RU2834114C1 - Method for electroexplosive sputtering of electroerosion-resistant composite coating containing matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride on copper electrical contact - Google Patents
Method for electroexplosive sputtering of electroerosion-resistant composite coating containing matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride on copper electrical contact Download PDFInfo
- Publication number
- RU2834114C1 RU2834114C1 RU2024127483A RU2024127483A RU2834114C1 RU 2834114 C1 RU2834114 C1 RU 2834114C1 RU 2024127483 A RU2024127483 A RU 2024127483A RU 2024127483 A RU2024127483 A RU 2024127483A RU 2834114 C1 RU2834114 C1 RU 2834114C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silver
- nickel
- titanium diboride
- electrical
- coating
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности с использованием концентрированных потоков энергии, в частности, к технологии, обеспечивающей повышение электроэрозионной стойкости электрических контактов, в частности коммутирующих электрических контактов, изготовленных из меди, посредствам получения на их поверхности покрытий, содержащих матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана, которые могут быть использованы в электротехнике как электроэрозионностойкие покрытия с высокой стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей.The invention relates to a technology for applying coatings to metal surfaces using concentrated energy flows, in particular, to a technology that ensures an increase in the electroerosion resistance of electrical contacts, in particular switching electrical contacts made of copper, by producing coatings on their surface containing a matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride, which can be used in electrical engineering as electroerosion-resistant coatings with high operational stability under conditions of switching electrical networks.
Известен способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе диборида титана и меди на медные электрические контакты (RU № 2539138, МПК C23C 4/12, C23C 14/14, C23C 4/10, C23C 14/32, H01H 1/02, опубл. 10.01.2015). Способ нанесения электроэрозионностойких покрытий на основе диборида титана 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 диборида титана 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 TiB2-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.A method is known for applying electrical erosion-resistant coatings based on titanium diboride and copper to copper electrical contacts (RU No. 2539138, IPC C23C 4/12, C23C 14/14, C23C 4/10, C23C 14/32, H01H 1/02, published 10.01.2015). A method for applying electrical erosion-resistant coatings based on titanium diboride and copper to copper electrical contacts involves an electrical explosion of a composite electrically exploded conductor consisting of a two-layer flat copper shell weighing 60-360 mg and a core in the form of titanium diboride powder weighing 0.5-2.0 times the shell mass, forming a pulsed multiphase plasma jet from the explosion products, melting the surface of a copper electrical contact with it at an absorbed power density of 4.5-6.5 GW/ m2 , depositing the explosion products on the surface, forming a composite coating of the TiB2 -Cu system on it, and subsequent pulse-periodic electron beam treatment of the coating surface at an absorbed energy density of 40-60 J/ cm2 , a pulse duration of 150-200 μs, and a number of pulses of 10-30 imp.
Недостатком способа являются низкие электроэрозионная стойкость, электропроводность и стабильность работы покрытия на основе диборида титана и меди в условиях коммутации электрических сетей. Также недостатком способа является двухстадийное формирование покрытия, включающее электровзрывное напыление и электронно-пучковую обработку.The disadvantage of the method is low electrical erosion resistance, electrical conductivity and stability of the coating based on titanium diboride and copper under the conditions of switching electrical networks. Another disadvantage of the method is the two-stage formation of the coating, including electroexplosive spraying and electron beam processing.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ электровзрывного напыления электроэрозионностойкого покрытия на основе диборида титана и серебра на медный электрический контакт (RU № 2806954, МПК C23C 4/10, C23C 4/126, опубл. 08.11.2023). Способ электровзрывного напыления электроэрозионностойкого покрытия на основе диборида титана и серебра на медный электрический контакт, характеризующийся тем, что осуществляют электрический взрыв фольги из серебра массой 100-400 мг с размещенным на ней порошком диборида титана 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 серебра с включениями из диборида титана.The closest to the claimed invention is the method of electroexplosive spraying of an electroerosion-resistant coating based on titanium diboride and silver onto a copper electrical contact (RU No. 2806954, IPC C23C 4/10, C23C 4/126, published 08.11.2023). A method for electroexplosive spraying of an electroerosion-resistant coating based on titanium diboride and silver onto a copper electrical contact, characterized in that an electrical explosion of silver foil weighing 100-400 mg with titanium diboride powder placed on it weighing 0.5-1.5 times the foil mass is carried out, a pulsed multiphase plasma jet is formed from the explosion products, the surface of the copper electrical contact is melted with it at an absorbed power density of 4.5-5.5 GW/ m2 with the deposition of explosion products onto the surface of the copper electrical contact with the formation of an electroerosion-resistant composite coating containing a matrix based on silver with inclusions of titanium diboride.
