TECHNOLOGIA MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH TYPU Ag-Re-TLENKI METALI ORAZ DRUTÓW BIMETALOWYCH Fe(FeNi42)-Cu

Transkrypt

1 TECHNOLOGIA MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH TYPU Ag-Re-TLENKI METALI ORAZ DRUTÓW BIMETALOWYCH Fe(FeNi42)-Cu D. Kołacz 1, *, M. Czepelak 2, M. Karpiński 3 1 Zakład Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Proszków, Instytut Metali Nieżelaznych, ul. Sowińskiego 5, Gliwice, Polska 1 mgr inż. Dariusz Kołacz, dariuszk@imn.gliwice.pl 2 mgr inż. Marian Czepelak, mariancz@imn.gliwice.pl 3 mgr inż. Marcin Karpiński, marcink@inmet.gliwice.pl *Kontakt korespondencyjny: dariuszk@imn.gliwice.pl Streszczenie Przedstawiono technologie wytwarzania materiałów kompozytowych Ag-Re i Ag-Re-tlenki metali, przeznaczonych na styki elektryczne oraz drutów bimetalowych Fe(FeNi42) - Cu z których wytwarza się rożnego typu przewody elektryczne, kable, doprowadniki prądu, elementy elektroniczne itp. Sposób wytwarzania tych dwóch grup materiałów realizowany jest z wykorzystaniem technologii metalurgii proszków - dotyczy materiałów stykowych oraz klasycznej metalurgii obejmującej głównie zakres przeróbki plastycznej na zimno. Opisano przebieg charakterystycznych procesów dla obydwu technologii oraz przedstawiono badania w zakresie podstawowych właściwości fizykomechanicznych oraz mikrostruktury tych wyrobów. Słowa kluczowe: Srebro, Konsolidacja, Materiały kompozytowe, Srebro, Ren, Prasowanie, Spiekanie, Druty bimetalowe 1. Wprowadzenie Wspólną cechą obu wyrobów objętych tematem artykułu jest innowacyjność technologii ich wytwarzania, kompozytowy charakter i zastosowanie do celów wymagających dobrej przewodności elektrycznej. Materiały kompozytowe na bazie srebra wytwarzane w postaci styków elektrycznych oraz druty bimetalowe Fe(FeNi42)-Cu, znajdują szerokie zastosowanie w elektroenergetyce i elektronice. Styki elektryczne stosowane są głównie na różnego typu łączniki elektryczne (przekaźniki, styczniki, wyłączniki) pracujące zarówno przy niskich, średnich i wysokich natężeniach prądu stałego oraz przemiennego, natomiast druty bimetalowe używane są do wytwarzania: przewodów elektrycznych, kabli, doprowadników prądu, elementów elektronicznych w różnego typu żarówkach elektrycznych, podzespołach elektronicznych. Obecnie w Instytucie Metali Nieżelaznych prowadzone są badania w zakresie kompozytowych i ekologicznych materiałów stykowych na bazie srebra z dodatkiem renu i tlenków metali takich jak SnO 2, Bi 2 O 3, In 2 O 3 czy ZnO. [1, 2, 3] Liczne badania przeprowadzone na grupie materiałów Ag-W-Re wykazały, że dodatek metalicznego renu do wolframu powoduje wzrost odporności na elektroerozję styków w stosunku do materiału nie zawierającego Re [4]. Ponadto, z powodzeniem stosowany jest komercyjnie materiał o składzie chemicznym wagowym Ag-91,2%, Fe-8,4%, Re-0,4%. [5] Przedstawione powyżej informacje, a także właściwości samego renu takie jak m.in. wysoka twardość czy też temperatura topnienia zdecydowały o podjęciu badań dotyczących wykorzystania tego pierwiastka jako