Современные композиционные материалы для коммутационной и сварочной техники. Сообщение 2. Применение методов высокоскоростного испарения в вакууме для изготовления электрических контактов и электродов
В статье представлен метод электронно-лучевого испарения–конденсации в вакууме для наиболее перспективных технологий получения современных композиционных материалов, используемых в сварочной и коммутационной технике. В настоящее время этот метод является одним из составляющих технологического процес...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2016 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2016
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146412 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Современные композиционные материалы для коммутационной и сварочной техники. Сообщение 2. Применение методов высокоскоростного испарения в вакууме для изготовления электрических контактов и электродов / Н.И. Гречанюк, В.Г. Гречанюк, Е.В. Хоменко, И.Н. Гречанюк, В.Г. Затовский // Автоматическая сварка. — 2016. — № 2 (750). — С. 41-47. — Бібліогр.: 57 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-146412 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Гречанюк, Н.И. Гречанюк, В.Г. Хоменко, Е.В. Гречанюк, И.Н. Затовский, В.Г. 2019-02-09T16:07:59Z 2019-02-09T16:07:59Z 2016 Современные композиционные материалы для коммутационной и сварочной техники. Сообщение 2. Применение методов высокоскоростного испарения в вакууме для изготовления электрических контактов и электродов / Н.И. Гречанюк, В.Г. Гречанюк, Е.В. Хоменко, И.Н. Гречанюк, В.Г. Затовский // Автоматическая сварка. — 2016. — № 2 (750). — С. 41-47. — Бібліогр.: 57 назв. — рос. 0005-111X DOI: https://doi.org/10.15407/as2016.02.06 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146412 621.81:621.337 В статье представлен метод электронно-лучевого испарения–конденсации в вакууме для наиболее перспективных технологий получения современных композиционных материалов, используемых в сварочной и коммутационной технике. В настоящее время этот метод является одним из составляющих технологического процесса получения тонких (до 5 мкм) пленок для радиотехники, микроэлектроники, вычислительной техники и др., а также толстых (более 5 мкм) пленок-конденсатов, широко используемых в качестве эффективных защитных и износостойких покрытий. Изложены результаты научной и производственной деятельности по внедрению в промышленность технологий нанесения на поверхность электрических контактов и электродов толстых пленок на основе меди и тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама, хрома) с добавками редкоземельных и других металлов (иттрий, цирконий). По результатам проведенных испытаний на более чем 54 предприятиях Украины, России, Грузии, Румынии, Польши, КНР установлено, что по эксплуатационной надежности разработанные материалы не уступают серебросодержащим порошковым композициям, и в то же время они примерно в 3 раза дешевле последних. The paper presents the method of electron beam vacuum evaporation and condensation for the most promising technologies of manufacturing modern composite materials, used in welding and switching equipment. This method currently is one of the components of the technological process of producing thin (up to 5 mm) films for radio engineering, microelectronics, computer engineering, etc., as well as thick (more than 5 mm) films-condensates widely applied as effective protective and wear-resistant coatings. Described are the results of scientific and production activity on introduction into industry of technologies of deposition of thick films based on copper and refractory metals (molybdenum, tungsten, chromium) with additives of REM and other metals (yttrium, zirconium) on the surface of electric contacts and electrodes. Proceeding from the results of trials performed in more than 54 enterprises of Ukraine, Russia, Georgia, Rumania, Poland and PRC it was established that the developed materials are not inferior to silver-containing powder compositions in terms of serviceability, while being approximately 3 times less expensive than the latter. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Современные композиционные материалы для коммутационной и сварочной техники. Сообщение 2. Применение методов высокоскоростного испарения в вакууме для изготовления электрических контактов и электродов Modern composite materials for switching and welding equipment. Information 2. Application of high-rate vacuum evaporation methods for manufacturing electric contacts and electrodes Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Современные композиционные материалы для коммутационной и сварочной техники. Сообщение 2. Применение методов высокоскоростного испарения в вакууме для изготовления электрических контактов и электродов |
| spellingShingle |
Современные композиционные материалы для коммутационной и сварочной техники. Сообщение 2. Применение методов высокоскоростного испарения в вакууме для изготовления электрических контактов и электродов Гречанюк, Н.И. Гречанюк, В.Г. Хоменко, Е.В. Гречанюк, И.Н. Затовский, В.Г. Производственный раздел |
| title_short |
Современные композиционные материалы для коммутационной и сварочной техники. Сообщение 2. Применение методов высокоскоростного испарения в вакууме для изготовления электрических контактов и электродов |
| title_full |
Современные композиционные материалы для коммутационной и сварочной техники. Сообщение 2. Применение методов высокоскоростного испарения в вакууме для изготовления электрических контактов и электродов |
| title_fullStr |
Современные композиционные материалы для коммутационной и сварочной техники. Сообщение 2. Применение методов высокоскоростного испарения в вакууме для изготовления электрических контактов и электродов |
| title_full_unstemmed |
Современные композиционные материалы для коммутационной и сварочной техники. Сообщение 2. Применение методов высокоскоростного испарения в вакууме для изготовления электрических контактов и электродов |
| title_sort |
современные композиционные материалы для коммутационной и сварочной техники. сообщение 2. применение методов высокоскоростного испарения в вакууме для изготовления электрических контактов и электродов |
| author |
Гречанюк, Н.И. Гречанюк, В.Г. Хоменко, Е.В. Гречанюк, И.Н. Затовский, В.Г. |
| author_facet |
Гречанюк, Н.И. Гречанюк, В.Г. Хоменко, Е.В. Гречанюк, И.Н. Затовский, В.Г. |
| topic |
Производственный раздел |
| topic_facet |
Производственный раздел |
| publishDate |
2016 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Modern composite materials for switching and welding equipment. Information 2. Application of high-rate vacuum evaporation methods for manufacturing electric contacts and electrodes |
| description |
В статье представлен метод электронно-лучевого испарения–конденсации в вакууме для наиболее перспективных технологий получения современных композиционных материалов, используемых в сварочной и коммутационной технике. В настоящее время этот метод является одним из составляющих технологического процесса получения тонких (до 5 мкм) пленок для радиотехники, микроэлектроники, вычислительной техники и др., а также толстых (более 5 мкм) пленок-конденсатов, широко используемых в качестве эффективных защитных и износостойких покрытий. Изложены результаты научной и производственной деятельности по внедрению в промышленность технологий нанесения на поверхность электрических контактов и электродов толстых пленок на основе меди и тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама, хрома) с добавками редкоземельных и других металлов (иттрий, цирконий). По результатам проведенных испытаний на более чем 54 предприятиях Украины, России, Грузии, Румынии, Польши, КНР установлено, что по эксплуатационной надежности разработанные материалы не уступают серебросодержащим порошковым композициям, и в то же время они примерно в 3 раза дешевле последних.
