5-6.5 GW/m 2 , deposition of the explosion products on the surface, formation of a composite coating of the W-Cu system on it and subsequent pulsed - periodic electron beam treatment of the coating surface with an absorbed energy density of 40-60 J/cm 2 , a pulse duration of 150-200 μs and a number of pulses of 10-30 pulses.
Недостатком способа являются низкие электроэрозионная стойкость и стабильность работы покрытия на основе вольфрама и меди в условиях коммутации электрических сетей. Также недостатком способа является двухстадийное формирование покрытия, включающее электровзрывное напыление и электронно-пучковую обработку.The disadvantage of this method is the low electrical erosion resistance and stability of the coating based on tungsten and copper under conditions of switching electrical networks. Another disadvantage of this method is the two-stage formation of the coating, including electroexplosive spraying and electron beam processing.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе молибдена и меди на медные электрические контакты (RU №2545852 МПК С23С 4/08, С23С 4/12, опубл. 10.04.2015). Способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе молибдена и меди на медные электрические контакты включает электрический взрыв композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из двухслойной плоской медной оболочки массой 60-360 мг и сердечника из порошка молибдена массой, равной 0,5-2,0 массы оболочки, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м2, осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней композиционного покрытия системы Мо-Cu и последующую импульсно-периодическую электронно-пучковую обработку поверхности покрытия при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см2, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30 имп.The closest to the claimed invention is a method for applying electroerosion-resistant coatings based on molybdenum and copper on copper electrical contacts (RU No. 2545852 MPK S23S 4/08, S23S 4/12, publ. 04/10/2015). The method of applying electroerosion-resistant coatings based on molybdenum and copper on copper electrical contacts includes an electric explosion of a composite electrically explosive conductor consisting of a two-layer flat copper shell weighing 60-360 mg and a core made of molybdenum powder weighing 0.5-2.0 of the shell mass, formation of a pulsed multiphase plasma jet from the explosion products, melting of the surface of a copper electrical contact with it at an absorbed power density of 4.5-6.5 GW/ m2 , deposition on the surface of the explosion products and the formation of a composite coating of the Mo-Cu system on it and subsequent pulsed periodic electron beam treatment of the coating surface at an absorbed energy density of 40-60 J/cm 2 , a pulse duration of 150-200 μs and a number of pulses of 10-30 pulses.
Недостатком способа являются низкие электроэрозионная стойкость и стабильность работы покрытия на основе молибдена и меди в условиях коммутации электрических сетей. Также недостатком способа является двухстадийное формирование покрытия, включающее электровзрывное напыление и электронно-пучковую обработку.The disadvantage of this method is the low electrical erosion resistance and stability of the coating based on molybdenum and copper under conditions of switching electrical networks. Another disadvantage of this method is the two-stage formation of the coating, including electroexplosive spraying and electron beam processing.
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением является получение покрытия на основе молибдена и золота на поверхности медных электрических контактов, обладающего высокими электроэрозионной стойкостью и стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей.The technical problem solved by the claimed invention is the production of a coating based on molybdenum and gold on the surface of copper electrical contacts, which has high electrical erosion resistance and operational stability under conditions of switching electrical networks.
Существующая техническая проблема решается тем, что предложен способ электровзрывного напыления электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе золота с включениями молибдена, на медный электрический контакт, характеризующийся тем, что осуществляют электрический взрыв фольги из золота массой 100-800 мг с размещенным на ней порошком молибдена массой 0,5-1,5 массы фольги, формируют из продуктов взрыва импульсную многофазную плазменную струю, оплавляют ею поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-5,5 ГВт/м2 с осаждением на поверхность медного электрического контакта продуктов взрыва с формированием электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе золота с включениями молибдена.The existing technical problem is solved by the fact that a method is proposed for electroexplosive spraying of an electroerosion-resistant composite coating containing a gold-based matrix with molybdenum inclusions onto a copper electrical contact, characterized by the fact that an electric explosion is carried out on a gold foil weighing 100-800 mg with molybdenum powder placed on it weighing 0.5-1.5 times the mass of foil, form a pulsed multiphase plasma jet from the explosion products, melt the surface of the copper electrical contact with it at an absorbed power density of 4.5-5.5 GW/m 2 with deposition of explosion products on the surface of the copper electrical contact with the formation of an electrical erosion-resistant composite coating containing a gold-based matrix with molybdenum inclusions.