Недостатком способа являются низкие электроэрозионная стойкость, электропроводность и стабильность работы покрытия на основе диборида титана и серебра в условиях коммутации электрических сетей.The disadvantage of this method is the low electrical erosion resistance, electrical conductivity and stability of the coating based on titanium diboride and silver under the conditions of switching electrical networks.
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением является получение покрытия, содержащего матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана, на медном электрическом контакте, обладающего высокими электроэрозионной стойкостью, электропроводностью и стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей.The technical problem solved by the claimed invention is the production of a coating containing a matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride on a copper electrical contact, which has high electrical erosion resistance, electrical conductivity and operational stability under conditions of switching electrical networks.
Существующая техническая проблема решается созданием способа электровзрывного напыления электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана, на медный электрический контакт, характеризующимся тем, что осуществляют электрический взрыв двуслойного проводника, один из слоев которого состоит из фольги из серебра массой 100-400 мг, второй слой - из фольги из никеля массой равной 0,05-0,1 массы первого слоя, с размещенным на поверхности двуслойного проводника порошком диборида титана массой 0,5-1,5 массы фольги из серебра, 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 серебра и никеля с включениями из диборида титана.The existing technical problem is solved by creating a method for electroexplosive spraying of an electroerosion-resistant composite coating containing a silver- and nickel-based matrix with titanium diboride inclusions onto a copper electrical contact, characterized in that an electrical explosion of a two-layer conductor is carried out, one of the layers of which consists of silver foil weighing 100-400 mg, the second layer - of nickel foil weighing 0.05-0.1 of the mass of the first layer, with titanium diboride powder weighing 0.5-1.5 times the mass of silver foil placed on the surface of the two-layer conductor, a pulsed multiphase plasma jet is formed from the explosion products, the surface of the copper electrical contact is melted with it at an absorbed power density of 4.5-5.5 GW/m 2 with the deposition of explosion products onto the surface of the copper electrical contact with the formation of an electroerosion-resistant composite coating containing a silver- and nickel-based matrix with diboride inclusions titanium.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в том, что, при электрическом взрыве двуслойного проводника, один из слоев которого состоит из фольги из серебра, второй слой - из фольги из никеля, с размещенным на поверхности двуслойного проводника порошком диборида титана, продукты разрушения образуют плазменную струю, служащую инструментом формирования на поверхности медного электрического контакта электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании покрытия, которое обладает лучшей электроэрозионной стойкостью, электропроводностью и стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. Добавление никеля к электровзрывным покрытиям, содержащим матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана, позволяет этого добиться. Структура полученного электровзрывного покрытия представляет собой матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана. Достижение такого результата обеспечивает добавление никеля. Сочетание лучшей электропроводности и твердости матрицы на основе серебра и никеля по сравнению с серебром позволяет формировать пару электрических контактов, которая обладает лучшими рабочими характеристиками. Это позволяет повысить электроэрозионную стойкость, электропроводность и стабильность работы в условиях коммутации электрических сетей композиционных покрытий, содержащих матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана, по сравнению с покрытиями, содержащими матрицу на основе серебра с включениями из диборида титана.The technical result obtained by implementing the invention is that, during an electrical explosion of a two-layer conductor, one of the layers of which consists of silver foil, the second layer - of nickel foil, with titanium diboride powder placed on the surface of the two-layer conductor, the destruction products form a plasma jet, which serves as a tool for forming an electroerosion-resistant composite coating on the surface of a copper electrical contact, containing a matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride. The advantage of the claimed method compared to the prototype is the formation of a coating that has better electroerosion resistance, electrical conductivity and operational stability under switching conditions of electrical networks. Adding nickel to electroexplosive coatings containing a silver-based matrix with inclusions of titanium diboride makes it possible to achieve this. The structure of the resulting electroexplosive coating is a matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride. Achieving this result is ensured by adding nickel. The combination of better electrical conductivity and hardness of the silver-nickel matrix compared to silver allows for the formation of a pair of electrical contacts that have better performance characteristics. This allows for increased electrical erosion resistance, electrical conductivity, and operational stability in electrical network switching conditions for composite coatings containing a silver-nickel matrix with titanium diboride inclusions compared to coatings containing a silver-based matrix with titanium diboride inclusions.