modyfikatora w materiale kompozytowym na bazie srebra, przeznaczonym na styki elektryczne [6]. Produkcja tego typu materiałów powinna zapewnić wyrobom wysokie i powtarzalne parametry fizyko-mechaniczne przy jednocześnie relatywnie niskiej cenie ich wytwarzania. Instytut Metali Nieżelaznych od szeregu lat prowadzi prace badawczodoświadczalne związane z technologią materiałów stykowych na bazie srebra oraz drutów bimetalowych Fe(FeNi42)-Cu, które z powodzeniem są wdrażane do produkcji. [7, 8, 9, 10, 11]. Znajdują bowiem zastosowanie m.in. na przewody doprowadzające prąd do żarówek oraz na kable telekomunikacyjne. W referacie przedstawiono zarys technologii wytwarzania obu grup materiałów o różnych zastosowaniach lecz o wspólnym przeznaczeniu do przewodzenia energii elektrycznej. Badania w tym zakresie kontynuowane są w projekcie POIG p.t. Zawansowane technologie wytwarzania materiałów 358

2 funkcjonalnych do przewodzenia, przetwarzania, magazynowania energii. 2. Metodyka badań i dyskusja wyników 2.1. Materiał kompozytowy na bazie srebra z dodatkiem renu Badania obejmowały opracowanie założeń procesowych wytwarzania materiału stykowego na bazie srebra z dodatkiem metalicznego renu. Materiał wyjściowy do badań stanowił metaliczny proszek srebra oraz renu. Srebro otrzymano metodą rozpylania ciekłego metalu wodą pod odpowiednio wysokim ciśnieniem, natomiast ren uzyskano redukując nadrenian amonu wodorem. Średnia wielkość ziaren proszków wynosiła odpowiednio: srebra - 28 m i renu - 1 m. Z proszków tych przygotowano trzy mieszanki o następującym składzie wagowym: Ag92% -Re8%, Ag95% -Re5%, Ag90% - Re10%. Preparowano je w mieszalniku butelkowym, a następnie prasowano w odpowiedniej formie silikonowej z wykorzystaniem prasy izostatycznej oraz spiekano w piecu próżniowym. Wypraski o średnicy 17mm wyciskano na laboratoryjnej prasie KOBO ze współczynnikiem redukcji 18 uzyskując prasówkę drutową o średnicy 4mm. Półfabrykat ten konsolidowano plastycznie na drodze ciągnienia i obróbki cieplnej do wymiaru 1,90mm na którym wykonano próbną partię nitów stykowych. Badania przewodności elektrycznej prowadzono na wybranych etapach procesu przeróbki (wypraska po zagęszczaniu i spiekaniu, prasówka drutowa 4mm, oraz drut o średnicy 1,90mm). Wyniki badań przedstawiono w tabeli 1. Obserwuje się, że na poszczególnych etapach przeróbki, przewodność elektryczna wzrasta, co związane jest z poprawą stopnia zagęszczenia związanego z efektem konsolidacji plastycznej materiału - szczególnie w procesie wyciskania. Tabela 1. elektryczna Wypraski Prasówka po prasowaniu w postaci drutu i spiekaniu na 4mm Prasówka w postaci drutu na 1,90mm AgRe5 46,92 55,90 56,25 AgRe8 42,16 53,81 55,37 AgRe10 38,88 52,95 52,11 Z drutu o średnicy 1,90mm wykonano nity lite i bimetalowe. Ich widok oraz mikrostrukturę przedstawiono na rys Nity wykonane zostały w procesie spęczania z wykorzystaniem kuźniarek dwuuderzeniowych. W przypadku styków bimetalowych, po ich uformowaniu, poddano je operacji dyfuzyjnego wyżarzania. Proces formowania przebiegł poprawnie i jak pokazuje