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в том, что, при электрическом взрыве фольги из золота с размещенным на ней порошком молибдена продукты разрушения образуют плазменную струю, служащую инструментом формирования на поверхности электрических контактов из медных сплавов электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе золота с включениями молибдена. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании покрытия, которое обладает лучшей электроэрозионной стойкостью и стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. Применение покрытия, состоящего из матрицы на основе золота с включениями молибдена, позволяет этого добиться. Достижение такого результата обеспечивает применение золота, обладающего меньшей электропроводностью 45,5 МСм/м, по сравнению с медью - 59,5 МСм/м. Твердость чистого золота по шкале Бринелля составляет 20 кгс/мм, а у меди - 35 кгс/мм. Сочетание сопоставимой электропроводности меди и золота, а также мягкости золота позволяет формировать пару электрических контактов, которая обладает лучшими рабочими характеристиками, что позволяет повысить электроэрозионную стойкость и стабильность работы в условиях коммутации электрических сетей предлагаемого покрытия по сравнению с покрытиями из молибдена и меди. Использование предлагаемого покрытия снижает переходное сопротивление электрических контактов и сохраняет постоянство электрических параметров (время включения, собственное время включения, собственное время отключения, полное время отключения цепи, время-токовая характеристика, ток отключения, ток включения, устойчивость при сквозных токах, механическая износостойкость, коммутационная износостойкость, восстанавливающееся напряжение, диаграмма коммутационных положений) из-за совокупности характеристик структуры и фазового состава. Электроэрозионностойкое композиционное покрытие представляет собой матрицу на основе золота с включениями молибдена и обладает бимодальной структурой: субмикрокристаллической и нанокристаллической. Кроме того повышается быстрота формирования покрытия по сравнению с прототипом за счет исключения финишной электронно-пучковой обработки. Прочностные характеристики предлагаемого покрытия позволяют обеспечить быструю приработку электрических контактов, поэтому не требуется финишная абразивная обработка поверхности покрытий перед эксплуатацией.The technical result obtained by implementing the invention is that, during an electrical explosion of gold foil with molybdenum powder placed on it, the destruction products form a plasma jet, which serves as a tool for forming on the surface of electrical contacts from copper alloys an electrical erosion-resistant composite coating containing a matrix based on gold with inclusions of molybdenum. The advantage of the proposed method compared to the prototype is the formation of a coating that has better electrical erosion resistance and operational stability under conditions of switching electrical networks. The use of a coating consisting of a gold-based matrix with molybdenum inclusions allows this to be achieved. Achieving this result is ensured by the use of gold, which has a lower electrical conductivity of 45.5 MS/m, compared to copper - 59.5 MS/m. The hardness of pure gold on the Brinell scale is 20 kgf/mm, and that of copper is 35 kgf/mm. The combination of comparable electrical conductivity of copper and gold, as well as the softness of gold, makes it possible to form a pair of electrical contacts that has better performance characteristics, which makes it possible to increase the electrical erosion resistance and stability of operation under the conditions of switching electrical networks of the proposed coating compared to coatings made of molybdenum and copper. The use of the proposed coating reduces the transition resistance of electrical contacts and maintains the constancy of electrical parameters (turn-on time, intrinsic turn-on time, intrinsic switch-off time, total circuit switch-off time, time-current characteristic, switch-off current, switch-on current, stability with through currents, mechanical wear resistance, switching wear resistance, recovery voltage, switching position diagram) due to the combination of structure characteristics and phase composition. The electrical erosion-resistant composite coating is a gold-based matrix with molybdenum inclusions and has a bimodal structure: submicrocrystalline and nanocrystalline. In addition, the speed of coating formation increases compared to the prototype due to the elimination of finishing electron beam processing. The strength characteristics of the proposed coating allow for rapid break-in of electrical contacts, so there is no need for final abrasive treatment of the coating surface before use.
Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что при электровзрывном напылении на медных электрических контактах путем электрического взрыва фольги из золота массой 100-800 мг с размещенным на ней порошком молибдена массой 0,5-1,5 массы фольги, формируют из продуктов взрыва импульсную многофазную струю, оплавляют ею поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5-5,5 ГВт/м2 с осаждением на поверхность медного электрического контакта продуктов взрыва.Studies using scanning electron microscopy have shown that during electroexplosive deposition on copper electrical contacts by electrical explosion of a gold foil weighing 100-800 mg with molybdenum powder placed on it weighing 0.5-1.5 times the mass of the foil, a pulsed multiphase jet is formed from the explosion products , they melt the surface of a copper electrical contact with it at an absorbed power density of 4.5-5.5 GW/m 2 with the deposition of explosion products on the surface of the copper electrical contact.
