СПОСІБ ВИГОТОВЛЕННЯ РІДИННО-МЕТАЛЕВОГО КОМПОЗИЦІЙНОГО КОНТАКТУ

Пропонований винахід відноситься до електротехніки, а саме - до електроапаратобудування, зокрема, до способів виготовлення рідинно-металевих композиційних контактів, що застосовуються у комутаційних апаратах, переважно, силових електромереж у тому числі у вакуумних комутаційних апаратах.

Найбільш близьким до пропонованого за технічною суттю е спосіб виготовлення рідинно-металевого композиційного контакту, що включає операції виробництва з дроту на основі тугоплавкого металу тканини у вигляді смуги організованої структури, скручування смуги у циліндричну заготовку і Ті встановлення у матрицю, пресування згаданої заготовки до одержання каркасу потрібних габаритів, відновлення каркасу у середовищі гідридного водню, який одержують у вакуумній печі, просочування каркасу легкоплавким сплавом, що виконують у середовищі гідридного водню [Деклараційний патент України на винахід №62376А, МПК 7 Н01Н9/00, Опубл. 15.12.2003 р., Бюл. №12, 2003]. Каркас, у відповідності з описаним способом, виготовляють із сплавів на основі вольфраму, молібдену та ренію.

Недолік описаного способу полягає у недостатній просочуваності пористого каркасу легкоплавким сплавом, через недостатню змочуваність легкоплавким сплавом тугоплавкого металу, з якого виготовлений каркас. Це створює неоднорідність перехідного електричного опору по перерізу контакту, що веде до виникнення зон перегріву і до передчасного руйнування каркасу.

У основу пропонованого винаходу поставлено задачу створення такого способу виготовлення рідинно-металевого композиційного контакту, який би дозволив збільшити просочуваність пористого каркасу з тугоплавкого металу легкоплавким металом за рахунок підвищення адгезійної міцності на межі легкоплавкий метал -тугоплавкий метал, з якого виготовлений каркас, шляхом створення умов для підвищення змочуваності металу каркасу легкоплавким металом.

Поставлена задача вирішується у пропонованому способі, який, як і відомий спосіб виготовлення рідинно-металевого композиційного контакту, що включає операції виробництва з дроту на основі тугоплавкого металу тканини у вигляді смуги організованої структури, скручування смуги у циліндричну заготовку і її встановлення у матрицю, пресування згаданої заготовки до одержання каркасу потрібних габаритів, відновлення каркасу у середовищі гідридного водню, який одержують у вакуумній печі, просочування пористого каркасу легкоплавким металом або сплавом, що виконують у тій же вакуумній печі у середовищі гідридного водню, відповідно ж до винаходу, операцію просочування каркасу виконують трьома металами - оловом /Sn/, індієм /In/ та галієм /Ga/ в середовищі гідридного водню у три послідовні стадії тривалістю 10-20 хвилин кожна, а саме, на першій стадії виконують просочування каркасу рідким оловом /Sn/ при температурі 750-1150°С, на другій - рідким індієм /In/ при температурі 750-1000°С, на третій - рідким галієм /Ga/ при температурі 700-900°С, а кількість рідких олова /Sn/, індію /In/ та галію /Ga/ вибирають пропорційною складу евтектики та об'єму пор каркасу.

Кількість рідких олова /Sn/, індію /In/ та галію /Ga/ вибирають пропорційними складу евтектики, а саме: Sn-13%, ln-25%, Ga-62% та об'єму пор каркасу, яка при температурі +10°С знаходиться у рідкому стані і активно взаємодіє з киснем повітря.

Ідея способу полягає у створенні умов для виключення під час операції просочування каркасу зайвих домішок, у першу чергу оксидних, з гетерогенних систем W - Sn- In- Ga, Re - Sn-ln-Ga, Mo-Sn-ln-Ga, оскільки наявність оксидних домішок яких суттєво зменшує адгезійну міцність на межі легкоплавкий метал -тугоплавкий метал і, як наслідок, зменшує просочуваність каркасу легкоплавким металом. Автори шляхом багаторічних експериментів винайшли оптимальні режими просочування каркасу з тугоплавкого дроту і послідовність, що включає саме три стадії.

Суть винаходу пояснюється за допомогою графічних матеріалів:

На Фіг.1 показано профіль краплі рідкого олова на плоскій горизонтальній поверхні вольфраму при температурі 550-700°С у вакуумі.

