Способ изготовления материала для слаботочных контактов из упорядочивающегося сплава на основе палладия

 

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к способам изменения структуры сплавов на основе палладия, в частности упорядочивающихся сплавов. Изобретение может быть использовано в приборостроении при производстве контактных материалов или резисторных затворов. Предложен способ изготовления материалов для слаботочных контактов из упорядочивающегося сплава на основе палладия, включающий пластическую деформацию сплава более 80% и последующий отжиг, при этом отжиг производят при температуре выше критической температуры упорядочения при скорости нагрева более 100^oС/мин продолжительностью не более 15 мин. Подбор различных параметров обработки сплава (изменение степени предварительной пластической деформации, температуры и времени отжига, скорости нагрева) приводит к получению материала с электросопротивлением не выше 1210^-8 Омм в диапазоне температур до 600^oС. 1 ил.

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к способам изменения структуры сплавов на основе палладия, в частности, упорядоченных сплавов. Изобретение может быть использовано в приборостроении при производстве слаботочных скользящих контактных пар или резистивных затворов.

Эксплуатационные характеристики контактных материалов во многих случаях определяются температурным интервалом стабильности структуры и электрических свойств. Известные способы повышения прочностных свойств сплавов системы Cu-Pd основаны в основном на принципе легирования сплава серебром. Так, известен способ получения сплава серебро-палладий-медь [1], согласно которому деформированный сплав подвергают отжигу под напряжением в неокислительной атмосфере при 300-600^oС. Недостатком такого способа можно считать сложный технологический процесс, а также то, что сформированный таким способом материал имеет достаточно высокие механические свойства только в одном направлении: вдоль оси прилагаемой нагрузки. Из этого следует, что данный известный способ применим для обработки лишь прямолинейных участков проволоки, в то время как конструктивные элементы современных приборов могут иметь самые причудливые формы (кольца, скобки, "мышиные лапки").

Известен также другой способ, связанный с легированием сплава серебром [2] , согласно которому повышение прочностных свойств упорядоченного сплава Cu-Pd достигается за счет формирования в нем структуры "микродуплекс", т.е. смеси равных объемных долей мелких зерен упорядоченной и разупорядоченной фаз. К недостаткам этого способа можно отнести низкие и нестабильные при повышении температуры физико-механические свойства.

Известен также способ обработки упорядочивающихся сплавов на основе палладия [3] , согласно которому повышение механических свойств происходит за счет образования гидридных фаз. Недостатки этого способа такие же, как и у способа [2] : при повышении температуры в гидридных фазах происходят превращения, которые приводят к нестабильности физико-механических свойств материала.

Итак, все известные способы разработки контактных материалов на основе упорядоченных сплавов палладия связаны с повышением исключительно прочностных свойств. Реализующиеся при этом электрические свойства либо не изменяются относительно исходного сплава Cu-Pd, либо ухудшаются вследствие легирования.

В то же время известно, что многие сплавы на основе палладия демонстрируют аномальную температурную зависимость электросопротивления: при повышении температуры удельное электросопротивление () сплава падает. В качестве примера можно привести сплавы PdW и PdMo. Однако на практике данный эффект используется только на сплаве PdAg для создания контактных и тензометрических материалов. Этот сплав имеет аномальную температурную зависимость электросопротивления со значениями 4210^-8 Омм. Это приблизительно на порядок больше, чем величина электросопротивления для упорядоченного сплава CuPd. Исследованиями установлено, что температурной аномалии в сплавах палладия всегда сопутствует структура "ближнего порядка". В сплавах на основе системы CuPd (как бинарном, так и легированном серебром и/или золотом) такую структуру наблюдали неоднократно, однако аномальной температурной зависимости обнаружено не было.

Наиболее близким способом к заявляемому является: "Способ изготовления материала для слаботочных контактов из упорядочивающегося сплава на основе палладия" [4]. Способ включает предварительную сильную деформацию более 80% и последующий отжиг при температуре ниже критической температуры упорядочения со скоростью нагрева не более 30^oС/мин. При выполнении этих условий в сплаве формируется двухфазная ультрамелкозернистая структура. Недостатком известного способа является то, что вследствие высоких значений температурного коэффициента электросопротивления (ТКЭС) материал при повышенной температуре имеет величину , значительно превышающую значения при комнатной температуре. Кроме того, при случайном нагреве в процессе эксплуатации сплава с такой структурой в нем происходит катастрофически быстрый рост зерен, что приводит к резкому падению прочностных свойств, что нежелательно.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание новой технологии получения материала с низким электросопротивлением в широком температурном интервале при сохранении уровня прочностных свойств.

Решение поставленной задачи достигается за счет технического результата, который может быть получен при осуществлении изобретения: создание в сплаве особого структурного состояния, в котором микродомены с атомно-упорядоченной структурой встроены в дислокационный каркас, наследованный после предварительной сильной пластической деформации материала. При этом упорядоченная структура микродоменов отвечает за высокую электропроводность сплава, дислокационный каркас - за термическую стабильность микродоменов и высокие механические свойства, а оба эти фактора в совокупности приводят к аномальной температурной зависимости электросопротивления.