Указанный режим, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 4,5-5,5 ГВт/м2, установлен эмпирически и является оптимальным, поскольку при интенсивности воздействия ниже 4,5 ГВт/м2 не происходит образование рельефа между покрытием и подложкой из медного сплава, вследствие чего возможно отслаивание покрытия, а при интенсивности воздействия выше 5,5 ГВт/м2 происходит интенсивный разлет продуктов взрыва, что приводит к снижению содержания матрицы на основе золота с включениями из молибдена в электроэрозионностойком композиционном покрытии по сравнению с состоянием в исходных материалах на 5%. При значении массы фольги из золота менее 100 мг становится невозможным размещение на ее поверхности порошка молибдена из-за снижения площади фольги. При значении массы фольги из золота более 800 мг электроэрозионностойкое композиционное покрытие, содержащее матрицу на основе золота с включениями из молибдена на поверхности электрических контактов из медных сплавов обладает большим количеством дефектов. Дефекты в данном случае представлены фрагментами фольги из золота, которые не разрушились при электрическом взрыве, а лишь частично оплавились и прилипли к поверхности покрытия. При значении массы порошка молибдена менее 0,5 от массы фольги снижается электроэрозионная стойкость и стабильность работы покрытия в условиях коммутации электрических сетей. Молибден при формировании электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе золота с включениями из молибдена, является фазой с высокой температурой плавления и твердостью. Снижение концентрации молибдена не оказывает влияния на повышение электроэрозионной стойкости и стабильности работы покрытия в условиях коммутации электрических сетей. При значении массы порошка молибдена более 1,5 от массы фольги из золота не происходит перенос продуктов взрыва на поверхность медного электрического контакта. В этом случае избыточная масса порошка молибдена не позволяет сформироваться импульсной плазменной струе, следовательно, покрытие не образуется.The indicated mode, in which the absorbed power density is 4.5-5.5 GW/ m2 , is established empirically and is optimal, since at an impact intensity below 4.5 GW/ m2 , relief does not form between the coating and the copper alloy substrate , as a result of which peeling of the coating is possible, and when the impact intensity is above 5.5 GW/m 2 , intense dispersion of explosion products occurs, which leads to a decrease in the content of the gold-based matrix with molybdenum inclusions in the electrical erosion-resistant composite coating compared to the state in the original materials at 5%. When the mass of gold foil is less than 100 mg, it becomes impossible to place molybdenum powder on its surface due to a decrease in the area of the foil. When the mass of gold foil is more than 800 mg, the electrical erosion-resistant composite coating containing a gold-based matrix with molybdenum inclusions on the surface of electrical contacts made of copper alloys has a large number of defects. The defects in this case are represented by fragments of gold foil, which did not collapse during an electrical explosion, but only partially melted and stuck to the surface of the coating. When the mass of molybdenum powder is less than 0.5 of the mass of the foil, the electrical erosion resistance and stability of the coating under conditions of switching electrical networks are reduced. When forming an electrical erosion-resistant composite coating containing a gold-based matrix with molybdenum inclusions, molybdenum is a phase with a high melting point and hardness. Reducing the concentration of molybdenum does not affect the increase in electrical erosion resistance and stability of the coating under conditions of switching electrical networks. When the mass of molybdenum powder is more than 1.5 times the mass of gold foil, no transfer of explosion products to the surface of the copper electrical contact occurs. In this case, the excess mass of molybdenum powder does not allow the formation of a pulsed plasma jet, therefore, the coating is not formed.
Проведены измерения микротвердости, модуля упругости, предел прочности при растяжении. Значение микротвердости сформированного методом электровзрывного напыления электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе золота с включениями из молибдена, составляет 0,423 ГПа (стандартные значения микротвердости молибдена и золота составляют 1,53 и 0,216 ГПа соответственно). Модуль упругости сформированного покрытия составил 15400 кгс/мм2 (стандартные значения модуля упругости молибдена и золота составляют 29150 и 7000-8500 кгс/мм2 соответственно), предел прочности при растяжении - 24,3 кгс/мм2 (стандартные значения предела прочности при растяжении молибдена и золота составляют 40-70 и 14-16 кгс/мм2 соответственно).Measurements of microhardness, elastic modulus, and tensile strength were carried out. The microhardness value of the electrical erosion-resistant composite coating formed by electroexplosive spraying, containing a gold-based matrix with molybdenum inclusions, is 0.423 GPa (standard microhardness values of molybdenum and gold are 1.53 and 0.216 GPa, respectively). The elastic modulus of the formed coating was 15400 kgf/mm 2 (standard values of the elastic modulus of molybdenum and gold are 29150 and 7000-8500 kgf/mm 2 , respectively), tensile strength - 24.3 kgf/mm 2 (standard values of tensile strength molybdenum and gold are 40-70 and 14-16 kgf/mm 2 , respectively).