mikrostruktura nitu bimetalowego, materiał stykowy wykazuje dobre połączenie z powierzchnią metalu nośnego (miedź w gatunku M1E). Rys. 1. Styki elektryczne w postaci nitów: a) lite, b) bimetalowe Rys. 2. Mikrostruktura nitu litego Rys. 3. Mikrostruktura nitu bimetalowego 2.2. Materiał kompozytowy na bazie srebra z dodatkiem 10% tlenków z udziałem renu Badano wpływ parametrów wywarzania próbek kompozytowego materiału stykowego na osnowie dwóch gatunków srebra umacnianego dużym dodatkiem renu (5 i 10%) oraz tlenkami cyny, indu i bizmutu na ich właściwości. Materiałem wyjściowym były mieszanki proszkowe wykonane na bazie proszków srebra wytworzonych metodą wytrącania elektrochemicznego oraz metodą rozpylania. Mieszanki wykonano mieląc je w młynie planetarnym. Zastosowano następujące parametry wytwarzania mieszanek: czas mielenia 1 godzina, stosunek masy kul do masy proszku odpowiednio 10:1, prędkość obrotowa 200 obrotów/minutę, kulki stalowe o średnicy 10mm. Oznaczenia i składy wytworzonych materiałów: Agt10 - Ag90 + tlenki (SnO 2 + In 2 O 3 + Bi 2 O 3 )10, AgRe5t10 - Ag85Re5 + tlenki (SnO 2 + In 2 O 3 + Bi 2 O 3 )10, AgRe10t10 - Ag80Re10 + tlenki (SnO 2 + In 2 O 3 + Bi 2 O 3 )10. Z wytworzonych mieszanek proszkowych wykonano metodą metalurgii proszków próbki o średnicy 10mm i masie 3g. Próbki walcowe prasowano na zimno stosując ciśnienia prasowania w zakresie od 100 do 800MPa. Do części próbek zastosowano proces dwukrotnego prasowania z międzyoperacyjnym spiekaniem. Próbki spiekano w piecu rurowym sylitowym w atmosferze argonu. Temperatura spiekania wynosiła 900 C. Czas spiekania jedna 359

3 godzina. Dla wytworzonych spieków przeprowadzono obliczenia gęstości z wymiarów i masy próbek, pomiary twardości HB próbek po spiekaniu i dogęszczaniu oraz pomiary przewodności elektrycznej przy pomocy przyrządu SIGMATEST Wybrane wyniki badań właściwości próbek uzyskanych dla obu gatunków proszków srebra w zależności od parametrów wytwarzania przedstawiono na rys. 6 i 7 oraz w tabeli 2. Zdjęcia mikrostruktury otrzymanych próbek, materiał bez i z dodatkiem 10% renu, oznaczenie Agt10 oraz AgRe10t10, przedstawiono na rys. 4 i 5. Porównanie przewodności elektrycznej materiałów Ag-Re (tabela 1) i kompozytów Ag-tlenki metali świadczy, że składniki tlenkowe wyraźnie obniżają przewodność. Tym nie mniej, kompozyty te są obecne na rynku i znajdują zastosowanie na styki elektryczne. Dodatek renu do tych kompozytów wpływa korzystnie na przewodność elektryczną, a o konkurencyjności styków Ag-Retlenki metali zdecydują realizowane badania elektroerozyjne. wartości dla proszku srebra wytworzonego metodą wytrącania elektrochemicznego. Po spiekaniu materiały stykowe poddaje się kolejnej operacji kalibrowania mającej na celu oprócz uzyskania odpowiednich tolerancji wymiarowych również nadanie nakładkom stykowym odpowiednio wysokiej gęstości. Ta operacja technologiczna likwiduje wpływ zastosowanego gatunku proszku srebra. Jak wynika z uzyskanych wyników badań po przeprowadzeniu operacji dogęszczania osiągnięto wyższy i jednakowy poziom gęstości, niezależnie