Использование этого 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. Предлагаемое электроэрозионностойкое композиционное покрытие представляет собой матрицу из серебра и никеля, в которой расположены включения из диборида титана и обладает бимодальной структурой: субмикрокристаллической (подтверждено результатами исследований методом сканирующей электронной микроскопии) и нанокристаллической (подтверждено результатами исследований методом просвечивающей электронной микроскопии). Прочностные характеристики предлагаемого покрытия позволяют обеспечить быструю приработку электрических контактов, поэтому не требуется финишная абразивная обработка поверхности покрытий перед эксплуатацией.The use of this coating reduces the transient resistance of electrical contacts and maintains the constancy of electrical parameters (on time, proper on time, proper off time, total circuit off time, time-current characteristic, off current, on current, resistance to through currents, mechanical wear resistance, switching wear resistance, recovery voltage, switching position diagram) due to a combination of characteristics of the structure and phase composition. The proposed electrical erosion-resistant composite coating is a silver and nickel matrix containing titanium diboride inclusions and has a bimodal structure: submicrocrystalline (confirmed by the results of scanning electron microscopy) and nanocrystalline (confirmed by the results of transmission electron microscopy). The strength characteristics of the proposed coating allow for rapid running-in of electrical contacts, so no final abrasive treatment of the coating surface is required before use.
Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что при электровзрывном напылении на медном электрическом контакте путем электрического взрыва двуслойного проводника, один из слоев которого состоит из фольги из серебра массой 100-400 мг, второй слой - из фольги из никеля равной 0,05-0,1 массы первого слоя, с размещенным на поверхности двуслойного проводника порошком диборида титана массой 0,5-1,5 массы фольги из серебра, 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 серебра и никеля с включениями из диборида титана, подтвердили формирование структуры покрытия, представляющей собой матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана. 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 электрического контакта, 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 серебра и никеля с включениями из диборида титана в электроэрозионностойком композиционном покрытии по сравнению с состоянием в исходных материалах на 5 %. При значении массы фольги из серебра менее 100 мг становится невозможным размещение на ее поверхности порошка диборида титана из-за снижения площади двуслойного проводника. При значении массы фольги из серебра более 400 мг электроэрозионностойкое композиционное покрытие, содержащее матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана, на поверхности медных электрических контактов обладает большим количеством дефектов. Дефекты в данном случае представлены фрагментами фольги из серебра, которые не разрушились при электрическом взрыве, а лишь частично оплавились и прилипли к поверхности покрытия. При значении массы фольги из никеля менее 0,05 массы первого слоя фольги из серебра не достигается увеличения свойств покрытия за счет добавления никеля, то есть добавление никеля в таком количестве является недостаточным. При значении массы фольги из никеля более 0,1 массы первого слоя фольги из серебра, происходит ухудшение свойств покрытия за счет избытка никеля, то есть добавление никеля в таком количестве является избыточным и не целесообразным. При значении массы порошка диборида титана менее 0,5 от массы фольги из серебра снижается электроэрозионная стойкость и стабильность работы покрытия в условиях коммутации электрических сетей. Диборид титана при формировании электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана, является фазой с высокой температурой плавления и твердостью. Снижение концентрации диборида титана не оказывает влияния на повышение электроэрозионной стойкости и стабильности работы покрытия в условиях коммутации электрических сетей. При значении массы порошка диборида титана более 1,5 от массы фольги из серебра не происходит перенос продуктов взрыва на поверхность медного электрического контакта. В этом случае избыточная масса порошка диборида титана не позволяет сформироваться импульсной плазменной струе, следовательно, покрытие не образуется.Studies using the scanning electron microscopy method have shown that during electroexplosive spraying on a copper electrical contact by means of an electrical explosion of a two-layer conductor, one of the layers of which consists of silver foil weighing 100-400 mg, the second layer of nickel foil equal to 0.05-0.1 of the mass of the first layer, with titanium diboride powder weighing 0.5-1.5 of the mass of silver foil placed on the surface of the two-layer conductor, a pulsed multiphase plasma jet is formed from the explosion products, the surface of the copper electrical contact is melted with it at an absorbed power density of 4.5-5.5 GW/ m2 with the deposition of explosion products on the surface of the copper electrical contact with the formation of an electroerosion-resistant composite coating containing a matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride, the formation of a coating structure representing a matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride was confirmed. The specified 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, no relief is formed between