В результате такой обработки взаимодополняющими методами исследования покрытия: сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа поверхности покрытия и прямых шлифов, рентгенофазового анализа и послойным анализом методом просвечивающей электронной микроскопии установлено следующее. Методами сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа поверхности покрытия установлено, что поверхность покрытия однородна, а распределение элементов на ней представлено только атомами элементов, из которых формировали покрытие: молибден и золото. Исследование элементного состава покрытия по его толщине показало, что основными элементами покрытия также являются молибден и золото. Эти результаты исследования структуры покрытия на поперечном шлифе полностью согласуются с результатами исследования поверхности покрытия, изложенными выше. Методом картирования в характеристических излучениях элементов проведена визуализация распределения элементов в объеме покрытия, согласно которой, можно отметить отсутствие явно выраженных участков покрытия с преобладающим расположением того или иного элемента, то есть молибден и золото распределены однородно. Сформированные покрытия не содержат поры. Методами микрорентгеноспектрального анализа и просвечивающей электронной микроскопии установлено содержание в покрытии фаз Мо и Au. Проведенные исследования структуры, фазового и элементного составов не выявили оксидных фаз (как правило, оксиды могут формироваться в электровзрывных покрытиях в случае проникновения воздуха в рабочее пространство), которые снижают электропроводность покрытия.As a result of such processing using complementary methods of studying the coating: scanning electron microscopy and micro-X-ray spectral analysis of the surface of the coating and straight sections, X-ray phase analysis and layer-by-layer analysis using transmission electron microscopy, the following was established. Using scanning electron microscopy and X-ray microspectral analysis of the coating surface, it was established that the coating surface is homogeneous, and the distribution of elements on it is represented only by atoms of the elements from which the coating was formed: molybdenum and gold. A study of the elemental composition of the coating based on its thickness showed that the main elements of the coating are also molybdenum and gold. These results of studying the structure of the coating on a transverse section are completely consistent with the results of studying the surface of the coating presented above. Using the method of mapping in the characteristic radiation of elements, the distribution of elements in the volume of the coating was visualized, according to which it can be noted that there are no clearly defined areas of the coating with a predominant location of one or another element, that is, molybdenum and gold are distributed uniformly. The formed coatings do not contain pores. Using X-ray microanalysis and transmission electron microscopy, the content of Mo and Au phases in the coating was determined. Studies of the structure, phase and elemental compositions did not reveal oxide phases (as a rule, oxides can form in electrical explosive coatings if air penetrates into the working space), which reduce the electrical conductivity of the coating.
Электроэрозионную стойкость покрытий, полученных заявленным способом, в условиях дуговой эрозии измеряли на контактах электромагнитных пускателей марки ПМА 4100. Испытания на коммутационную износостойкость в режиме АС-4 согласно ГОСТу [ГОСТ 2933-83. Испытание на механическую и коммутационную износостойкость. Аппараты электрические низковольтные методы испытаний. - М.: Изд-во стандартов, 1983. - 26 с.] проводили на испытательном комплексе ФГБОУ ВО «Сибирский государственный индустриальный университет» (г. Новокузнецк) при токе коммутирования 378 А, который в 6 раз превышал номинальный, и cosϕ=0,35. Число циклов включений-отключений до полного разрушения составило ~ 11000-12000. Это превышает требования ГОСТа, согласно которому число циклов включений-отключений до полного разрушения для таких контактов должно составлять 10000. В прототипе (RU №2545852 МПК С23С 4/08, С23С 4/12, опубл. 10.04.2015) при проведении аналогичных испытаний установлено, что циклов включений-отключений до полного разрушения составило ~ 10000-11000.The electrical erosion resistance of coatings obtained by the claimed method under arc erosion conditions was measured on the contacts of electromagnetic starters of the PMA 4100 brand. Tests for switching wear resistance in AC-4 mode according to GOST [GOST 2933-83. Test for mechanical and switching wear resistance. Electrical devices, low-voltage test methods. - M.: Publishing House of Standards, 1983. - 26 pp.] were carried out at the testing complex of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Siberian State Industrial University" (Novokuznetsk) with a switching current of 378 A, which was 6 times higher than the nominal, and cosϕ = 0 ,35. The number of on-off cycles until complete destruction was ~ 11000-12000. This exceeds the requirements of GOST, according to which the number of on-off cycles before complete destruction for such contacts should be 10,000. In the prototype (RU No. 2545852 MPK S23S 4/08, S23S 4/12, published 04/10/2015) during similar tests it was established that the on-off cycles until complete destruction were ~ 10,000-11,000.