od zastosowanego wyjściowego gatunku proszku srebra. Tabela 2. Gęstość oraz przewodność elektryczna próbek o zawartości 0, 5 i 10% Re w stosunku do srebra na poszczególnych etapach wytwarzania. Materiał Właściwość Wypraska Spiek Agt10 AgRe5t10 AgRe10t10 Spiek po dogęszczaniu Gęstość [g/cm 3 ] 8,82 8,64 9,44 [] 22,76 21,90 24,16 Gęstość [g/cm 3 ] 8,71 8,38 9,35 [] 18,13 22,6 27,70 Gęstość [g/cm 3 ] 8,80 8,50 9,51 [] 17,34 22,28 24,72. Rys. 4. Mikrostruktura Agt10 po dogęszczaniu. Przekrój poprzeczny. Rys. 6. Wpływ ciśnienia prasowania na gęstość próbek po spiekaniu i po dogęszczaniu ciśnieniem 800MPa dla materiału AgRe5t10. Porównanie gęstości materiałów wykonanych z dwóch gatunków proszku srebra. Oznaczenia: S1 proszek srebra otrzymany metodą wytrącania elektrochemicznego, spiek,; S1D proszek srebra otrzymany metodą wytrącania elektrochemicznego, próbka po dogęszczaniu,; S2 proszek srebra otrzymany metodą rozpylania, spiek,; S2D proszek srebra otrzymany metodą rozpylania, próbka po dogęszczaniu,. Rys. 5. Mikrostruktura AgRe10t10 po dogęszczaniu. Przekrój poprzeczny. Z przedstawionych wyników badań gęstości, rys. 6, wynika, że zastosowanie proszków srebra wytwarzanych różnymi metodami ma wpływ jedynie na osiągane wartości gęstości po prasowaniu i po spiekaniu. Wraz ze wzrostem ciśnienia prasowania, w zastosowanym zakresie ciśnień, gęstość wzrasta, osiągając wyższe Twardość obu materiałów spiekanych, rys. 7, podobnie jak gęstość zależy od ciśnienia prasowania mieszanek proszkowych. Wraz ze wzrostem ciśnienia prasowania, w zastosowanym zakresie ciśnień, obserwuje się jej wzrost. Maksymalny poziom twardości, niezależnie od uzyskanej twardości po spiekaniu uzyskano po zastosowaniu operacji dogęszczania próbek. Osiągnięty wynik badań gęstości oraz przewodności elektrycznej próbek, o zawartości 0, 5 i 10% Re w stosunku do srebra, na poszczególnych etapach wytwarzania przedstawiono w tabeli

4 także odpowiednie właściwości drutów z czystej miedzi i stali miękkiej o takiej samej średnicy. W tej samej tabeli na ostatniej pozycji podano parametry fizyko-mechaniczne drutu bimetalowego o średnicy 0,4mm, który został wytworzony na bazie nowej technologii, polegającej między innymi na ciągnieniu tego wyrobu z sumarycznym gniotem 99.7%. Należy podkreślić, że mimo utwardzenia tego drutu stosunkowo bardzo wysokim gniotem, materiał ten odznacza się jeszcze względnie dobrymi właściwościami plastycznymi i może być poddawany ciągnieniu jeszcze do niższej średnicy. Rys. 7. Porównanie twardości próbek wykonanych z materiałów różniących się zawartością renu, 5 i 10%, po spiekaniu ciśnieniem od 200 do 800MPa oraz po dogęszczaniu ciśnieniem 800MPa. Oznaczenia: T1 AgRe5t10, spiek; T1D8 AgRe5t10, próbka po dogęszczaniu; T2 AgRetT10, spiek; T2D8 AgRe10t10, próbka po dogęszczaniu Druty bimetalowe Fe(FeNi42)-Cu Badania prowadzone w Instytucie Metali Nieżelaznych w zakresie drutów bimetalowych obejmują swoim zasięgiem kompozyty głównie z gatunku Fe-Cu (stal miękka miedź) oraz FeNi42-Cu. Stanowią one kompozyt dwóch różnych, połączonych ze sobą