05 марта 2016г.
Учитывая область применения конденсированных из паровой фазы композиционных материалов Ag-W, Ag-Re, Ag-Pd, Pd-W, Pd-Re, Rh-Ir, изучена их структура, микротвердость и удельное электросопротивление. Представлены результаты испытания полученных контактных материалов на износостойкость
Ключевые слова: конденсат, структура, свойства, применение
Металлы, предназначенные для работы в окислительных средах, защищают от окисления легированием либо нанесением покрытий [1].
Покрытия для исследований получали электроннолучевым испарением и осаждением паров в вакууме (PVD). Физическое осаждение из паровой фазы в вакууме позволяет смешивать в виде пара его компоненты в различных соотношениях и конструировать материал на атомно-молекулярном уровне с заданной дисперсностью и распределением фаз по его толщине [2]. Компоненты композиционного материала одновременно испаряли из двух независимых тиглей и осаждали смешанный паровой поток на подогретую стационарную подложку. Это позволяло получать на подложке градиент химического состава компонентов конденсата и соответствующих структур.
Для улучшения функциональных характеристик покрытий из серебра, палладия и родия, исходя из особенностей влияния на электропроводность и износостойкость их легировали вольфрамом, рением или родием.
Далее представлены результаты разработки основ электронно-лучевой технологии получения конденсированных из паровой фазы композиционных материалов для разрывных и скользящих электрических контактов.
Для серебра и вольфрама характерна полная нерастворимость, как в твердом, так и в жидком состоянии. Микроструктура конденсатов серебра с вольфрамом характеризуется мелкозернистым строением (Рисунок 1) и представляет собой серебряную основу, в которую вкраплены небольшие округлые частицы вольфрама.
Легирование серебра вольфрамом сопровождается увеличением микротвердости и удельного электросопротивления. Небольшие добавки вольфрама приводят к резкому увеличению микротвердости с 0,48 ГПа для конденсата серебра до 0,80 ГПа для конденсата с 6,5 вес.% W. Заметно увеличивается и удельное электросопротивление соответственно от 0,03 до 0,16 мкОм.м. Изменение микротвердости и удельного электросопротивления исследуемых конденсатов серебра с вольфрамом представлены на Рисунок 2.
Серебро с рением также взаимно
нерастворимы как в твердом, так
и в жидком состоянии. Микроструктура конденсатов
серебра с рением еще более мелкозерниста и представляет собой серебряную основу с равномерно распределенными частицами твердого рения. При легировании серебра рением также увеличиваются микротвер-
дость и удельное электросопротивление (Рисунок
2). Например, легирование 6,5 вес.% Re увеличивает микротвердость
пленки от 0,48 ГПа до 0,98 ГПа, а удельное электросопротивление изменяется от 0,03 до 0,21 мкОм.м. Более высокие
значения микротвердости и удельного
электросопротивления в конденсатах серебро- рений по сравнению с конденсатами серебро-вольфрам объясняются структурой: измельчением зерна и увеличением границ зерен.
Серебро с палладием образуют непрерывный ряд твердых растворов. Микроструктура этих конденсатов также мелкозерниста (Рисунок 3). Легирование серебра палладием
сопровождается увеличением
микротвердости и удельного электросопротивления. При этом увеличение удельного электросопротивления и микротвердости более плавное,чем при
легировании серебра рением или вольфрамом. Удельное электросопротивление конденсата серебра с 28 вес.%
Pd равно 0,16 мкОм.м, микротвердость достигает 0,58 ГПа.
Палладий с рением образуют
твердые растворы. Максимальная растворимость рения в палладии составляет до 20 вес.%. В исследуемых конденсатах содержалось от 8 до 20 вес.% Re. Легирование палладия рением сопровождается значительным повышением микротвердости и удельного
электросопротивления. Микротвердость возрастает
от 0,56 ГПа у конденсата палладия
до 2,50 ГПа у конденсата
с 18 вес.% Re (Рисунок 4), удельное электросопротивление резко
изменяется от 0,1 до 0,28 мкОм.м. соответственно. Микроструктура легированного рением конденсата палладия
также мелкозерниста (Рисунок 5).
Конденсаты палладия с вольфрамом также образуют
твердые растворы. Максимальная растворимость вольфрама в палладии соответствует 28 вес.%. В работе представлены материалы
исследования конденсатов с 1,5...15 вес.% W. Микроструктура конденсатов палладия с вольфрамом
аналогична структуре конденсатов палладий-рений. Легирование вольфрамом палладия
значительно повышает микротвердость и удельное электросопротивление. Значения микротвердости изменяются от 0,56 ГПа у конденсата палладия
до 3,10 ГПа с 15 вес.% W. Удельное электросопротивление также резко возрастает: соответственно от 0,1 до 0,5 мкОм.м. (Рисунок 4).
Кроме того, рассмотрены конденсаты родия с иридием
(5...15 вес.% Ir). Легирование родия иридием значительно повышает микротвердость сплава (Рисунок 6). Например, значение микротвердости возрастает от 1,8 ГПа в конденсатах родия до
3,5 ГПа с 15 вес.% Ir, возрастает также удельное
электросопротивление: от 0,6 до 1,0 мкОм.м соответственно. Изменение микротвердости и удельного
электросопротивления в зависимости от химического состава конденсатов родия
с иридием показано на Рисунок
6.