На Фіг.2 показано профіль краплі рідкого олова на плоскій горизонтальній поверхні вольфраму при температурі 700°С у вакуумі після витримки протягом 40 хвилин.

На Фіг.3 показано профіль краплі рідкого олова на плоскій горизонтальній поверхні вольфраму при температурі 950°С у середовищі гідридного водню.

На Фіг.4 показано температурну залежність змочуваності вольфраму та ренію рідким оловом. При цьому на графіку 1 - показана залежність змочуваності вольфраму рідким оловом у вакуумі; на графіку 2 - залежність змочуваності вольфраму рідким оловом у середовищі гідридного водню; на графіку 3 -залежність змочуваності ренію рідким оловом у вакуумі; на графіку 4 - залежність змочуваності ренію рідким оловом у середовищі гідридного водню.

На Фіг.5 показано температурну залежність змочуваності молібдену рідким оловом. При цьому на графіку 1 показана залежність змочуваності молібдену рідким оловом у середовищі гелію (Не), на графіку 2 - залежність змочуваності молібдену рідким оловом у вакуумі, на графіку 3 - залежність змочуваності молібдену рідким оловом у середовищі гідридного водню.

На Фіг.6 показано конструкцію рідинно-металевого композиційного контакту.

Рідинно-металевий композиційний контакт, містить пористий каркас 1, виготовлений з дроту тугоплавкого матеріалу у вигляді тканини організованої структури типу "еластик", що просочений легкоплавкими металами 2. Лінійний розмір h пор каркасу 1 визначений виразом h=(2...5)D, a D=10...70мкм, де D-діаметр дроту з тугоплавкого металу. Каркас 1 після пресування має форму пружного циліндра, один торець якого призначений для з'єднання з токопідводом, а другий - для контактування з другим тотожним йому контактом (на кресленні не показано).

Експериментальні результати (Фіг.1) показують, що при термовакуумному відпалюванні (Фіг.1 і Фіг. 2) в інтервалі температур 550-700°С у вакуумі напротязі 40 хвилин міжфазна межа очищується від домішок і змочування вольфраму оловом значно покращується, в середовищі гідридного водню змочуваність вольфраму оловом (Фіг.3) значно поліпшується порівняно з вакуумом. Температурна залежність змочування вольфраму, ренію та молібдену рідким оловом представлена на Фіг.4,5 з яких слідує, що поріг змочування для вольфраму, ренію та молібдену в середовищі гідридного водню зміщується на 50-100°С в бік понижених температур, Експериментальні результати показують, що при термовакуумному відпалюванні (Фіг.1, 2) в інтервалі температур 550-700°С у вакуумі напротязі 40 хвилин міжфазна межа очищується від домішок і змочування вольфраму оловом значно покращується, в середовищі гідридного водню змочуваність вольфраму оловом (Фіг.3) значно поліпшується порівняно з вакуумом. Температурна залежність змочування вольфраму та ренію рідким оловом представлена на Фіг.4, з якої слідує, що поріг змочування для вольфраму та ренію в середовищі гідридного водню зміщується в напрямку понижених температур порівняно з вакуумом. За поріг змочування прийнято інтервал температур, в якому кут змочування зменшується від 90 градусів до рівноважного у нашому випадку до 20-50 градусів (Фіг.4,5) і який залишається незмінним при подальшому підвищенні температури. Досліджено, також, змочування вольфраму сплавами олово-галій.

Авторами експериментальне винайдено оптимальні режимні параметри пропонованого способу. Так були вивчені поверхневі властивості легкоплавких металевих сплавів в контакті з тугоплавкими металами . Змочуваність рідким оловом /Sn/, індієм /In/, галієм /Ga/ та їх сплавами тугоплавких металів вольфраму, молібдену та ренію вивчали у вакуумі, у середовищі гелію та у середовищі гідридного водню в інтервалі температур 450 - 1200°С. Сплави готували з олова, індію та галію високої чистоти (не гірше 99,9% основних компонентів). Використовували тугоплавкі метали вольфрам, молібден та реній, виготовлені методом зонної плавки. Профіль лежачої краплі рідкого металу фіксували на фотопластини та вимірювали візуально кут змочування за допомогою мікроскопу. Експериментальні результати (Фіг.1-5) показують, що при термовакуумному відпалюванні (Фіг. 1-2) в інтервалі температур 550-700°С у вакуумі протягом 40 хвилин міжфазна межа очищується від домішок і змочування вольфраму оловом значно покращується, в середовищі гідридного водню змочуваність вольфраму оловом (Фіг.3) значно поліпшується порівняно з вакуумом. Температурна залежність змочування вольфраму та ренію рідким оловом представлена на Фіг.4, з якої слідує, що поріг змочування для вольфраму та ренію в середовищі гідридного водню зміщується в бік понижених температур порівняно з вакуумом. За поріг змочування прийнято інтервал температур, в якому кут змочування зменшується від 90 градусів до 20-50 градусів (у нашому випадку), і залишається незмінним при подальшому підвищенні температури.