metalurgicznie metali, co uzyskuje się w procesie platerowania mechanicznego na zimno z wykorzystaniem operacji ciągnienia i dyfuzyjnego wyżarzania. Na rys. 8 pokazano przykład drutu Fe-Cu o średnicy 1mm. Tabela 3. Właściwości fizyko-mechaniczne drutu bimetalowego FeCu30, czystej miedzi oraz stali miękkiej. R Gatunek m R 02 A 100 elektryczna materiału MPa MPa % FeCu ,0 19,0 Cu ,0 58,0 Stal miękka ,0 6,0 FeCu30 0,4mm ,4 20,2 Koncepcja opatentowanej w kraju technologii [11] oparta jest na ciągłym formowaniu z taśmy rurki miedzianej wewnątrz której znajduje się drut rdzeniowy ze stali lub innych materiałów i jednoczesnym zamykaniu krawędzi tej rurki w procesie ciągłego spawania metodą TIG. Ideowy schemat produkcji takiego drutu przedstawiono na rys. 9. Rys. 9. Schemat ideowy wytwarzania zestawu bimetalowego (kompozytu) Fe-Cu: 1 drut rdzeniowy Fe, 2- taśma z miedzi beztlenowej, 3 rolki profilujące i osadzające taśmę na rdzeniu Fe, 4 zespół spawania wzdłużnego metodą TIG rurki miedzianej, 5 spoina, 6 zwijarka zestawu bimetalowego. Rys. 8. Drut bimetalowy Fe/Cu o średnicy 1mm uzyskany metodą mechanicznego platerowania. Odpowiednie połączenie dwóch różnych metali w jeden wyrób pozwala uzyskać pożądane właściwości fizyko-mechaniczne stanowiące w przybliżeniu wypadkową parametrów tworzących go metali. Zewnętrzną warstwą prezentowanego na rys. 8 drutu bimetalowego jest miedź, która chroni rdzeń stalowy przed korozją. W tabeli 3 zestawiono ważniejsze właściwości fizyko-mechaniczne drutu FeCu30 o średnicy 1,80mm w stanie twardym po ciągnieniu z sumarycznym gniotem ca. 60% oraz dla porównania zamieszczono Na bazie pokazanego na rys. 9 schematu zaprojektowano i zbudowano w IMN linię doświadczalno-produkcyjną do wytwarzania półfabrykatu (kompozytu) i jednocześnie opracowano technologie wytwarzania tego typu wyrobów. W efekcie tych przedsięwzięć uruchomiono w IMN ich produkcję [8, 9, 10, 11]. Ogólny widok linii przedstawiono na rysunku

5 Podziękowania Praca częściowo została wykonana w ramach Projektu Rozwojowego POIG /09-00 pt. Zaawansowane technologie wytwarzania materiałów funkcjonalnych do przewodzenia, przetwarzania, magazynowania energii Rys. 10. Linia produkcyjno-doświadczalna do wytwarzania kompozytu (półfabrykatu) przeznaczonego do produkcji drutów płaszczowych. 3. Wnioski Uzyskane dotychczas wyniki badań w zakresie technologii materiałów stykowych na bazie Ag-Re oraz Ag-Re-tlenki metali oraz drutów bimetalowych pozwalają sformułować następujące wnioski: 1. Zaproponowana wstępna technologia wytwarzania kompozytowego materiału stykowego Ag-Re(5, 8 i 10)%wag. metodą mieszania czystych metali, prasowania izostatycznego oraz konsolidacji plastycznej na drodze wyciskania na prasie KOBO i ciągnienia, umożliwia wytwarzanie styków elektrycznych z tego gatunku materiału. 2. Proszki metali otrzymywane w procesie wytrącania elektrochemicznego, a także uzyskiwane na drodze rozpylania mogą być z powodzeniem stosowane do wytwarzania nakładek stykowych. 