Таким образом, обобщая результаты
исследований, можно предположить, что конденсаты палладия
с 18 вес.% Re, серебра с 6,5 вес.%, W, палладия
с 15 вес.% W, серебра с 6,5 вес.% Re, родия с 15 вес.% Ir, полученные физическим осаждением из пара в вакууме, могут быть использованы в качестве контактных покрытий.
Для более полной характеристики свойств изучаемых материалов проведены испытания в условиях эксплуатации. Для этого была изготовлена опытная
партия герконов, контактные покрытия которых
наносили электроннолучевым испарением и осаждением из паровой
фазы металлов в вакууме. Испытывались покрытия вольфрама и рения, а также покрытия следующих составов: вольфрам
с рением (3...5 вес.%,
18 вес.%); палладий
с рением (2...3 вес.%, 20 вес.%); палладий
с вольфрамом (20 вес.%) ; серебро
с палладием (21 вес.%);
серебро с рением (4,7...6,7 вес.%); серебро с вольфрамом (2,2...3,5 вес.%);
родий с иридием (15 вес.%); родий с рением (10 вес.%).
Проверка износоустойчивости в нормальных условиях и при температуре 125°С проводилась по режимам коммутации, приведенными в таблице.
Герконы с контактным покрытием из вольфрама
с рением (3...5 вес.%)
отработали в режиме сильных
токов (режим 1) до 1,6·105 срабатываний; в режиме средних токов (режим 3) до 5·106. В режиме микротоков (режим 4) герконы с указанным
покрытием неработоспособны из-за незамыкания контактов. Испытание герконов с покрытием вольфрама
с 18 вес.% Re по режиму сильных
токов (режим 2) отработали 107 циклов, а по режиму 5 имелись единичные сбои при наработке 107 срабатываний. По режиму 2 и 5 испытания прекращены, так как полностью выполнена программа.
Таблица 1
№№ пп
|
Режим коммутации
|
Ток через контакт
|
Напряжение на контакт
|
Частота коммутации
|
Температура испытания, оС
|
1
|
Сильные токи
|
1 А
2 А
|
30 V
30 V
|
0,3 гц
1 гц
|
20
20
|
2
|
Сильные токи
|
1 А
|
30 V
|
100 гц
|
125
|
3
|
Средние токи
|
150 мА
|
30 V
|
50 гц
|
20
|
4
|
Микротоки
|
5 мкА
|
50 мV
|
400 гц
|
20
|
6
|
Микротоки
|
5 мкА
|
30 V
|
100 гц
|
125
|
Магнитоуправляемые контакты с покрытием из палладия
с рением (2...3 вес.% и 20 вес.%) отработали в режиме 1 до 1,6·105 срабатываний, в режиме 3 до 2,5·106... 3,5·107, в режиме 2 до 107, в режиме 4 до 3·108...5·108 и в режиме 5 до107 (имелись единичные сбои). По режиму 2 и 5 испытания
прекращены, так как полностью выполнена программа. По остальным
режимам отказ в основном
происходил из-за залипания контактов
и из-за увеличения переходного сопротивления более 0,5 ом. Герконы с покрытием из палладия
с 20 вес.% W испытывались в режиме 1 и 3. Наработка на режиме средних токов до 8,5·106...3,5·107
срабатываний, в режиме сильных токов до 2·105. После указанной
наработки в основном
происходит залипание контактов.
Герконы с покрытием из родия с 15 вес.% Ir проработали в режиме
1 до 2·105 срабатываний, в режиме 3 до 3·106...3,5·107, в режиме 4 до 4·108. Основной отказ при этом – увеличение переходного сопротивления более 0,5 ом. Покрытие из родия с 10 вес.% Re
отработало в режиме 1 до 4·103...1,5·105 срабатываний, в режиме 3 до 1·106...5·106, в режиме 4 до 5·108. Основной характер отказа – залипание контактов.
Магнитоуправляемые контакты
с покрытием из серебра с вольфрамом
(2,2...3,5 вес.%), серебра с рением (4,7...6,7 вес.%), серебра с 21 вес.%
Pd имеют примерно
одинаковое количество срабатываний в режиме 1 до 4,7·104...1,5·104, в режиме 3 до 1,5·106, в режиме 4 до 8·107. Отказ происходит в основном из-за увеличения переходного сопротивления.
В
результате испытаний
герконов с покрытием из вольфрама
и рения в режиме 2 и 5 выяснилось, что у всех контактов переходное сопротивление больше
1 ома, что недопустимо.
Испытания изделий в различных
режимах коммутации показали,
что основными причинами отказа работоспособности
контактов являются: увеличение переходного сопротивления более 0,5 ом, незамыкание контактов, залипание контактов.
Следует отметить, что у всех герконов в процессе испытаний
и после контактное покрытие имело хорошую адгезию, равномерную микротвердость по длине и ширине,
равномерную толщину.
При этом нестабильность пористости отсутствует.
Вывод.
Полученные общие результаты весьма
обнадеживающие и свидетельствуют о возможности широкого применения электроннолучевой технологии
для получения композиционных низкоомных покрытий магнитоуправляемых электрических контактов.
Список литературы
1.
Материалы в приборостроении и автоматике: (Справ.)
/ Под ред. Ю. М. Пятина. − М.: Машиностроение, 1982. − 527 с.
2.
Мовчан Б. А. Неорганические материалы, осаждаемые
из паровой фазы в вакууме // Современное материаловедение в ХХ1 веке. − К.: Наук. думка, 1998. − С. 318-332.