The paper presents the method of electron beam vacuum evaporation and condensation for the most promising technologies of manufacturing modern composite materials, used in welding and switching equipment. This method currently is one of the components of the technological process of producing thin (up to 5 mm) films for radio engineering, microelectronics, computer engineering, etc., as well as thick (more than 5 mm) films-condensates widely applied as effective protective and wear-resistant coatings. Described are the results of scientific and production activity on introduction into industry of technologies of deposition of thick films based on copper and refractory metals (molybdenum, tungsten, chromium) with additives of REM and other metals (yttrium, zirconium) on the surface of electric contacts and electrodes. Proceeding from the results of trials performed in more than 54 enterprises of Ukraine, Russia, Georgia, Rumania, Poland and PRC it was established that the developed materials are not inferior to silver-containing powder compositions in terms of serviceability, while being approximately 3 times less expensive than the latter.
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146412 |
| citation_txt |
Современные композиционные материалы для коммутационной и сварочной техники. Сообщение 2. Применение методов высокоскоростного испарения в вакууме для изготовления электрических контактов и электродов / Н.И. Гречанюк, В.Г. Гречанюк, Е.В. Хоменко, И.Н. Гречанюк, В.Г. Затовский // Автоматическая сварка. — 2016. — № 2 (750). — С. 41-47. — Бібліогр.: 57 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT grečanûkni sovremennyekompozicionnyematerialydlâkommutacionnoiisvaročnoitehnikisoobŝenie2primeneniemetodovvysokoskorostnogoispareniâvvakuumedlâizgotovleniâélektričeskihkontaktoviélektrodov AT grečanûkvg sovremennyekompozicionnyematerialydlâkommutacionnoiisvaročnoitehnikisoobŝenie2primeneniemetodovvysokoskorostnogoispareniâvvakuumedlâizgotovleniâélektričeskihkontaktoviélektrodov AT homenkoev sovremennyekompozicionnyematerialydlâkommutacionnoiisvaročnoitehnikisoobŝenie2primeneniemetodovvysokoskorostnogoispareniâvvakuumedlâizgotovleniâélektričeskihkontaktoviélektrodov AT grečanûkin sovremennyekompozicionnyematerialydlâkommutacionnoiisvaročnoitehnikisoobŝenie2primeneniemetodovvysokoskorostnogoispareniâvvakuumedlâizgotovleniâélektričeskihkontaktoviélektrodov AT zatovskiivg sovremennyekompozicionnyematerialydlâkommutacionnoiisvaročnoitehnikisoobŝenie2primeneniemetodovvysokoskorostnogoispareniâvvakuumedlâizgotovleniâélektričeskihkontaktoviélektrodov AT grečanûkni moderncompositematerialsforswitchingandweldingequipmentinformation2applicationofhighratevacuumevaporationmethodsformanufacturingelectriccontactsandelectrodes AT grečanûkvg moderncompositematerialsforswitchingandweldingequipmentinformation2applicationofhighratevacuumevaporationmethodsformanufacturingelectriccontactsandelectrodes AT homenkoev moderncompositematerialsforswitchingandweldingequipmentinformation2applicationofhighratevacuumevaporationmethodsformanufacturingelectriccontactsandelectrodes AT grečanûkin moderncompositematerialsforswitchingandweldingequipmentinformation2applicationofhighratevacuumevaporationmethodsformanufacturingelectriccontactsandelectrodes AT zatovskiivg moderncompositematerialsforswitchingandweldingequipmentinformation2applicationofhighratevacuumevaporationmethodsformanufacturingelectriccontactsandelectrodes |
| first_indexed |
2025-11-26T14:35:11Z |
| last_indexed |
2025-11-26T14:35:11Z |
| _version_ |
1850624588975702016 |
| fulltext |
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ
41I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016
УДК 621.81:621.337
соВРемеННые КомпоЗиЦиоННые матеРиалы
Для КоммУтаЦиоННой и сВаРочНой техНиКи
сообщение 2. применение методов высокоскоростного испарения
в вакууме для изготовления электрических контактов и электродов
Н.И. ГРЕЧАНЮК1, В.Г. ГРЕЧАНЮК2, Е.В. ХОМЕНКО1, И.Н. ГРЕЧАНЮК1, В.Г. ЗАТОВСКИЙ1
1ин-т проблем материаловедения им. и.Н. Францевича НаН Украины. 03680, г. Киев, ул. Кржижановского, 3.
е-mal: homhelen@mail.ru
2Киевский нац. ун-т строительства и архитектуры. 03037, г. Киев, Водухофлотский просп., 31.