3. Ustalona podczas badań realizowanych w ramach projektu technologia zapewnia warunki do wytwarzania dobrej jakości nakładek stykowych: Ag90 + tlenki (SnO 2 + In 2 O 3 + Bi 2 O 3 )10, Ag85Re5 + tlenki (SnO 2 + In 2 O 3 + Bi 2 O 3 )10, Ag80Re10 + tlenki (SnO 2 + In 2 O 3 + Bi 2 O 3 ) Wyniki uzyskane w trakcie wieloletnich badań i prób doświadczalnych [8-11] pozwoliły na opracowanie technologii zapewniającej wytwarzanie wysokiej jakości drutów bimetalowych. Literatura [1] Księżarek S., Kołacz D., Woch M., Czepelak M., Osadnik M., Karpiński M., Marszowski K., Wierzbicki Ł., Kamińska M.: Opracowanie założeń procesowych nowego kompozytowego materiału Ag-Re(5, 8, 10)%wag przeznaczonego do wytwarzania styków elektrycznych. Sprawozdanie IMN nr 6886/10, Gliwice 2010 (niepublikowane) [2] Buczek M., Kubica L., Benke G., Leszczyńska-Sejda K., Durst K, Księżarek S., Kołacz D., Rudnicki K., Karpiński M, Kałużny K., Przybysz A.: Opracowanie założeń technologicznych wytwarzania w warunkach przemysłowych ZPM-INMET materiału stykowego zawierającego ren. Sprawozdanie IMN nr 6375/06/II, Gliwice 2006 (niepublikowane) [3] Walczuk E., Borkowski P, Księżarek S.: Ekologiczne materiały stykowe AgSnO 2 z dodatkiem bizmutu i renu przeznaczone do łączników elektrycznych powszechnego stosowania. Sprawozdanie z realizacji pracy badawczej. Projekt badawczo rozwojowy R , Łódź - Gliwice 2010 (niepublikowane) [4] Walczuk E., Boczkowski P., Holi K., Błaszczyk H.: Ocena właściwości stykowych materiałów wolfram-ren-miedź o zmiennej zwartości Re (0, 1, 3 i 5%) na podstawie badań odporności na erozję oraz badania sił szczepiania. Łódź 2003 (niepublikowane) [5] r [6] Ciba J., Trojanowska J., Zołotajkin M.: Prawie wszystko o pierwiastkach. Gliwice 2005 [7] Księżarek S., Besztak S..: Wires used in the production of electric contacts. Wire Jurnal International, April Str [8] Księżarek S., Besztak B., Kazana W.: Iron-copper bimetallic wires manufacturing by mechanical clading, Conf. Proced. Melt to Wire&Cable Production, Kraków 22/ [9] Kazania W., Księżarek S., Besztak B.: Sprawozdanie IMN nr 5987/02 (niepublikowane) [10] Kazana W., Księżarek, S. Ciura L., Besztak B.: Sprawozdanie IMN nr 151/04 (niepublikowane) [11] Księżarek S.: Patent PL Abstract PRODUCTION TECHNOLOGY OF THE AgRe-METAL OXIDES-TYPE COMPOSITE MATERIALS AND Fe(FeNi42)-Cu BIMETALLIC WIRES The paper outlines production technology of the composite materials Ag-Re and Ag-metal oxides used in electric contacts, and production technology of the Fe(FeNi42)- Cu bimetallic wires, from which different electric cables, lead-in wires, electronic components, etc. are made. These two groups of materials are fabricated with the use of powder metallurgy technology (contact materials) and classical metallurgy, mainly cold metalworking. The processes characteristic for both these technologies are described and results of the examination of main physical and mechanical properties and microstructure of these products are presented. Keywords: Consolidation, Composite materials, Silver, Rhenium, Pressing, Sintering, Bimetallic wires Pracę recenzował: prof. dr hab. inż. Witold Missol, Gliwice 362