Данный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления материалов для слаботочных контактов из упорядочивающегося сплава на основе палладия, включающем предварительную пластическую деформацию сплава более 80% и последующий отжиг, согласно изобретению отжиг производят при температурах выше критической температуры упорядочения сплава при скорости нагрева более 100^oС/мин и продолжительностью не более 15 мин.

Сущность изобретения заключается в следующем: при высоких скоростях нагрева в сплаве происходит стабилизация наследованного дислокационного каркаса и формируется структура "ближнего порядка", т.е. зарождается большое количество упорядоченных микродоменов в разупорядоченной матрице. Такая микроструктура с "ближним порядком", с одной стороны, демонстрирует высокую электропроводность, свойственную хорошо упорядоченному материалу и, с другой стороны, сплавы именно с такой структурой имеют аномальную зависимость электросопротивления.

Согласно изобретению, сплавы палладия нагревают при температурах выше критической температуры упорядочения в интервале времени не более 15 мин. Понижение температуры обработки не приведет к формированию искомой структуры "ближнего порядка", увеличение времени термообработки способствует укрупнению микродоменов, что нежелательно. Диапазон предварительной деформации (более 80%) выбран вследствие того, что меньшие значения не формируют в сплаве требуемой дислокационной плотности.

Использование повышенных температур (выше критической температуры упорядочения сплава) в заявляемом способе не имеет аналогов, поскольку все известные способы термомеханической обработки сплавов палладия для получения высокой электропроводности сводились к отжигам ниже критической температуры упорядочения.

Более того, заявляемый способ позволяет достичь прочностных свойств материала выше полученных ранее. В известных способах для получения хорошо упорядоченного состояния предлагаются термообработки значительно большей выдержки, чем в заявляемом способе. В результате в сплаве происходят процессы рекристаллизации с резким падением механических свойств. Поскольку в заявляемом способе продолжительность термообработки сплава не превышает 15 мин, рекристаллизации в сплаве не наблюдается.

Итак, сопоставительный анализ заявляемого решения с наиболее близким аналогом показывает, что заявляемый способ отличается от известного иным температурным диапазоном обработок, ограниченным временным интервалом отжигов и более высокой скоростью нагрева, что приводит к достижению аномально низкого уровня электросопротивления в широком температурном интервале.

Все рассмотренные признаки, отличные от признаков наиболее близкого аналога, и вместе с общими для данных объектов признаками обеспечивают достижение указанного технического результата, поэтому заявляемое изобретение является новым.

Для определения соответствия заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень" проанализируем известность его отличительных признаков, раскрытых в независимом пункте формулы изобретения.

Таким признаком является отжиг сплава при температуре выше критической температуры упорядочения.

При исследовании уровня техники с целью обнаружения в нем выделенного отличительного признака аналогов не выявлено. Это объясняется тем, что для достижения атомно-упорядоченного состояния материала ранее считалось необходимым проведение отжига исключительно ниже критической температуры упорядочения.

Наши исследования кинетики упорядочения показали, что скорость установления атомного дальнего порядка в сплавах палладия много выше, чем предполагалось ранее, а скорость разупорядочения, наоборот, чрезвычайно низка. Поэтому сплав успевает упорядочиваться уже во время прогрева в печи до требуемой температуры, и это состояние сохраняется в нем длительное время даже при высоких температурах обработки.

Термомеханическая обработка по предлагаемому способу приводит к формированию в сплаве микроструктуры с "ближним порядком". Микроструктура "ближнего порядка" неоднократно фиксировалась ранее в сплавах системы Cu-Pd, однако все эти исследования проводились на сплаве после закалки от высоких температур. В этом состоянии полученная микроструктура имеет тенденцию к резкому укрупнению даже при небольшом нагреве, поэтому аномалии температурной зависимости ранее обнаружено не было. В заявляемом способе микроструктура "ближнего порядка" создается в результате коротких отжигов при высоких температурах после предварительной пластической деформации. Таким образом, технический результат, который достигается в предлагаемом способе, не следует явным образом из известных свойств сплавов палладия, поэтому заявляемое предложение имеет "изобретательский уровень".

В результате обработки по заявляемому способу в сплаве формируется микроструктура, которая состоит из упорядоченных микродоменов, вмонтированных в разупорядоченную матрицу - так называемый "ближний порядок". Исследование температурного хода электросопротивления образцов сплава Cu-Pd с такой структурой показало наличие аномальной зависимости электросопротивления в интервале от комнатной температуры до 600^oС.