the coating and the substrate made of copper electrical contact, as a result of which peeling of the coating is possible, and at an impact intensity above 5.5 GW/ m2, an intensive scattering of explosion products occurs, which leads to a decrease in the content of a silver-nickel-based matrix with titanium diboride inclusions in the electrical erosion-resistant composite coating compared to the state in the original materials by 5%. When the mass of silver foil is less than 100 mg, it becomes impossible to place titanium diboride powder on its surface due to a decrease in the area of the two-layer conductor. If the silver foil mass value is more than 400 mg, the electroerosion-resistant composite coating containing a silver-nickel matrix with titanium diboride inclusions has a large number of defects on the surface of copper electrical contacts. In this case, the defects are represented by fragments of silver foil that did not break down during the electrical explosion, but only partially melted and stuck to the coating surface. If the nickel foil mass value is less than 0.05 of the mass of the first layer of silver foil, the coating properties do not increase due to the addition of nickel, i.e., adding nickel in such an amount is insufficient. If the nickel foil mass value is more than 0.1 of the mass of the first layer of silver foil, the coating properties deteriorate due to the excess of nickel, i.e., adding nickel in such an amount is excessive and impractical. If the titanium diboride powder mass value is less than 0.5 of the mass of silver foil, the electroerosion resistance and stability of the coating under electrical network switching conditions are reduced. Titanium diboride, when forming an electrical erosion-resistant composite coating containing a silver-nickel matrix with titanium diboride inclusions, is a phase with a high melting point and hardness. A decrease in the titanium diboride concentration does not affect the increase in electrical erosion resistance and the stability of the coating under electrical network switching conditions. When the titanium diboride powder mass is more than 1.5 of the silver foil mass, the explosion products are not transferred to the surface of the copper electrical contact. In this case, the excess mass of titanium diboride powder does not allow the pulsed plasma jet to form, therefore, the coating is not formed.
Предлагаемый способ проиллюстрирован рисунками, где:The proposed method is illustrated by figures, where:
на фиг. 1 представлена структура поперечного сечения поверхностного слоя электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана, - покрытие получено на электротехнической меди марки М00;Fig. 1 shows the cross-sectional structure of the surface layer of an electrical erosion-resistant composite coating containing a matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride - the coating was obtained on electrical copper grade M00;
на фиг. 2 представлена структура поперечного сечения поверхностного слоя электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана с наложением характеристических рентгеновских излучений бора (желтый цвет), серебра (розовый цвет), меди (голубой цвет), никеля (зеленый цвет) и титана (красный цвет), - покрытие получено на электротехнической меди марки М00;Fig. 2 shows the cross-sectional structure of the surface layer of an electrical erosion-resistant composite coating containing a matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride with the superposition of characteristic X-ray emissions of boron (yellow), silver (pink), copper (blue), nickel (green) and titanium (red) - 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 серебра и никеля с включениями из диборида титана, - покрытие получено на электротехнической меди марки М00;Fig. 3 shows an enlarged image of the cross-sectional structure of the surface layer of an electrical erosion-resistant composite coating containing a matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride - the coating was obtained on electrical copper grade M00;
на фиг. 4 представлено увеличенное изображение структуры поперечного сечения поверхностного слоя электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана с наложением характеристических рентгеновских излучений никеля (оранжевый цвет), азота (желтый цвет) [азот присутствует в количестве менее 0,01 ат. %, но поскольку азот определяется автоматически со всеми другими выявленными элементами, его обозначение невозможно удалить в полученном изображении], титана (розовый цвет), серебра (голубой цвет) и бора (красный цвет), - покрытие получено на электротехнической меди марки М00;Fig. 4 shows an enlarged image of the cross-sectional structure of the surface layer of the electrical erosion-resistant composite coating containing a matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride with the superposition of characteristic X-ray emissions of nickel (orange), nitrogen (yellow) [nitrogen is present in an amount of less than 0.01 at.%, but since nitrogen is determined automatically with all other identified elements, its designation cannot be removed in the resulting image], titanium (pink), silver (blue) and boron (red) - the coating was obtained on electrical copper grade M00;