Испытания покрытий на электроэрозионную стойкость в условиях искровой эрозии проводили при точечном контакте. Ток составлял 3 А и напряжение - 220 В. После 10000 включений-отключений измеряли потерю массы образца. Формирующиеся в предлагаемом способе покрытия обладают большей электроэрозионной стойкостью в условиях искрового разряда по сравнению с электротехнической медью марки М00. Относительное изменение электроэрозионной стойкости в условиях искровой эрозии композиционных покрытий, содержащих матрицу на основе золота с включениями из молибдена, m/mэ составляет 9,78, где mэ - потеря массы меди марки М00, принятой за эталон при 10000 циклов включений-отключений. В прототипе (RU №2545852 МПК С23С 4/08, С23С 4/12, опубл. 10.04.2015) при проведении аналогичных испытаний установлено, что относительное изменение электроэрозионной стойкости в условиях искровой эрозии покрытий на основе молибдена и меди m/mэ составляет 10,03. Способ поясняется рисунками, где:Testing of coatings for electrical erosion resistance under spark erosion conditions was carried out at point contact. The current was 3 A and the voltage was 220 V. After 10,000 on-off switching, the weight loss of the sample was measured. The coatings formed in the proposed method have greater electrical erosion resistance under spark discharge conditions compared to M00 electrical copper. The relative change in electrical erosion resistance under conditions of spark erosion of composite coatings containing a gold-based matrix with molybdenum inclusions, m/m e is 9.78, where m e is the mass loss of M00 grade copper, taken as the standard at 10,000 on-off cycles. In the prototype (RU No. 2545852 MPK S23S 4/08, S23S 4/12, published on April 10, 2015), when conducting similar tests, it was established that the relative change in electrical erosion resistance under conditions of spark erosion of coatings based on molybdenum and copper m/m e is 10 ,03. The method is illustrated by drawings, where:
на фиг. 1 представлена структура поперечного сечения поверхностного слоя электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе золота с включениями из молибдена, - покрытие получено на электротехнической меди марки М00;in fig. Figure 1 shows the cross-sectional structure of the surface layer of an electrical erosion-resistant composite coating containing a gold-based matrix with molybdenum inclusions - the coating was produced on M00 grade electrical copper;
на фиг. 2 представлена структура поперечного сечения поверхностного слоя электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе золота с включениями из молибдена, на границе покрытия с подложкой, - покрытие получено на электротехнической меди марки М00;in fig. Figure 2 shows the cross-sectional structure of the surface layer of an electrical erosion-resistant composite coating containing a gold-based matrix with molybdenum inclusions at the boundary of the coating with the substrate - the coating was obtained on electrical copper grade M00;
на фиг. 3 представлено увеличенное изображение структуры поперечного сечения поверхностного слоя электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе золота с включениями из молибдена, - покрытие получено на электротехнической меди марки М00.in fig. Figure 3 shows an enlarged image of the cross-sectional structure of the surface layer of an electrical erosion-resistant composite coating containing a gold-based matrix with molybdenum inclusions - the coating was obtained on M00 grade electrical copper.
Примеры конкретного осуществления способа:Examples of specific implementation of the method:
Пример 1.Example 1.
Обработке подвергали контактную поверхность медного электрического контакта командоконтроллера ККТ 61 площадью 1,5 см2. Использовали фольгу из золота массой 100 мг. На поверхности фольги из золота размещали порошок молибдена массой 50 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 4,5 ГВт/м2 и формировали на ней электровзрывное электроэрозионностойкое композиционное покрытие, содержащее матрицу на основе золота с включениями из молибдена. Электровзрывное напыление произведено с использованием электровзрывной установки «ЭВУ 60/10М» научной лаборатории электровзрывного напыления высоконадежных покрытий Сибирского государственного индустриального университета, г. Новокузнецк (https://www.sibsiu.ru/universitet/podrazdeleniya/otdely/?ELEMENT_ID=21392). Режим термосилового воздействия на облучаемую поверхность задавали выбором зарядного напряжения емкостного накопителя энергии установки, по которому рассчитывали поглощаемую плотность мощности. Дополнительные параметры процесса: время воздействия плазмы на поверхность образца ~100 мкс, давление в ударно-сжатом слое вблизи облучаемой поверхности ~12,5 МПа, остаточное давление газа в рабочей камере ~100 Па; температура плазмы на срезе серебряного сопла ~104 К. Использовали импульсный плазменный ускоритель, состоящий из коаксиальных электродов и компрессионной камеры с направляющим соплом, и приспособлений, служащих для жесткого крепления медного электрического контакта относительно сопла ускорителя, размещенных