Досліджено змочування вольфраму рідкими сплавами олово-галій. Встановлено, що з підвищенням вмісту олова в галії до 15% по масі поріг змочування зміщується у бік більш низьких температур порівняно з чистим галієм, але контактний кут за порогом змочування більший у порівнянні з чистим галієм.

Досліджено змочуваність молібдену та вольфраму рідкими сплавами олово-індій у різних газових середовищах. Встановлено, що молібден краще змочується чистим індієм та індій-олов'яними сплавами у порівнянні з вольфрамом.

З урахуванням міжфазних характеристик досліджено режими просочування пористих каркасів, виготовлених з тугоплавких металів - вольфраму, ренію та молібдену.

Визначено, що кращу змочуваність рідким оловом (на першій стадії) мали каркаси з тугоплавких металів вольфраму, ренію та молібдену у середовищі гідридного водню при температурі 750 - 1050°С.

На другій стадії просочували рідким індієм тугоплавкий каркас, який був попередньо змочений і просочений рідким оловом. Оптимальним виявилось середовище гідридного водню і температурний інтервал просочування рідким індієм 750-1000°С.

На третій стадії до евтектики Sn-ln, якою було просочено каркаси із згаданих тугоплавких металів, виконували просочування каркасів рідким галієм /Ga/. Оптимальним виявилось середовище гідридного водню та температурний інтервал 700-900°С.

Рідкі метали індій /In/ та галій /Ga/ у середовищі гідридного водню при згаданих температурах змочують тугоплавкі метали вольфрам, молібден та реній гірше за олово. Тому послідовність операцій просочування складається із трьох стадій просочування каркасу, на першій стадії - рідким оловом /Sn/ , на другій - рідким індієм /In/, на третій - рідким галієм /Ga/. Процес на кожній стадії продовжується 10-20 хвилин. Зменшення тривалості менше 10 хвилин не дає задовільних результатів, а збільшення більше 20 хвилин економічно не обґрунтоване, оскільки процес просочування практично закінчується у термін до 20 хвилин. Температурні режими на кожній стадії визначені експериментальне. Так при температурі нижче 750°С просочування майже відсутнє, а при температурі вище 1050°С просочуваність суттєво не поліпшується. Окрім цього, виявлено, що при підвищенні температури вище 1200°С міцність тугоплавкого каркасу суттєво зменшується, тому верхня температура кожної стадії обмежена температурою 1050°С.

Евтектика - це суміш двох (або кількох) речовин у такому співвідношенні, за якого температура плавлення суміші є найнижчою серед температур плавлення окремих цих самих речовин в інших співвідношеннях [Великий тлумачний словник української мови. Уклад, і голов.ред Бусел В.Т. - К.; Ірпінь: ВТФ "Перун", 2003. -С.254]. Тому кількість рідких олова /Sn/, індію /In/ та галію /Ga/ вибирають пропорційною складу евтектики (13% Sn, 25% In, 62% Ga) та об'єму пор каркасу.

Пропонований спосіб призначений для виготовлення контактів, каркаси яких виготовлені з дроту одного з тугоплавких металів - вольфраму (W), молібдену (Мо) або ренію (Re).

Композиційні рідинно-металеві контакти мають переваги перед твердо-металевими, серед переваг можна назвати малий перехідний опір, малі зусилля контактного натиску; відсутність вібрації і зварювання, відсутність залипання контактів; можливість роботи при високих тисках, при прискореннях до 10g, у вакуумі, такі контакти можна застосовувати для комутації струмів кіло - амперного діапазону.