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, марка меди М00. Использовали двуслойный проводник, один из слоев которого состоял из фольги из серебра массой 100 мг, второй слой - из фольги из никеля массой 5 мг, что составляет 0,05 массы первого слоя. На поверхности двуслойного проводника размещали порошок диборида титана массой 50 мг, что составляет 0,5 массы фольги из серебра. 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 серебра и никеля с включениями из диборида титана. 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). Двуслойный проводник, один из слоев которого состоял из фольги из серебра, второй слой - из фольги из никеля с навеской порошка диборида титана 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 was subjected to processing.2, copper grade M00. A two-layer conductor was used, one of the layers of which consisted of silver foil weighing 100 mg, the second layer - of nickel foil weighing 5 mg, which is 0.05 of the mass of the first layer. Titanium diboride powder weighing 50 mg was placed on the surface of the two-layer conductor, which is 0.5 of the mass of silver foil. The formed plasma jet melted the surface of the copper electrical contact at an absorbed power density of 4.5 GW/m2and formed on it an electroexplosive electroerosion-resistant composite coating containing a matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride. Electroexplosive spraying was performed using the electroexplosive spraying unit "EVU 60/10M" of the scientific laboratory of 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 action on the irradiated surface was set by selecting the charging voltage of the capacitive energy storage unit of the unit, according to which the absorbed power density was calculated. Additional process parameters: time of plasma action 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; plasma temperature at the exit of the silver nozzle ~104K. A pulse plasma accelerator was used, consisting of coaxial electrodes and a compression chamber with a guide nozzle, and devices used for rigid fastening of a copper electrical contact relative to the accelerator nozzle, placed in the process chamber. During the charging of the capacitor bank, a low vacuum (100 Pa) was created in it using a forevacuum pump. A two-layer conductor, one layer of which consisted of silver foil, the second layer of nickel foil with a suspended titanium diboride powder was placed between the coaxial electrodes. The peculiarity of the end coaxial circuit for discharging a capacitive energy storage device through the foil of the exploded 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) 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, электропроводностью и высокой стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. Медные контакты, упрочненные заявляемым способом, показали увеличенный ресурс коммутационного износа в 2,15…2,41 раза по сравнению с серийными контактами.A coating with high electrical erosion resistance, electrical conductivity and high stability of operation under conditions of switching of electrical networks was obtained. Copper contacts, strengthened by the claimed method, showed an increased resource of switching wear by 2.15...2.41 times compared to serial contacts.
Пример 2.Example 2.
Обработке подвергали медную электроконтактную поверхность контактов пускателей марок ПВИ-320А площадью 0,8 см2, марка меди М00. Использовали двуслойный проводник, один из слоев которого состоял из фольги из серебра массой 400 мг, второй слой - из фольги из никеля массой 40 мг, что составляет 0,1 массы первого слоя. На поверхности двуслойного проводника размещали порошок диборида титана массой 600 мг, что составляет 1,5 массы фольги из серебра. 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 серебра и никеля с включениями из диборида титана. 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). Двуслойный проводник, один из слоев которого состоял из фольги из серебра, второй слой - из фольги из никеля с навеской порошка диборида титана 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 the PVI-320A starters with an area of 0.8 cm2 , copper grade M00, was subjected to processing. A two-layer conductor was used, one of the layers of which consisted of silver foil weighing 400 mg, the second layer - of nickel foil weighing 40 mg, which is 0.1 of the mass of the first layer. Titanium diboride powder weighing 600 mg was placed on the surface of the two-layer conductor, which is 1.5 of the mass of silver foil. The formed plasma jet was used to melt the surface of the copper electrical contact at an absorbed power density of 5.5 GW/ m2 and an electroexplosive electroerosion-resistant composite coating was formed on it, containing a matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride. Electroexplosive spraying was performed using the EVU 60/10M electroexplosive installation of the scientific laboratory of 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 action on the irradiated surface was set by selecting the charging voltage of the capacitive energy storage device of the installation, which was used to calculate the absorbed power density. Additional process parameters: plasma action 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 silver nozzle exit 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 rigid fastening of a copper electrical contact relative to the accelerator nozzle, placed in the process chamber. During the charging of the capacitor bank, a low vacuum (100 Pa) was created in it using a forevacuum pump. A two-layer conductor, one layer of which consisted of silver foil, the second layer of nickel foil with a suspended titanium diboride powder, was placed between the coaxial electrodes. The peculiarity of the end coaxial circuit for discharging a capacitive energy storage device through the foil of the exploded 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 drops of varying dispersion.