в технологической камере. За время заряда батареи конденсаторов с помощью форвакуумного насоса в ней создавался низкий вакуум (100 Па). Фольгу из золота с навеской порошка молибдена размещали между коаксиальных электродов. Особенность торцевой коаксиальной схемы разряда емкостного накопителя энергии через фольгу взрываемого материала состоит в том, что фольга прижимается к торцам электродов, один из которых (внешний) выполнен в виде кольца, а другой (внутренний) - в виде коаксиального токоподводящего стержня. При этом ток течет от центра фольги к ее периферии. Сформированные струи могут быть охарактеризованы как многофазные, поскольку включают в себя, наряду с плазмой, конденсированные частицы в виде капель различной дисперсности.The contact surface of the copper electrical contact of the KKT 61 command controller with an area of 1.5 cm 2 was subjected to treatment. We used 100 mg gold foil. Molybdenum powder weighing 50 mg was placed on the surface of the gold foil. The generated plasma jet melted the surface of a copper electrical contact at an absorbed power density of 4.5 GW/m 2 and formed an electroexplosive electrical erosion-resistant composite coating containing a gold-based matrix with molybdenum inclusions on it. Electroexplosive spraying was carried out using the electric explosive installation "EVU 60/10M" of the scientific laboratory for electroexplosive spraying of highly reliable coatings of the Siberian State Industrial University, Novokuznetsk (https://www.sibsiu.ru/universitet/podrazdeleniya/otdely/?ELEMENT_ID=21392). The mode of thermal force impact on the irradiated surface was set by selecting the charging voltage of the capacitive energy storage device of the installation, from which the absorbed power density was calculated. Additional process parameters: plasma exposure time on the sample surface ~100 μs, pressure in the shock-compressed layer near the irradiated surface ~12.5 MPa, residual gas pressure in the working chamber ~100 Pa; the plasma temperature at the exit of the silver nozzle is ~10 4 K. A pulsed plasma accelerator was used, consisting of coaxial electrodes and a compression chamber with a guide nozzle, and devices used for rigidly fastening a copper electrical contact relative to the accelerator nozzle, located in the process chamber. While charging the capacitor bank, a low vacuum (100 Pa) was created in it using a forevacuum pump. Gold foil with a portion of molybdenum powder was placed between coaxial electrodes. The peculiarity of the end coaxial discharge circuit of a capacitive energy storage device through the foil of the exploding material is that the foil is pressed against the ends of the electrodes, one of which (external) is made in the form of a ring, and the other (internal) is in the form of a coaxial current-carrying rod. In this case, the current flows from the center of the foil to its periphery. The formed jets can be characterized as multiphase, since they include, along with plasma, condensed particles in the form of droplets of varying dispersion.
Получили покрытие с высокой электроэрозионной стойкостью и высокой стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. На ООО «Мысковский завод электромонтажных изделий» (Кемеровская область - Кузбасс, г. Мыски) медные контакты, упрочненные заявляемым способом, показали увеличенный ресурс коммутационного износа в 2,0…2,3 раза по сравнению с серийными контактами. В прототипе (RU №2545852 МПК С23С 4/08, С23С 4/12, опубл. 10.04.2015) при проведении аналогичных испытаний установлено, что медные контакты с покрытием на основе молибдена и меди показали увеличенный ресурс коммутационного износа в 1,5…2,0 раза по сравнению с серийными контактами.We obtained a coating with high electrical erosion resistance and high stability of operation under conditions of switching electrical networks. At the Myskovsky Plant of Electrical Installation Products LLC (Kemerovo region - Kuzbass, Myski), copper contacts strengthened by the inventive method showed an increased switching wear life of 2.0...2.3 times compared to serial contacts. In the prototype (RU No. 2545852 MPK S23S 4/08, S23S 4/12, published on April 10, 2015), similar tests found that copper contacts coated with molybdenum and copper showed an increased switching wear life of 1.5...2 ,0 times compared to serial contacts.
Пример 2.Example 2.