е-mal: knuba@knuba.edu.ua
В статье представлен метод электронно-лучевого испарения–конденсации в вакууме для наиболее перспективных технологий
получения современных композиционных материалов, используемых в сварочной и коммутационной технике. В настоящее
время этот метод является одним из составляющих технологического процесса получения тонких (до 5 мкм) пленок для
радиотехники, микроэлектроники, вычислительной техники и др., а также толстых (более 5 мкм) пленок-конденсатов,
широко используемых в качестве эффективных защитных и износостойких покрытий. изложены результаты научной и
производственной деятельности по внедрению в промышленность технологий нанесения на поверхность электрических
контактов и электродов толстых пленок на основе меди и тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама, хрома) с до -
бавками редкоземельных и других металлов (иттрий, цирконий). по результатам проведенных испытаний на более чем
54 предприятиях Украины, России, грузии, Румынии, польши, КНР установлено, что по эксплуатационной надежности
разработанные материалы не уступают серебросодержащим порошковым композициям, и в то же время они примерно
в 3 раза дешевле последних. Библиогр. 57, табл. 1, рис. 4.
К л ю ч е в ы е с л о в а : композиционные материалы, медь и тугоплавкие металлы, сварочная и коммутационная тех-
ника, электронно-лучевое испарение, пленки конденсатов, эксплуатационная надежность
Разработка физико-химических основ создания
новых материалов — объективная необходимость
технического и социального развития общества.
Без этого невозможно достичь существенного
прогресса ни в одном из важных направлений на-
уки и техники. исходя из оценки американских
экспертов, в ближайшие 20 лет 90 % современных
материалов будет заменено принципиально новы-
ми, что приведет к технической революции прак-
тически во всех областях промышленности [1,
2]. одним из прогрессивных направлений созда-
ния принципиально новых материалов с наперед
заданными свойствами есть высокоскоростное
электронно-лучевое испарение — конденсация
металлических и неметаллических материалов в
вакууме. испарение и последующая конденсация
материалов в вакууме — относительно новое на-
правление в материаловедении [3].
В настоящее время ни одна область техники,
связанная с получением и обработкой материа -
лов, не обходится без электронно-лучевого на -
правления. это объясняется наиболее высокой эф-
фективностью электронного луча по сравнению
с другими известными концентрированными по -
токами энергии (лазером, плазмой). электронный
луч имеет наибольший коэффициент поглощения
энергии. Диапазоны мощности и концентрации
энергии в луче значительны (мощность электрон-
ных лучей — 1 мВт и более). В этой связи нагрев
материала до заданных температур плавления и
испарения происходит с очень высокими скоро -
стями [4].
электронно-лучевое испарение–конденсация
в вакууме является одним из составляющих тех -
нологического процесса получения тонких (до
5 мкм) пленок для радиотехники, микроэлектро -
ники, вычислительной техники и др. [5], а также
толстых (более 5 мкм), используемых в качестве
эффективных защитных и износостойких покры -
тий [6–10].
перспективным является создание многоком -
понентных покрытий, предназначенных для по -
вышения эрозионной стойкости электрических
контактов коммутационных аппаратов. Научный
и производственный опыт, приобретаемый при
разработке покрытий из сплавов на основе меди,
легированных оловом, хромом, алюминием, нике-
лем, титаном обобщен в монографии [11].
о возможности применения высокопрочных
пленок системы Cu–0,5 % Al2O3 (тут и далее
мас. %) в качестве покрытий изделий электротех -
нического назначения отмечается в работе [12].
© Н.и. гречанюк, В.г. гречанюк, е.В. хоменко, и.Н. гречанюк, В.г. Затовский, 2016
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ
42 I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016
Установлено, что осажденные в вакууме покры -
тия значительно превосходят соответствующие
гальванические по уровню износостойкости и,
особенно, температурной стабильности.
Несмотря на очевидные преимущества, ва -
куумные покрытия не всегда экономически оправ-
даны, поскольку коэффициент использования
пара обычно не превышает 10...15 %. В то же вре-
мя из-за разности упругости паров компонентов
возникают непреодолимые трудности при испа -
рении из одного источника материалов на основе
меди или серебра с добавками тугоплавких метал-
лов: вольфрама, молибдена, тантала, ниобия, цир-
кония в том или ином соотношении, соответству-
ющем составу современных электроконтактных
материалов.
Как известно, традиционными методами по -
лучения композиционных материалов (Км) для
электрических контактов являются методы по -
рошковой металлургии. технологические особен -
ности получения материалов для электрических
контактов, их эксплуатационные характеристики
и области применения приведены в публикациях
[13–20]. последние достижения в этой области
материаловедения обобщены в работе [21].
Несмотря на широкий выбор материалов для
коммутационной и сварочной техники проблема
создания высоконадежных Км так до конца и не
решена, поскольку требования, предъявляемые к
материалу контактов, зависят от типа коммута -
ционного аппарата и изменяются по мере его со -
вершенствования и замены новым. аналогичные
требования существуют и для Км, используемых
в сварочной технике. Удовлетворить эти требова -
ния могут материалы, характеризуемые оптими -
зированной структурой и соответствующим ком -
плексом свойств, обеспечивающие формирование
в рабочем слое «вторичной структуры» с повы -
шенными электроэрозионной стойкостью, сроком
службы и надежностью.
определяющее влияние на эксплуатацион -
ные характеристики материалов электрических
контактов и электродов оказывает структурный
фактор. повышение дисперсности Км в системе
Ag–Me, Ag–MeO способствует снижению интен -
сивности плазменных потоков, увеличению элек-
троэрозионной стойкости контактов и электродов
из этих материалов [22].
процессы испарения и конденсации позво -
ляют конструировать материалы на атомно-мо -
лекулярном уровне и, как результат, прецизион -
но регулировать их дисперсность. В этой связи
значительный научный и практический интерес
представляет использование высокоскоростного
электронно-лучевого испарения и последующей
конденсации металлов в вакууме для получения
массивных конденсированных Км для электри -
ческих контактов и электродов. Конденсирован -
ные из паровой фазы Км на основе чистых метал-
лов и их сплавов, оксидов, карбидов, боридов, Км
дисперсно-упрочненного, микрослойного и микропо-
ристого типов толщиной 0,1...2,0 мм с 1970-х годов
исследуются в институте электросварки им. е.о.