Пример конкретного выполнения Предлагаемый способ обработки реализован следующим образом. Сплав получали из шихты методом плавки в печи электросопротивления марки "СУОЛ", под вакуумом, в кварцевой изложнице с разливкой в графитовый тигель. Чистота исходных компонентов сплава - 99,98%. Изготавливался слиток следующего состава, мас. %: медь 47,2; палладий 52,8. Вальцовкой и волочением с промежуточными отжигами в печи "СУОЛ" при 850^oС слиток был переделан на проволоку. Для формирования в сплаве микроструктуры "ближнего порядка" заключительную обработку проводили по специальному режиму: после предварительной пластической деформации волочением на 82% проволоку из сплава помещали в печь, нагретую до температуры 850^oС, и выдерживали в интервале времени от 5 до 15 мин. Таким образом, температура отжига сплава на 250^oС превышала критическую температуру упорядочения для данного сплава, которая составляет 600^oС.

Скорость нагрева образцов сплава на начальном этапе обработки в данном случае составляла приблизительно 1000^oС/мин. Затем образцы помещали в измерительную ячейку и исследовали температурный ход электросопротивления четырехконтактным методом при помощи стандартного прибора "Щ-34". Механические свойства изучали по диаграммам растяжения, полученным на разрывной машине "ZD-10/90". Микроструктура была аттестована в электронном микроскопе JEM-200CX.

Исследование показало, что все образцы демонстрируют аномальный ход зависимости электросопротивления от температуры. На чертеже показана диаграмма изменения электросопротивления в зависимости от температуры образца сплава, который предварительно был деформирован на 82% и отожжен при 850^oС в течение 5 мин. Можно видеть, что в исходном состоянии сплав имеет =7,510^-8 Омм. Такое значение электросопротивления соответствует хорошо упорядоченному состоянию материала и в 5 раз ниже, чем у сплава PdAg, который используется в промышленности в качестве контактного материала.

В течение нагрева со скоростью 600^oС/час электросопротивление сплава сначала растет и при 300^oС достигает значений около 1110^-8 Омм, после чего начинает снижаться. В районе 600^oС электросопротивление сплава имеет минимум, причем его величина находится на уровне значений при комнатной температуре. При дальнейшем нагреве начинается резкое, в несколько раз, увеличение электросопротивления. Данная структура термически стабильна и не изменяет своих свойств: при пятикратном термоциклировании (нагрев от комнатной температуры до 850^oС с охлаждением, новым нагревом, вновь охлаждением и т.д.) диаграммы температурного хода электросопротивления сплава совпадают.

Необходимо отметить, что в некоторых случаях наибольшую значимость имеет не низкое значение электросопротивления сплава, а резкий его рост в определенном интервале температур. Это к примеру могут быть различные электрические затворы или ограничители. Описанный способ позволяет сформировать такие характеристики в сплаве Cu-Pd.

По результатам испытаний механических свойств сплава после указанной выше обработки были зафиксированы следующие характеристики: предел текучести 650 МПа и предел прочности 1560 МПа при относительном удлинении более 20%. Полученные прочностные свойства выше, чем имеет упорядоченный сплав Cu-Pd [5] . Следует еще раз подчеркнуть, что такие результаты достигнуты без какого-либо легирования сплава.

Высокие механические свойства приводят к повышению износостойкости и надежности контактирования электроконтактной пары за счет обеспечения возможности работы материала в области упругих напряжений. В свою очередь низкое и стабильное значение электросопротивления в широкой области температур обеспечивает высокую надежность коммутации электрических сигналов малой мощности.

Таким образом, предлагаемый способ обработки обеспечивает по сравнению с известными следующие преимущества: 1. Упорядоченный сплав на основе палладия имеет аномально низкое электросопротивление в широком температурном интервале.

2. Механические свойства материала много выше, чем после известных способов обработки.

3. Способ может быть использован на известных, хорошо исследованных сплавах.

Это позволяет в свою очередь сделать вывод о том, что предлагаемые режимы обработок и последовательность операций являются оптимальными для достижения поставленной задачи, а именно для создания способа изготовления материла для слаботочных контактов из упорядоченного сплава на основе палладия, обеспечивающего достижение низкого электросопротивления в широком температурном интервале.

Источники информации 1. "Сплав серебро-палладий-медь". Японский патент, кл. 11 А 212, (В 22 С 1/22), 54-23845, опубликован 16.08.79. - Р. Ж. "Металлургия", 1980, 12, 12И797П.

2. "Способ обработки сплавов палладий-серебро-медь". Авт. свидетельство СССР 939588, C 22 F 1/14 - Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки, 1982, т.24, с. 147.

3. Авт. свидетельство СССР 258615, C 22 F 1/16.

4. Способ изготовления материала для слаботочных контактов из упорядочивающегося сплава на основе палладия. - Патент РФ 2083717, С 22 F 1/14, приоритет от 13.06.95.

5. Голикова Н.Н., Лаптевский А.С., Сюткина В.И. Электрические и механические свойства упорядоченных сплавов на основе палладий-медь со сверхструктурой В2. - ФММ, 1996, т.82, вып.3, с. 150-159.

Формула изобретения

Способ изготовления материалов для слаботочных контактов из упорядочивающегося сплава на основе палладия, включающий пластическую деформацию сплава более 80% и последующий отжиг, отличающийся тем, что отжиг производят при температуре выше критической температуры упорядочения при скорости нагрева более 100C/мин продолжительностью не более 15 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1