Обработке подвергали медную электроконтактную поверхность контактов пускателей марок ПВИ-320А площадью 0,8 см2. Использовали фольгу из золота массой 800 мг. На поверхности фольги из золота размещали порошок молибдена массой 1200 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность медного электрического контакта при поглощаемой плотности мощности 5,5 ГВт/м2 и формировали на ней электровзрывное электроэрозионностойкое композиционное покрытие, содержащее матрицу на основе золота с включениями из молибдена. Электровзрывное напыление произведено с использованием электровзрывной установки «ЭВУ 60/10М» научной лаборатории электровзрывного напыления высоконадежных покрытий Сибирского государственного индустриального университета, г. Новокузнецк (https://www.sibsiu.ru/universitet/podrazdeleniya/otdely/?ELEMENT_ID=21392). Режим термосилового воздействия на облучаемую поверхность задавали выбором зарядного напряжения емкостного накопителя энергии установки, по которому рассчитывали поглощаемую плотность мощности. Дополнительные параметры процесса: время воздействия плазмы на поверхность образца ~100 мкс, давление в ударно-сжатом слое вблизи облучаемой поверхности ~12,5 МПа, остаточное давление газа в рабочей камере ~100 Па; температура плазмы на срезе серебряного сопла ~104 К. Использовали импульсный плазменный ускоритель, состоящий из коаксиальных электродов и компрессионной камеры с направляющим соплом, и приспособлений, служащих для жесткого крепления медного электрического контакта относительно сопла ускорителя, размещенных в технологической камере. За время заряда батареи конденсаторов с помощью форвакуумного насоса в ней создавался низкий вакуум (100 Па). Фольгу из золота с навеской порошка молибдена размещали между коаксиальных электродов. Особенность торцевой коаксиальной схемы разряда емкостного накопителя энергии через фольгу взрываемого материала состоит в том, что фольга прижимается к торцам электродов, один из которых (внешний) выполнен в виде кольца, а другой (внутренний) - в виде коаксиального токоподводящего стержня. При этом ток течет от центра фольги к ее периферии. Сформированные струи могут быть охарактеризованы как многофазные, поскольку включают в себя, наряду с плазмой, конденсированные частицы в виде капель различной дисперсности.The copper electrical contact surface of the contacts of PVI-320A brand starters with an area of 0.8 cm 2 was subjected to processing. We used 800 mg gold foil. Molybdenum powder weighing 1200 mg was placed on the surface of gold foil. The generated plasma jet melted the surface of a copper electrical contact at an absorbed power density of 5.5 GW/m 2 and formed an electroexplosive electrical erosion-resistant composite coating containing a gold-based matrix with molybdenum inclusions on it. Electroexplosive spraying was carried out using the electric explosive installation "EVU 60/10M" of the scientific laboratory for electroexplosive spraying of highly reliable coatings of the Siberian State Industrial University, Novokuznetsk (https://www.sibsiu.ru/universitet/podrazdeleniya/otdely/?ELEMENT_ID=21392). The mode of thermal force impact on the irradiated surface was set by selecting the charging voltage of the capacitive energy storage device of the installation, from which the absorbed power density was calculated. Additional process parameters: plasma exposure time on the sample surface ~100 μs, pressure in the shock-compressed layer near the irradiated surface ~12.5 MPa, residual gas pressure in the working chamber ~100 Pa; the plasma temperature at the exit of the silver nozzle is ~10 4 K. A pulsed plasma accelerator was used, consisting of coaxial electrodes and a compression chamber with a guide nozzle, and devices used for rigidly fastening a copper electrical contact relative to the accelerator nozzle, located in the process chamber. While charging the capacitor bank, a low vacuum (100 Pa) was created in it using a forevacuum pump. Gold foil with a portion of molybdenum powder was placed between coaxial electrodes. The peculiarity of the end coaxial discharge circuit of a capacitive energy storage device through the foil of the exploding material is that the foil is pressed against the ends of the electrodes, one of which (external) is made in the form of a ring, and the other (internal) is in the form of a coaxial current-carrying rod. In this case, the current flows from the center of the foil to its periphery. The formed jets can be characterized as multiphase, since they include, along with plasma, condensed particles in the form of droplets of varying dispersion.
Получили покрытие с высокой электроэрозионной стойкостью и высокой стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. На ООО «Ремкомплект», г. Новокузнецк медные контакты, упрочненные заявляемым способом, показали ресурс коммутационного износа в 2,42 раза выше серийных контактов пускателей марки ПВИ-320А. В прототипе (RU №2545852 МПК С23С 4/08, С23С 4/12, опубл. 10.04.2015) при проведении аналогичных испытаний установлено, что медные контакты с покрытием на основе молибдена и меди показали увеличенный ресурс коммутационного износа в 2,0 раза по сравнению с серийными контактами пускателей марки ПВИ-320А.We obtained a coating with high electrical erosion resistance and high stability of operation under conditions of switching electrical networks. At Remkomplekt LLC, Novokuznetsk, copper contacts strengthened by the inventive method showed a switching wear life of 2.42 times higher than serial contacts of PVI-320A brand starters. In the prototype (RU No. 2545852 MPK S23S 4/08, S23S 4/12, published on April 10, 2015), similar tests found that copper contacts coated with molybdenum and copper showed an increased switching wear life of 2.0 times. compared with serial contacts of PVI-320A brand starters.