патона НаН Украины [23], Королевском авиаци -
онном научно-исследовательском институте мини-
стерства обороны Великобритании [24], ряде других
научно-исследовательских лабораторий [25]. Резуль-
таты этих исследований обобщены в работах [26,
27]. однако о промышленном выпуске подобных
материалов как отдельных конструкционных эле-
ментов узлов, приборов и механизмов до последне-
го времени ничего не было известно.
Наибольший интерес представляет разработ -
ка и широкое внедрение в различные отрасли тех-
ники конденсированных из паровой фазы Км для
контактов и электродов, не содержащих благород-
ных металлов. следует отметить, что материалы,
полученные методами порошковой металлургии
без благородных металлов, широко распростране-
ны в производстве электродов и контактов комму-
тационных аппаратов. порошковые Км для этих
контактов и электродов содержат 20...80 % туго -
плавкой составляющей (как правило, это воль -
фрам, молибден и хром), а легкоплавкой являет -
ся медь. технологическими добавками могут быть
никель, кобальт, функциональными — некоторые
оксиды, бор и другие элементы и соединения. В
промышленности в основном применяют по -
рошковые Км с содержанием 50 и 70 % тугоплав-
кой фазы [15, 28].
при использовании контактов и электродов из
Км системы W–Cu продуктами окисления чаще
всего являются оксиды WO3 и Cu2O [16, 29]. их
удельное электросопротивление изменяется в до -
вольно широких пределах: для WO3 от 1 (при силь-
ном отклонении) до 1·1012 ом/см (при стехиометри-
ческом составе), для Cu2O — от 103 до1010 ом/см.
при коммутации тока на воздухе подобные
процессы наблюдаются и в рабочем слое контак -
тов из псевдосплавов Mo–Cu. молибден и медь
взаимно ограниченно растворимы [30], в то вре -
мя как их оксиды взаимодействуют и образуют
стойкие соединения (CuMoO4, Cu3Mo2O9) [31,
32]. при температуре выше 700 °с возникает лег-
коплавкая эвтектика в системе MoO3–Cu2O. Уста -
новлено, что оксидная пленка, имеющая состав
эвтектики этой системы, легко растекается по по -
верхности контакта, заполняя неровности [31, 32].
пленка имеет слабую адгезию к основе и ее от -
слаивание после кристаллизации от поверхности
контакта способствует эффекту «самозачистки»
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ
43I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016
и снижению уровня переходного сопротивления
контактной пары [28].
при решении проблемы получения из паро -
вой фазы композитов для электрических контак -
тов и электродов был выполнен ряд научных и
прикладных исследований по разработке Км на ос-
нове меди, молибдена, вольфрама и хрома, которые
включали:
– выбор легирующих элементов и разра -
ботку процессов их введения в медную матри -
цу для получения двух- и многокомпонентных
Км на основе меди с повышенными физико-хи -
мическими, механическими и коррозионными
характеристиками;
– исследование влияния межфазного взаимо -
действия в системе медь–тугоплавкая составля -
ющая, материала, температуры и шероховатости
подложки на структуру и свойства Км;
– анализ изменения структуры и свойств Км
в зависимости от химического состава исходных
(испаряемых) компонентов и скорости их осажде-
ния; обоснование выбора материала разделитель -
ного шара;
– изучение влияния легирующих фаз на повы-
шение скорости испарения меди и определение
оптимального состава легирующих добавок;
– проведение комплексных исследований
структуры, физико-химических и механических
свойств градиентных двух- и многокомпонентных
Км на основе меди, полученных на стационарной
и вращающейся подложках;
– проведение комплексных коррозионных ис -
следований Км и определение механизмов проте-
кания коррозионных процессов;
– выдачу рекомендаций коррозионностойких
конденсированных с паровой фазы Км на осно -
ве меди, создание промышленного оборудования
и технологий их производств.
основные результаты проведенных фундамен -
тальных, научных и прикладных исследований
изложены в работах [33–35] и обобщены в [36].
итоги выполнения указанных выше работ мож -
но обозначить следующим образом. сформули -
рованы физико-химические принципы констру -
ирования конденсированных из паровой фазы
Км на основе меди, которые позволили осуще -
ствить переход от лабораторных исследований
к их широкому промышленному применению.
проведены комплексные исследования структу -
ры, физико-химических, механических и эксплу -
атационных свойств Км Cu–Mo, Cu–W, Cu–Cr,
(CuZrY)–Mo в интервале концентраций тугоплав -
ких компонентов до 50 %; проведены комплекс -
ные исследования коррозионной стойкости двух-
и многокомпонентных Км и рассчитаны баллы
их коррозионной стойкости; установлено обра -
зование пересыщенных твердых растворов в Км
Cu–W, Cu–Mo, Cu–Cr на субмикронном уровне,
что приводит в результате их распада к формиро -
ванию слоистой структуры. Впервые предложено
легировать медную матрицу цирконием и иттри -
ем с общим их содержанием в Км до 0,1 % путем
испарения меди через ванну-посредник из сплава
Cu–Zr–Y, что обеспечило одновременное повы -
шение коррозионной стойкости Км и скорости
испарения меди в 2...3 раза и экспериментально
показано, что конденсированные из паровой фазы
Км Cu–0,1(Zr,Y)–(8...12)Mo и Км Cu–0,1(Zr,Y)–
(0,3...0,34)Cr–(8...12)Mo представляют собой объ -
емные нанокристаллические системы.
Конденсированные из паровой фазы КМ
Cu–Zn–Y–Mo. Наибольшее промышленное при -
менение нашли системы Cu–Zn–Y–Mo [33, 36,
37].
химический состав и основные физико-меха -
нические свойства указанных материалов приве -
дены в табл. 1.
Новые композиты, получившие название ма -
териалы дисперсно-упрочненные для электри -
ческих контактов (мДК) сертифицированы в со -
ответствии с украинскими стандартами [38, 39].
химический состав и технология их изготовления
защищены патентами Украины и Российской Фе-
дерации [40–42].