Получили покрытие с высокой электроэрозионной стойкостью, электропроводностью и высокой стабильностью работы в условиях коммутации электрических сетей. Медные контакты, упрочненные заявляемым способом, показали ресурс коммутационного износа в 2,53 раза выше серийных контактов пускателей марки ПВИ-320А.We obtained a coating with high electrical erosion resistance, electrical conductivity and high stability of operation under conditions of switching of electrical networks. Copper contacts, strengthened by the claimed method, showed a resource of switching wear 2.53 times higher than serial contacts of PVI-320A starters.
Проведены измерения микротвердости, модуля упругости, прочности на изгиб. Значение микротвердости сформированного методом электровзрывного напыления электроэрозионностойкого композиционного покрытия, содержащего матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана, составляет 5,611 ГПа (стандартные значения микротвердости диборида титана, серебра и никеля составляют 32,000, 0,251 и 0,638 ГПа соответственно). Модуль упругости сформированного покрытия составил 26900 кгс/мм² (стандартные значения модуля упругости диборида титана и серебра составляют 47927 - 50986 и 8430 кгс/мм² соответственно, а отожжённого серебра - 8200 кгс/мм², соответствующее значение для никеля - 21414 кгс/мм²), значение прочности на изгиб - 45,2 МПа (стандартные значения прочности на изгиб диборида титана, серебра и никеля составляют 500 - 600, 17 и 20 МПа соответственно).Microhardness, elastic modulus, and bending strength were measured. The microhardness value of the electroerosion-resistant composite coating formed by the electroexplosive spraying method and containing a silver-nickel matrix with titanium diboride inclusions is 5.611 GPa (the standard microhardness values of titanium diboride, silver, and nickel are 32.000, 0.251, and 0.638 GPa, respectively). The elastic modulus of the formed coating was 26900 kgf/mm² (standard values of the elastic modulus of titanium diboride and silver are 47927 - 50986 and 8430 kgf/mm², respectively, and for annealed silver - 8200 kgf/mm², the corresponding value for nickel is 21414 kgf/mm²), the bending strength was 45.2 MPa (standard values of the bending strength of titanium diboride, silver and nickel are 500 - 600, 17 and 20 MPa, respectively).
В результате изучения полученных покрытий 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: титан, бор, серебро и никель. Исследование элементного состава покрытия по его толщине показало, что основными элементами покрытия также являются титан, бор, серебро и никель. Эти результаты исследования структуры покрытия на поперечном шлифе полностью согласуются с результатами исследования поверхности покрытия, изложенными выше. Методом картирования в характеристических рентгеновских излучениях элементов проведена визуализация распределения элементов в объеме покрытия, согласно которой, можно отметить явно выраженные участки покрытия размером 0,5-2,5 мкм с преобладающим расположением титана и бора. Сочетание данных элементов указывает на формирование фазы диборида титана. Данные образования располагаются в матрице, которая представляет собой композицию на основе серебра и никеля (это также подтверждено методом картирования в характеристических рентгеновских излучениях серебра и никеля). Сформированные покрытия не содержат поры.As a result of studying the obtained coatings using complementary methods of coating research: scanning electron microscopy and micro-X-ray spectral analysis of the coating surface 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 micro-X-ray spectral analysis of the coating surface, it was established that the coating surface is uniform, and the distribution of elements on it is represented only by atoms of the elements from which the coating was formed: titanium, boron, silver and nickel. A study of the elemental composition of the coating by its thickness showed that the main elements of the coating are also titanium, boron, silver and nickel. These results of studying the structure of the coating on a transverse section are completely consistent with the results of the study of the coating surface presented above. The method of mapping in characteristic X-ray radiation of elements was used to visualize the distribution of elements in the volume of the coating, according to which clearly defined areas of the coating measuring 0.5-2.5 μm with a predominant location of titanium and boron can be noted. The combination of these elements indicates the formation of the titanium diboride phase. These formations are located in a matrix that is a composition based on silver and nickel (this is also confirmed by the method of mapping in characteristic X-rays of silver and nickel). The formed coatings do not contain pores.
