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.