Конденсированные из паровой фазы Км на ос-
нове меди, молибдена и вольфрама характеризу -
ются слоистой структурой с иерархией слоев на
макро-, микро- и субмикронном уровне (рис. 1).
при небольшой концентрации молибдена (до
7...8 %), вольфрама (до 4 %) слоистость слабо
выражена. с повышением содержания тугоплав -
кого составляющего контраст изображения уве -
Т а б л и ц а 1 . Химический состав и физико-механические свойства КМ Cu–Zr–Y–Mo
мате-
риал
химический состав
материала, мас. %
плот-
ность,
г/см3
Удельное
электросо-
противление,
мком·м
твердость
НV, мпа
механические свойства
до отжига после отжига в ва-
кууме 900 ос, 1 ч
σв, мпа δ ,% σв, мпа δ ,%
мДК–1 сu–(0,05...0,1)(Zr,Y)
–(3...5)Mo 8,9...9,0 0,021...0,022 1000...1500 300...430 10,3...7,3 295...420 17,6...9,3
мДК–2 сu–(0,05...0,1)(ZrY)
–(5,1...8)Mo 9,0...9,05 0,022...0,024 1500...1650 440...630 7,25...3,4 425...600 9,45...4,9
мДК–3 (сu–0,05...0,1ZrY)
–(8,1...12)Mo 9,05...9,1 0,024...0,028 1650...1800 635...785 3,25...1,8 605...730 4,85...3,9
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ
44 I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016
личивается, что указывает на усиление слоисто -
сти, что обусловлено различными факторами.
Наличие слоистости на макроуровне вероятней
всего обусловлено возникновением электриче -
ских микропробоев, возникающих при высоко -
скоростном испарении исходных технически чи -
стых компонентов (скорость осаждения меди на
вращающуюся стальную подложку диаметром
1000 мм достигает 60...70 мкм/мин, молибдена –
6...8 мкм/мин). слоистость на микроуровне вы -
звана примесями, присутствующими в исходных
(испаряемых) материалах. Возникновение слоев
на субмикронном уровне связано с образовани -
ем пересыщенных твердых растворов, которые,
распадаясь, формируют соответствующие ми -
крослои [36]. Коммутационные испытания по -
казали, что в таком градиентном слоистом нано -
материале изменения химического состава слоев
существенно ограничивают зону термического
влияния разряда. В ряде типов коммутационных
аппаратов и приборов наблюдаются меньшие из -
менения рабочего слоя контактов и электродов и
повышение эрозионной стойкости по сравнению
с аналогами, полученными методами порошковой
металлургии.
Наиболее эффективные области применения
мДК – городской транспорт (контакты, исполь -
зуемые в городских трамваях, троллейбусах, по -
ездах метро; междугородный электротранспорт,
тепловозы, электропоезда; лифтовое хозяйство
(пассажирские и грузовые лифты); портовые, ко -
рабельные краны и другие подъемно-транспорт -
ные механизмы; электрокары всех типов; гор -
но-шахтное оборудование: промышленные и
бытовые электротехнические устройства, содер -
жащие реле, пускатели, контакторы, рубильники
и т.п.
общий вид разрывных контактов, изготовлен -
ных с применением материалов мДК, представ -
лен на рис. 2.
Композиционные материалы мДК-3 нашли
промышленное применение в качестве электро -
дов для сварки латунной ленты с медной прово -
локой на конденсаторных точечных машинах типа
тКм 15 и тКм 17. Ниже приведены результаты
испытаний электродов на предприятии «шост -
кинский казенный завод «импульс».
Фактический ресурс работы электродов, изго -
товленных из материала мДК-3 (плановый ресурс
работы 100000 циклов):
№ 1 (верхний электрод на тКм 15) — 105000;
№ 2 (нижний электрод на тКм 15) — 120000;
№ 3 (верхний электрод на тКм 17) — 110000;
№ 4 (нижний электрод на тКм 15) — 125000.
электроды, изготовленные из композиционно -
го материала мДК-3, соответствуют всем требо -
ваниям, предъявляемым к электродам, используе -
мым на конденсаторных точечных машинах типа
тКм 15 и тКм 17.
принципиально новым применением матери -
алов мДК-3 стало их использование в качестве
электродов для сварки живых тканей [43]. из ука-
занных материалов освоен выпуск мундштуков
для сверхзвукового электродугового напыления.
перспективным является замена материалами
мДК бериллиевой бронзы. В отличие от бронзы
Км марки мДК не теряют прочности вплоть до
температуры нагрева до 900 °с. Указанные Км
также могут быть использованы как пружинные
сплавы с высокой электропроводностью, сплавы,
стойкие к радиационному распуханию, и как по -
крытия на зеркалах силовой металлооптики [36].
Конденсированные из паровой фазы КМ
Cu–Cr–Zr–Y–Mo. Композиционные материа -
лы Cu–(0,2...0,41)Cr–(0,05...0,1)(Zr,Y)–(8...12)Mo
(марка мДК3х) являются оптимизированным ва -
риантом мДК3. экспериментально подтверждено,
что Км Cu–(0,05...0,1)(Zr,Y)–(8...12)Mo представ -
ляют собой объемные нанокристаллические мате-
Рис. 1. слоистая структура Км на основе меди и молибдена на макро- (а), микро- (б) и субмикронном уровне (в)
Рис. 2. общий вид типичных разрывных контактов, изготов -
ленных с применением материалов мДК
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ
45I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016
риалы со средними размерами зерна: меди 80 нм,
молибдена 10 нм. Благодаря дополнительному леги-
рованию хромом мДК3х отличаются в 1,5...2,0 раза
более высокой коррозионной стойкостью по сравне-
нию с мДК3 при сохранении уровня физико-меха-
нических свойств последних [44]. они в основном
используются для изготовления разрывных контак-
тов горно-шахтного оборудования, где влажность
достигает более 80 % и присутствуют агрессивные
газы CO2 и SO2, в частности, на смолинской и ин-
гульской шахтах по добыче урана.