Предлагаемый способ позволяет сформировать покрытие, которое по совокупности свойств, характеристикам структуры и фазовому составу позволяет увеличить срок службы коммутирующих электрические цепи медных электрических контактов различной номенклатуры, и расширить область практического применения.The proposed method makes it possible to form a coating, which, due to the combination of properties, structure characteristics and phase composition, allows to increase the service life of copper electrical contacts of various types commuting electrical circuits, and to expand the scope of practical application.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2809288C1 true RU2809288C1 (en) | 2023-12-11 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1204261A (en) * | 1967-01-17 | 1970-09-03 | Japax Inc | Improvements in or relating to forming coherent bodies by bonding particles |
| CN1703531A (en) * | 2002-10-04 | 2005-11-30 | 卡伯特公司 | Method to recover spent components of a sputter target |
| RU2537687C1 (en) * | 2013-12-16 | 2015-01-10 | Денис Анатольевич Романов | Method for application of erosion-resistant coatings based on carbonaceous molybdenum, molybdenum and copper to copper electric contacts |
| RU2545852C1 (en) * | 2013-12-16 | 2015-04-10 | Денис Анатольевич Романов | Method of application of electrical erosion-resistant coatings based on molybdenum and copper on copper electric contacts |
| RU2663022C1 (en) * | 2017-07-26 | 2018-08-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Method of application of electroerousion-resistant coatings based on oxide cadmium and silver onto copper electrical contacts |
| RU2768068C1 (en) * | 2021-10-28 | 2022-03-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" ФГБОУ ВО "СибГИУ" | Method of application of electroerosion-resistant coatings of cd-ag-n system on copper electrical contacts |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1204261A (en) * | 1967-01-17 | 1970-09-03 | Japax Inc | Improvements in or relating to forming coherent bodies by bonding particles |
| CN1703531A (en) * | 2002-10-04 | 2005-11-30 | 卡伯特公司 | Method to recover spent components of a sputter target |
| RU2537687C1 (en) * | 2013-12-16 | 2015-01-10 | Денис Анатольевич Романов | Method for application of erosion-resistant coatings based on carbonaceous molybdenum, molybdenum and copper to copper electric contacts |
| RU2545852C1 (en) * | 2013-12-16 | 2015-04-10 | Денис Анатольевич Романов | Method of application of electrical erosion-resistant coatings based on molybdenum and copper on copper electric contacts |
| RU2663022C1 (en) * | 2017-07-26 | 2018-08-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Method of application of electroerousion-resistant coatings based on oxide cadmium and silver onto copper electrical contacts |
| RU2768068C1 (en) * | 2021-10-28 | 2022-03-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" ФГБОУ ВО "СибГИУ" | Method of application of electroerosion-resistant coatings of cd-ag-n system on copper electrical contacts |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Morin et al. | Make arc erosion and welding in the automotive area | |
| Savage et al. | An overview of pulse compression and power flow in the upgraded Z pulsed power driver | |
| Zhou et al. | Failure analysis of arc ablated tungsten-copper electrical contacts | |
| RU2750255C1 (en) | Method for applying electrical erosion resistant coatings based on silver, tungsten carbides and tungsten mononitride on electric copper contacts | |
| RU2750256C1 (en) | Method for applying electric-erosion-resistant coatings based on silver, nickel and nickel nitrides to copper electrical contacts | |
| RU2546939C1 (en) | Method for application of wolfram- and copper-based electroerosion-resistant coatings based to copper electric contacts | |
| RU2623546C2 (en) | Method of application of electrical erosion-resistant coatings based on molybdenum and copper to electric copper contacts | |
| Miller | Vacuum arcs | |
| RU2663022C1 (en) | Method of application of electroerousion-resistant coatings based on oxide cadmium and silver onto copper electrical contacts | |
| Zhou et al. | Arc erosion characteristics evolution of Ag/Ti3SiC2 composites during repetitive arc breakdowns in SF6 gaseous medium | |
| RU2665689C1 (en) | Method of manufacture of reed switch with nitrogen contact sites | |
| RU2809288C1 (en) | Method of electro-explosive spraying of electrical erosion-resistant coatings based on molybdenum and gold on copper electrical contact | |
| RU2805413C1 (en) | Method of electro-explosive spraying of electro-erosion-resistant coating based on tungsten and gold on copper electrical contact | |
| RU2545852C1 (en) | Method of application of electrical erosion-resistant coatings based on molybdenum and copper on copper electric contacts | |
| RU2663023C1 (en) | Method of application of electric erosion-resistant coatings based on tin and silver oxides onto the copper electric contacts | |
| RU2806954C1 (en) | Method for electroexplosive spraying of electrical erosion-resistant coating based on titanium and silver diboride onto copper electrical contact | |
| CN115136270A (en) | Apparatus for interrupting a circuit | |
| RU2546940C1 (en) | Method for application of electroerosion-resistant coatings based on carbonaceous wolfram, wolfram and copper to copper electric contacts | |
| Ejiri et al. | Late breakdowns caused by microparticles after vacuum arc interruption | |
| RU2537687C1 (en) | Method for application of erosion-resistant coatings based on carbonaceous molybdenum, molybdenum and copper to copper electric contacts | |
| RU2699487C1 (en) | Method for application of electroerosion-resistant coatings based on zinc oxide and silver on copper electric contacts | |
| Wang et al. | Effect of Al2O3 particle size on vacuum breakdown behavior of Al2O3/Cu composite | |
| Yan et al. | Experimental investigation on anode spots and anode plumes in high-current vacuum arc under different contact materials | |
| Baeva et al. | Characterization and applications of direct current microarcs: a review | |
| RU2843374C1 (en) | Method for electro-explosive sputtering of electro-erosion-resistant coating containing tungsten, molybdenum, copper, nickel and silver, on copper electrical contact |