Методами рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии установлено содержание в покрытии фаз TiB2, Ag и Ni. 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. Также в процессе электровзрывного напыления сохраняется стабильной фаза диборида титана, без трансформации в другие бориды и химические соединения. Диборид титана обладает лучшей электропроводностью, микротвердостью, модулем упругости, прочностью на изгиб и другими характеристиками по сравнению с прочими боридами титана. Таким образом, проведенные комплексные взаимодополняющие исследования электровзрывных покрытий подтверждают формирование структуры покрытия, представляющей собой матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана, что обеспечивает лучший уровень свойств созданных покрытий среди возможных сочетаний боридов титана, серебра и никеля.The X-ray phase analysis and transmission electron microscopy methods established the content of TiB 2 , Ag and Ni phases in the coating. The conducted studies of the structure, phase and elemental compositions did not reveal oxide phases (as a rule, oxides can form in electroexplosive coatings in case of air penetration into the working space), which reduce the electrical conductivity of the coating. Also, during the electroexplosive spraying process, the titanium diboride phase remains stable, without transformation into other borides and chemical compounds. Titanium diboride has better electrical conductivity, microhardness, elastic modulus, bending strength and other characteristics compared to other titanium borides. Thus, the conducted comprehensive complementary studies of electroexplosive coatings confirm the formation of a coating structure representing a matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride, which provides the best level of properties of the created coatings among possible combinations of titanium, silver and nickel borides.
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 ~ 11100-12100. Это превышает требования ГОСТа, согласно которому число циклов включений-отключений до полного разрушения для таких контактов должно составлять 10000.The electrical erosion resistance of the 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 the AC-4 mode according to GOST [GOST 2933-83. Testing for mechanical and switching wear resistance. Low-voltage electrical apparatuses. Test methods. - M .: Publishing house of standards, 1983. - 26 p.] were carried out on the test complex of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Siberian State Industrial University" (Novokuznetsk) at a switching current of 378 A, which was 6 times higher than the nominal current, and cosϕ = 0.35. The number of on-off cycles until complete destruction was ~ 11100-12100. 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.
Испытания покрытий на электроэрозионную стойкость в условиях искровой эрозии проводили при точечном контакте. Ток составлял 3А и напряжение - 220 В. После 10000 включений-отключений измеряли потерю массы образца. Формирующиеся в предлагаемом способе покрытия обладают большей электроэрозионной стойкостью в условиях искровой эрозии по сравнению с электротехнической медью марки М00. Относительное изменение электроэрозионной стойкости в условиях искровой эрозии покрытий на основе диборида титана и серебра m/m э составляет 9,67, где m э - потеря массы меди марки М00, принятой за эталон при 10000 циклов включений-отключений.The tests of the coatings for electrical erosion resistance under spark erosion conditions were carried out with point contact. The current was 3 A and the voltage was 220 V. After 10,000 on-off cycles, the sample mass loss was measured. The coatings formed in the proposed method have greater electrical erosion resistance under spark erosion conditions compared to electrical copper grade M00. Relative change in electrical erosion resistance under spark erosion conditions of coatings based on titanium diboride and silverm/m eh is 9.67, wherem eh- loss of mass of copper grade M00, taken as a standard, during 10,000 on-off cycles.
Электропроводность покрытий измеряли с применением цифрового тестера электропроводности Sigma 2008B1 (производство Китай, модель 2023 года выпуска). На поверхности покрытия выбирали 10 участков, после чего измеряли и усредняли электропроводность. Электропроводность сформированных электроэрозионностойких композиционных покрытий, содержащих матрицу на основе серебра и никеля с включениями из диборида титана, составляет 62,5 МСм/м. Полученное высокое значение электропроводности обеспечено применением серебра с добавлением никеля, упрочненных тугоплавкой фазой диборида титана, обладающего высокой электропроводностью и в тоже время твердостью, износостойкостью и электроэрозионной стойкостью.The electrical conductivity of the coatings was measured using a digital conductivity tester Sigma 2008B1 (made in China, model 2023). Ten sections were selected on the coating surface, after which the electrical conductivity was measured and averaged. The electrical conductivity of the formed electrical erosion-resistant composite coatings containing a silver-nickel matrix with titanium diboride inclusions is 62.5 MS/m. The obtained high electrical conductivity value is ensured by the use of silver with the addition of nickel, strengthened by the refractory phase of titanium diboride, which has high electrical conductivity and at the same time hardness, wear resistance and electrical erosion resistance.