Конденсированные из паровой фазы КМ
Cu–Zr–Y–C. Композиционные материалы Cu–
(0,05...0,1)(Zr,Y)–(0,3...0,6)C (марка мДК3с)
используются в промышленном масштабе для
изготовления скользящих контактов [45, 46]. пан-
тографы из данных материалов (рис. 3) нашли
применение в локомотивах, обеспечивающих дви-
жение вагонеток с медной рудой на медно-рудном
комбинате (люблин, польша).
Конденсированные из паровой фазы КМ
Cu–(0,05...0,1)(Zr, Y)–W. Cтруктура, физико-хи -
мические, механические и эксплуатационные
свойства композитов с содержанием вольфрама до
50 % подробно описаны в работах [47–50]. Ком -
позиционные материалы на основе меди и воль -
фрама традиционно используются в качестве
сильноточных электрических контактов масляных
выключателей. В последнее время они также на -
ходят применение в некоторых типах вакуумных
приборов. В частности, конденсированные из па -
ровой фазы Км Cu–(0,5...0,1)(Zr,Y)–(32...36)W на-
шли промышленное применение для изготовления
контактов масляных выключателей типа PHO и
PHT-17. Указанные материалы прошли успешную
опытно-промышленную апробацию в вакуумных
дугогасительных камерах мВК-440, которые, в
основном, используются в угольных шахтах [51].
Конденсированные из паровой фазы КМ
Cu–(0,05...0,1)(Zr, Y)–Cr. Влияние технологиче -
ских факторов на структуру и механические свой-
ства конденсированных из паровой фазы Км Cu–
Zr–Y–Cr с содержанием хрома до 60 % описано в
работе [52]. Км Cu–Cr с содержанием 35...50 %
хрома широко используют для изготовления кон -
тактов вакуумных дугогасительных камер.
Возможность использования конденсирован -
ных Км этой системы обусловлена особенно -
стями химического состава и морфологии «вто -
ричной» структуры, образующейся на рабочей
поверхности контактов. В неравновесных услови-
ях дугового разряда в рабочем слое увеличивается
взаимная растворимость меди и хрома и происхо-
дит распад твердых растворов с формированием
дисперсной структуры. Конденсаты Cu–Zr–Y–
Cr при этом содержании хрома имеют слоистую
структуру на макро-, микро- и субмикроуровнях.
слоистость последних двух уровней обусловле -
на анизотропией нормального роста зерен, спо -
собствующей формированию «столбчатости» в
пределах нескольких слоев конденсата, в кото -
рых под воздействием температуры и времени в
сечении слоя, перпендикулярном столбцам, обра -
зуется структура с полигональной формой зерен
(рис. 4, а) и признаками расслоения твердого рас-
твора (рис. 4, б).
изменение твердости (по Виккерсу) в зависи -
мости от содержания хрома имеет линейный ха -
рактер, в интервале концентраций 35...50 % Cr
твердость изменяется в пределах 2069...2503 мпа.
при испытании на растяжение предел прочности
увеличивается до 550 мпа, однако Км при этом
Рис. 3. общий вид скользящих контактов, изготовленных из
материала мДК3с
Рис. 4. микроструктура Км Cu–Zr–Y–Cr с содержанием хро-
ма 35...50 %: во вторичных электронах (а) и в рентгеновских
лучах меди (б)
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ
46 I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016
имеет нулевую пластичность. Км Cu–Zr–Y–Cr на-
ходят применение для изготовления контактов ду-
гогасительных камер [53, 54].
Конденсированные из паровой фазы Км отли -
чаются рядом достоинств: их получают за один
технологический цикл, они дешевле аналогов,
получаемых методами порошковой металлургии
(в 1,5...1,7 раза) и существенно (в 4 раза) дешев -
ле материалов серебросодержащих контактов. по
эксплуатационной надежности конденсированные
Км не уступают материалам на основе серебро -
содержащих композиций. они хорошо обрабаты -
ваются резанием, шлифованием, сверлением, лег-
ко паяются любыми из известных способов пайки
с использованием стандартных серебросодержа -
щих и бессеребряных припоев. создано промыш-
ленное сертифицированное электронно-лучевое
оборудование для производства Км, конденсиро -
ванных из паровой фазы [55, 56], которое позво -
ляет изготавливать до 12 т в год композитов раз -
личного химического состава. За период с 1995 по
2015 гг. получено более 15 т Км, из которых про-
изведено около 1,6 млн контактов и электродов
386 типоразмеров [57].
Выводы
создано промышленное электронно-лучевое обо-
рудование для производства конденсированных
из паровой фазы Км на основе меди, молибдена,
вольфрама и хрома, используемых при изготовле-
нии электрических контактов и электродов.
проведенные более чем на 54 предприятиях
Украины, России, грузии, Румынии, польши, КНР
испытания показали, что по эксплуатационной на-
дежности разработанные материалы не уступают се-
ребросодержащим порошковым композициям и в то
же время они примерно в 3 раза дешевле последних.
1. Новые материал / под ред. ю.с. Коробасова. – м.: ми-
сис, 2002. – 736 с.
2. Материаловедение. технологии конструкционных ма-
териалов / под ред. В.с. чередниченко. – м.: омего-л,
2008. – 751 с.
3. Bunshah R.F. Vacuum evaporation – history. Recent develop-
ments and application // Zeitschrijt jur Metallkunde. – 1984.
– 75, № 11. – P. 840–846.
4. Зуев И.В. обработка материалов концентрированными
потоками энергии. – м.: мэи, 1998. –162 с.
5. Технология тонких пленок. справочник / под ред. л.
майселла и З. гленга. – м.: сов. радио, 1997. – т.и. –
662 с. – т.2 – 764 с.
6. Самсонов Г.В., Эпик А.П. тугоплавкие покрытия. – м.:
металлургия, 1973. – 398 с.