Приклад 1. Виготовляли композиційний рідинно-металевий контакт, а саме, з вольфрамового дроту створювали тканину у вигляді смуги організованої структури. Скручували смугу у циліндричну заготовку, встановлювали її у матрицю, пресували згадану заготовку до одержання каркасу 1 потрібних габаритів. Відновлювали каркас 1 у середовищі гідридного водню, який одержували у вакуумній печі. Виконували просочування каркасу 1 з дроту тугоплавкого металу трьома легкоплавкими металами 2 - оловом /Sn/, індієм /In/ та галієм /Ga/ в середовищі гідридного водню у три послідовні стадії тривалістю 10-20 хвилин кожна, а саме, на першій стадії виконували просочування каркасу рідким оловом /Sn/ при температурі 950°С, на другій - рідким індієм /In/ при температурі 900°С, на третій - рідким галієм /Ga/ при температурі 750-800°С, а кількість рідких металів - олова /Sn/, індію /In/ та галію /Ga/ вибирали пропорційним складу евтектики та об'єму пор каркасу 1.

Приклад 2. Виготовляли композиційний рідинно-металевий контакт, а саме, з дроту із молібдену створювали тканину у вигляді смуги організованої структури. Скручували смугу у циліндричну заготовку, встановлювали її у матрицю, пресували згадану заготовку до одержання каркасу 1 потрібних габаритів. Відновлювали каркас 1 у середовищі гідридного водню, який одержували у вакуумній печі. Виконували просочування каркасу вставки з тугоплавкого металу 1 трьома легкоплавкими металами 2 - оловом /Sn/, індієм /In/ та галієм /Ga/ в середовищі гідридного водню у три послідовні стадії тривалістю 10-20 хвилин кожна, а саме, на першій стадії виконували просочування каркасу рідким оловом /Sn/ при температурі 1100°С, на другій - рідким індієм /In/ при температурі 850-1000°С, на третій - рідким галієм /Ga/ при температурі 800°С, а кількість рідких металів - олова /Sn/, індію /In/ та галію /Ga/ вибирали пропорційним складу евтектики та об'єму пор каркасу 1.

Приклад 3. Виготовляли композиційний рідинно-металевий контакт, а саме, з дроту із ренію створювали тканину у вигляді смуги організованої структури. Скручували смугу у циліндричну заготовку, встановлювали її у матрицю, пресували згадану заготовку до одержання каркасу 1 потрібних габаритів. Відновлювали каркас 1 у середовищі гідридного водню, який одержували у вакуумній печі. Виконували просочування пористого каркасу 1 трьома легкоплавкими металами 2 - оловом /Sn/, індієм /In/ та галієм /Ga/ в середовищі гідридного водню у три послідовні стадії тривалістю 10-20 хвилин кожна, а саме, на першій стадії виконували просочування каркасу рідким оловом /Sn/ при температурі 1050°С, на другій - рідким індієм /In/ при температурі 950°С, на третій - рідким галієм /Ga/ при температурі 900°С, а кількість рідких металів - олова /Sn/, індію /In/ та галію /Ga/ вибирали пропорційним складу евтектики та об'єму пор каркасу 1.

Рідинно-металевий композиційний контакт працює так.

Частину контакту закріплюють у контактоутримувачі (на кресленні не показаний). Друга частина контакту є контактуючою і в парі з тотожним контактом забезпечує пропускання і комутацію електричного струму. Пропонований контакт має такі переваги перед традиційним рідинно-металевим композиційним контактом, найголовнішу - підвищену площу суцільного контактування поверхонь контактів, за рахунок рідкої металевої фази (Sn-ln-Ga), що дає можливість збільшити номінальний струм у 2,5-3 рази, а також - збільшити ресурс контактів за рахунок зменшення зусилля контактного тиску до 100-140 Н, відсутність вірогідності зварювання контактів при критичних режимах (струмах короткого замикання ), зменшення перехідного опору.

Згадані переваги досягнуті за рахунок збільшення просочуваності пористого каркасу 1 легкоплавким металом 2 і підвищення адгезійної міцності меж гетерогенних систем W - Sn- In- Ga , Re - Sn-ln-Ga , Mo-Sn-ln-Ga, шляхом вилучення зайвих домішок, у першу чергу оксидних, під час виконання операції просочування каркасу 1 легкоплавким металом 2.