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 allows to form a coating which, according to the combination of properties, structural characteristics and phase composition, allows to increase the service life of copper electrical contacts of various types that switch electrical circuits and to expand the area of practical application.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2834114C1 true RU2834114C1 (en) | 2025-02-03 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1132211C (en) * | 1998-08-21 | 2003-12-24 | Abb瑞士控股有限公司 | Switching device and its manufacturing method |
| CN101037566A (en) * | 2005-12-22 | 2007-09-19 | 莫门蒂夫性能材料股份有限公司 | Wear resistant low friction coating composition, coated components, and method for coating thereof |
| RU2583228C1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Method for application of wear-resistant coatings based on titanium diboride and nickel on steel surface |
| RU2750256C1 (en) * | 2020-11-03 | 2021-06-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет", ФГБОУ ВО "СибГИУ" | Method for applying electric-erosion-resistant coatings based on silver, nickel and nickel nitrides to 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 |
| RU2806954C1 (en) * | 2023-09-29 | 2023-11-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Method for electroexplosive spraying of electrical erosion-resistant coating based on titanium and silver diboride onto copper electrical contact |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1132211C (en) * | 1998-08-21 | 2003-12-24 | Abb瑞士控股有限公司 | Switching device and its manufacturing method |
| CN101037566A (en) * | 2005-12-22 | 2007-09-19 | 莫门蒂夫性能材料股份有限公司 | Wear resistant low friction coating composition, coated components, and method for coating thereof |
| RU2583228C1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Method for application of wear-resistant coatings based on titanium diboride and nickel on steel surface |
| RU2750256C1 (en) * | 2020-11-03 | 2021-06-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет", ФГБОУ ВО "СибГИУ" | Method for applying electric-erosion-resistant coatings based on silver, nickel and nickel nitrides to 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 |
| RU2806954C1 (en) * | 2023-09-29 | 2023-11-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Method for electroexplosive spraying of electrical erosion-resistant coating based on titanium and silver diboride onto copper electrical contact |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Daalder | Cathode erosion of metal vapour arcs in vacuum | |
| Li et al. | Material transfer behavior of AgTiB2 and AgSnO2 electrical contact materials under different currents | |
| US20130162136A1 (en) | Arc devices and moving arc couples | |
| Gill et al. | Surface alloying of H11 die steel by tungsten using EDM process | |
| US3303559A (en) | Electrical discharge machine electrodes | |
| RU2750256C1 (en) | Method for applying electric-erosion-resistant coatings based on silver, nickel and nickel nitrides to copper electrical contacts | |
| RU2750255C1 (en) | Method for applying electrical erosion resistant coatings based on silver, tungsten carbides and tungsten mononitride on electric copper contacts | |
| CN106704133A (en) | Non-trigger type vacuum arc micro thruster using gas storage electrodes | |
| JP2002534763A (en) | Discharge tube | |
| RU2497976C1 (en) | METHOD FOR ELECTROEXPLOSIVE SPUTTERING OF COMPOSITE COATINGS OF Al-TiB2 SYSTEM ONTO ALUMINIUM SURFACES | |
| RU2834114C1 (en) | Method for electroexplosive sputtering of electroerosion-resistant composite coating containing matrix based on silver and nickel with inclusions of titanium diboride on copper electrical contact | |
| EP0929088B1 (en) | Contact material | |
| Schulman et al. | Influence of contact geometry and current on effective erosion of Cu-Cr, Ag-WC, and Ag-Cr vacuum contact materials | |
| RU2844304C1 (en) | Method for electro-explosive sputtering of an electro-erosion-resistant composite coating containing a silver-based matrix with inclusions of aluminium oxide on a copper electrical contact | |
| Wang et al. | Effect of Al2O3 particle size on vacuum breakdown behavior of Al2O3/Cu composite | |
| RU2806954C1 (en) | Method for electroexplosive spraying of electrical erosion-resistant coating based on titanium and silver diboride onto copper electrical contact | |
| RU2546940C1 (en) | Method for application of electroerosion-resistant coatings based on carbonaceous wolfram, wolfram and copper to copper electric contacts | |
| RU2478732C1 (en) | Composite electrically blasted conductor for blast deposition of coatings or metal and alloy surface blast alloying | |
| RU2545852C1 (en) | Method of application of electrical erosion-resistant coatings based on molybdenum and copper on copper electric contacts | |
| RU2843374C1 (en) | Method for electro-explosive sputtering of electro-erosion-resistant coating containing tungsten, molybdenum, copper, nickel and silver, 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 | |
| RU2809288C1 (en) | Method of electro-explosive spraying of electrical erosion-resistant coatings based on molybdenum and gold on copper electrical contact | |
| KR100332513B1 (en) | Contact material for vacuum valve and method for fabricating the same | |
| JP6145285B2 (en) | Electrical contact material, method for producing the same, and electrical contact | |
| Shvetsov et al. | Erosion of explosively compacted Mo/Cu electrodes in high-current arc discharges |