7. Шиллер З., Гайзиг Г., Панцер З. электронно-лучевая тех-
нология. – м.: энергия, 1980. – 528 с.
8. Мовчан Б.А., Малошенко И.С. Жаростойкие покрытия,
осаждаемые в вакууме. – Киев: Наук. думка, 1983. –
230 с.
9. Повышение качества поверхности и плакирование ме-
таллов. справочник / под ред. а. Кнаунирс. – м.: метал-
лургия, 1984. – 376 с.
10. Елисеев Ю.С., Абрамов Н.В., Кримов В.В. химико-терми-
ческая обработка и защитные покрытия в авиастроении.
– м.: Высш. шк., 1999. – 522 с.
11. Косторжицкий А.И., Лебединский О.В. многокомпо-
нентные вакуумные покрытия. – м.: машиностроение,
1987. – 207 с.
12. Ильинский А.И. структура и прочность слоистых и дис-
персно-упрочненных пленок. – м.: металлургия, 1986.
– 140 с.
13. Францевич И.Н. электрические контакты, получаемые
методом порошковой металлургии // порошковая метал-
лургия. –1980. – № 8. – с. 36–47.
14. Раховский В.И., Левченко Г.В., Теодорович О.К. Разрыв-
ные контакты электрических аппаратов. – м.: металлур-
гия, 1966. – 295 с.
15. Спеченные материалы для электротехники и электрони-
ки. справочник / под ред. г.г. гнесина. – м.: металлур-
гия, 1981. – 343 с.
16. Материалы в приборостроении и автоматике. справоч-
ник / под ред. ю.м. пятина. – м: машиностроение,
1982. – 527 с.
17. Композиционные материалы. справочник / под ред. Д.м.
Карпиноса. – Киев: Наук. думка, 1985. – 591 с.
18. Тучинский Л.И. Композиционные материалы, получае-
мые методом пропитки. – м.: металлургия, 1998. – 206 с.
19. Композиционные материалы для контактов и электродов /
Р.В. минакова, м.л. грекова а.п., Кресанова, л.а. Кряч-
ко // порошковая металлургия. – 1995. – № 7/8. – с. 32–52.
20. Slade Paul G. The Vacuum Interrupter.Theory, Design and
Application. – CRC Press, 2008. – 528 p.
21. Хоменко Е.В., Гречанюк Н.И., Затовский В.Г. современ-
ные композиционные материалы для коммутационной и
сварочной техники. сообщение 1. порошковые компози-
ционные материалы // автомат. сварка. – 2014. – № 10.
– с. 38–44.
22. Leis P., Schuster K.K. Der einjlus des kontactmaterials auf
die austildundvon plasmastrhlen // Electric. – 1979. – 33,
№ 10. – S. 541–516, 559.
23. Мовчан Б.А., Гречанюк Н.И. Новые материалы и покры-
тия, получаемые по электронно-лучевым технологиям //
сб. тр. элт-88 (31 мая–4 июня 1988 г., Варна, Болгария).
– Варна, 1988. – с. 1005–1023.
24. Фаткуллин О.Х. Новые конструкционные порошковые
материалы и их применение // итоги науки и техники.
порошковая металлургия. – м.: ВиНити, 1991. – т. 5.
– с. 140–177.
25. Singh I., Wolfe D.E. Review Nano and macro-structured
component fabrication by electron (EB-PVD) // J. of
Materials Science. – 2005. – 40. – P. 1–26.
26. Демчишин А.В. структура и свойства толстых вакуумных
конденсатов металлических и неметаллических матери-
алов и научные основы их получения: автореф. дис. ...
д-ра техн. наук. – Киев: иэс им. е.о. патона аН УссР,
1981. – 35 с.
27. Гречанюк Н.И. Новые конструкционные материалы, по-
лученные путем конденсации паровой фазы в вакууме
для изделий новой техники: Дис. ... д-ра техн. наук. –
Киев: иэс им. е.о. патона аН УссР, 1988. – 520 с.
28. Минакова Р.В., Кресанова А.П., Гречанюк Н.И. Компози-
ционные материалы для контактов и электродов. мате-
риалы на основе молибдена // электрические контакты
и электроды. – Киев: ин-т проблем материаловедения
НаН Украины, 1996. – с. 95–105.
29. Slade P.E. Arc erosion of tungsten based contact materials. A.
review // Int. J. of Refractory and Hard Metals. – 1986. – 5,
№ 4. – P. 208–214.
30. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди
/ под ред. м.е. Дриц, Н.п. Бочвар, л.с. гузей и др. – м:
Наука, 1979. – 248 с.
31. Mackey T., Ziolkowski I. Sybsolias phase diagram of Cu2O–
CuO–MoO system // J. Solid Stat. Chem. –1980. – № 31. –
Р. 135–143.
32. Mackey T., Ziolkowski I. Phase relation in the cupric molib-
dates –cuprous molibdates system // Ibid – P. 145–151.
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РАЗДЕЛ
47I 000 -111 АВТОМАТИ ЕСКА СВАРКА, 2 0 , 2016
33. Гречанюк И.Н. структура, свойства и электронно-луче-
вая технология получения композиционных материалов
Cu–Zr–Y–Mo для электрических контактов: Дис. ... канд.
техн. наук. – Киев: ипм им. и.Н. Францевича НаН
Украины, 2007. – с. 171.
34. Чорновол В.О. структура і корозійна стійкість компо-
зиційних матеріалів Cu–Mo, Cu–W, отриманих мето-
дом електронно-променевого випаровування-конденса-
ції: автореф. дис. .... канд. техн. наук. – Киев: ипм им.
и.Н. Францевича НаН Украины, 2011. – 22 с.
35. Артюх А.Ю. Розробка матеріалів для електричних кон-
тактів на основі міді й молибдену, легованих Al, Cr, Zn,
отриманих методом електронно-променевого випарову-
вання – конденсації: автореф. дис. ... канд. техн. наук.
– Киев: ипм им. и.Н. Францевича НаН Украины, 2011.
– с. 20.
36. Гречанюк В.Г. Фізико-хімічні основи формування кон-
денсованих з парової фази композиційних матеріалів на
основі міді: автореф. дис .... канд. техн. наук. – Киев:
ипм им. и.Н. Францевича НаН Украины, 2013. – с. 40.
37. Композиционные материалы на основе меди и молибдена
для электрических контактов, конденсированные из па-
ровой фазы. структура, свойства, технология. ч. 2. осно-
вы электронно-лучевой технологии получения материа-
лов для электрических контактов / Н.и. гречанюк, В.а.
осокин, и.Н. гречанюк и др. // современ. электрометал-
лургия. – 2006. – № 2. – с. 9–19.
38. ТУУ 20113410.001–98. материалы дисперсно-упрочнен-
ные для электрических контактов. – Введ. 02.06.98.
39. ТУ У24.4-33966101-001:2014. матеріали дисперсно-змі-
цнені для електричних контактів. – Введ. 17.11.14.
40. Пат. 34875 Україна. Композиційний матеріал для елек-
тричних контактів та спосіб його отримання / м.І. греча-
нюк, В.о. осокін, І.Б. афанасьєв, І.м. гречанюк. – опу-
бл.16.12.2002 р.
41. Пат. 74155 Україна. спосіб отримання мікрошаруватих
термостабільних матеріалів / м.І. гречанюк. – опубл.
15.11.2005 р.
42. Пат. № 2271404 РФ. способ получения микрослойных
термостабильных материалов / Н.и. гречанюк. – опубл.
03.10.2006 г.
43. www.weldinglivetissues.com
44. Пат. 104673 Украина. Композиційний матеріал для
електричних контактів та спосіб його отримання / м.І.
гречанюк, В.г. гречанюк, В.В. Бухановський. – опубл.
25.02.2014 р.
45. Perfomance of sliding contacts with Cu–Mo layers for
transportation in mining industry / B. Miedzinski, Z.
Okraszewski, N. Grechanyuk, S. Wandzio // электрические
контакты и электроды. – Киев: ин-т проблем материало-
ведения НаН Украины, 2008. – с. 150–155.
46. Manufacturing Technique and Properties of Condensed
Copper-Carbon Composite Materials for Sliding Electrical
Contacts / N. Grechanyuk, R. Minakova, V. Bukhanovsky, N.
Rudnitsky // Open Access Library J. – 2014. Vol.1. – P. 1–9.
47. Пат. 86434 Україна. Композиційний матеріал для елек-
тричних контактів і електродів та спосіб його отримання
/ м.І. гречанюк, І.м. гречанюк, В.г. гречанюк. – опубл.
27.04.2009 р.
48. Взаємозв’язок між складом, структурою і механічними
властивостями конденсованого композиційного матеріа-
лу системи мідь–вольфрам / В.В. Бухановський, м.п.
Рудницький, В.В. харченко та ін. / проблемы прочности.
– 2011. – № 4. – с .87–102.
49. Production technology, structure and properties of Cu–W
layered composite condensed materials for electrical contacts
/ V.V. Bukhanovskyi, N.I Grechanyuk, R.V. Minakova еt. al.
// Refractory Metals and Hard Materials. – 2001. – 29, Is. 5.
– P. 573–581.
50. Структура і фізико-хімічні властивості композиційних
матеріалів на основі міді і вольфраму, отриманих мето-
дом електронно-променевого випаровування / В.о. Де-
нисенко, Р.В. мінакова, В.г. гречанюк, І.м. гречанюк
// Наук. вісн. чернівецького ун-ту. хімія. – 2008. – Вип.
№ 422. – с. 26–33.
51. Perfomance of LV vacuum contactors with condensed
composite multicomponent contacts / B. Miedzinski, Z.
Okrasczewski, M. Grechanyuk еt. al. // электрические кон-
такты и электроды. – Киев: ин-т проблем материаловеде-
ния НаН Украины, 2010. – с.139–144.
52. Влияние технологических факторов на структуру, меха-
нические свойства и характер разрушения композицион -
ного материала системы медь–хром / В.В. Бухановский,
Н.и. гречанюк, Н.п. Рудницкий и др. // металловед. и
терм. обработка металлов. – 2009. – № 8. – с. 26–31.
53. Пат. 32368А. Украина. Контактный материал для дуго-
гасительных камер и способ его получения // м.І. гре-
чанюк, м.м. плащенко, В.о. осокін та ін. – опубл.
15.12.2000 р.
54. Пат. 76737 Україна. Контактна система вакуумної дуго-
гасної камери / м.І. гречанюк, м.м. плащенко, а.В. Зва-
рич, В.о. осокін. – опубл. 15.09.2006 р.
55. Гречанюк В.Г. Корозійностійкі композиційні матеріали
на основі міді й електронно-променеве обладнання для
їх створення // Наук. вісн. чернівецького ун-ту. – 2013. –
№ 640. – с. 43–51.
56. ДСТУ ГОСТ 15.005:2009. создание изделий единично-
го и мелкосерийного производств, собираемых на месте
эксплуатации. – Введ. 02.01.09.
57. ТУ У 31.20113410-003–2002. Контакти електричні на
основі дисперсно-зміцнених матеріалів (мДК). – Введ.
30.10.02.
поступила в редакцию 21.07.2015
МЕТАЛЛ. ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТ-2016
VI специализированная выставка
23–25 марта 2016 г. Львов, Дворец спорта «Украина»
На выставке будут представлены современные технологии, способствующие переосна-
щению машиностроительной промышленности Украины.
Участники выставки «Металл. Оборудование. Инструмент-2016» смогут расширить тор-
гово-экономические связи и наладить важные партнерские отношения.
Выставка имеет цель ознакомить с современным оборудованием
для производства и обработки металла, в частности,
оборудованием для восстановления и защиты металлических поверхностей;
технологиями соединения, защиты и другими технологиями машиностроения.
|