Патент на изобретение №2381590

(54) СОСТАВ МАТЕРИАЛА ЭЛЕКТРОДОВ ГЕНЕРАТОРА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к материалу для изготовления электродов генератора низкотемпературной плазмы. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение ресурса эксплуатации электродов генераторов низкотемпературной плазмы, для чего материал, получаемый методом порошковой металлургии, содержит хром в виде субмикронных частиц, а также железо и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: железо 10-50; хром субмикронный 0,5-1,5; медь остальное. Кроме того, в указанный выше материал дополнительно может быть введен порошок хрома в виде частиц десятимикронного размера, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железо 20-40; хром десятимикронный 5-20; хром субмикронный 0,5-1,5; медь остальное. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для изготовления электродов генераторов низкотемпературной плазмы, обеспечивающих увеличение ресурса эксплуатации.

Применяемые в настоящее время медные электроды по ресурсу эксплуатации (40-50 часов) не отвечают современным требованиям. Для повышения ресурса эксплуатации известно использование композиционных материалов на основе меди, легированных тугоплавкими материалами. Так, в патенте РФ предложен спеченный материал следующего состава (мас.%): карбид титана 7-13; ниобий 1,5-5 или пятиокись ниобия 2,5-7,6; медь остальное (пат. РФ 2009562, КЛ Н01Н 1/02, приоритет 1992.05.26, опубликовано 1994.03.15). В японском патенте JP 2007066677, КЛ Н05Н 1/26, опубликованном 2007-03-15, предлагается для увеличения ресурса эксплуатации добавлять к медной основе гафний, цирконий либо сплавы на их основе.

В качестве прототипа принят материал электродов низкотемпературных плазматронов, в котором использована спеченная смесь медного и железного порошка и окись иттрия Y₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

– железо 3-30;

– Y₂O₃ 0,1-1,0;

– медь остальное

(Патент РФ 2176833, 7 H01J 9/04, опубл. 10.12.2001, бюл. 34).

Указанный материал позволяет увеличить ресурс эксплуатации до 60-80 часов, что в 1,5-2 раза больше по сравнению с ресурсом используемых в настоящее время медных электродов, однако требования к ресурсу эксплуатации постоянно растут и указанных величин на сегодняшний день недостаточно.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение ресурса эксплуатации электродов генераторов низкотемпературной плазмы.

Технический результат достигается за счет того, что в состав материала, содержащего железо и медь, дополнительно введен хром в виде субмикронных частиц при следующем соотношении компонентов, мас.%:

– железо 10-50;

– хром субмикронный 0,5-1,5;

– медь остальное.

При этом в отличие от прототипа в материал не вводятся частицы окиси иттрия, так как их введение при заявленных соотношениях компонентов, как установлено авторами, приводит к ухудшению механических свойств.

Кроме того, технический результат достигается за счет того, что в указанный выше состав материала, содержащего медь, железо и хром субмикронный, дополнительно введен порошок хрома в виде частиц десятимикронного размера при следующем соотношении компонентов, мас.%:

– железо 10-40;

– хром десятимикронный 5-20;

– хром субмикронный 0,5-1,5;

– медь остальное.

В основе изобретения лежат экспериментально установленные авторами закономерности. Установлено, что введение субмикронных частиц приводит к повышению интенсивности процесса спекания. Помимо уменьшения остаточной пористости происходит также изменение формы пор, их сфериодизация, приближение к шарообразной форме, в результате чего снижается электросопротивление и повышаются теплопроводность, прочностные характеристики и относительное удлинение. Все это благоприятно влияет на ресурсные характеристики и позволяет вводить большее количество тугоплавких компонентов, а также вводить, кроме железа, еще и другие компоненты, например хром. Хром превосходит железо по температуре плавления и кипения, скрытой теплоте плавления и испарения (1535°C и 1900°C; 2450°C и 2735°C; 49 ^кал/_г и 67 ^кал/_г; 1455 ^кал/_г и 1603 ^кал/_г, соответственно). Поэтому введение хрома в состав материала способно благоприятно повлиять на его ресурс эксплуатации. Вместе с тем нами экспериментально установлено, что введение десятимикронных частиц хрома без субмикронных не эффективно. Наиболее эффективно их совместное введение в пропорциях, указанных в формуле изобретения. Гранулометрический состав порошков приведен в таблице 1.

Таблица 1

Гранулометрический состав порошковых материалов

п/п

Состав порошка

Фракция, мас.%

160-100 мкм

100-63 мкм

63-40 мкм

40-25 мкм

25-16 мкм

16-10 мкм

10-6 мкм

6-4 мкм

4-2,5 мкм

2,5-1,6 мкм

1,6-1,0 мкм

1,0-0,6 мкм

0,6-0,4 мкм

0,4-0,2 мкм

0,2-01 мкм

1

Порошок меди

–

–

2

58

32

8

–

–

–

–

–

–

–

–

–

2

Порошок железа

5

15

20

38

22

–

–

–

–

–

–

–

–

–

3

Порошок хрома десяти микронный

–

–

–

45

20

35

–

–

–

–

–

–

–

–

–

4

Порошок хрома субмикронный

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

5

20

38

37

Введение субмикронных частиц в объем материала и его изготовление проводилось в соответствии со способом, защищенным заявкой 2007116914/018401 от 04.05.2007 г. на получение патента РФ «Способ изготовления композиционного материала с объемной наноструктурой», МКИ В22F 1/00, существо которого состоит во введении субмикронных частиц путем вакуумной пропитки основы их суспензией в защитной жидкости. Пример реализации изобретения приведен в таблице 2. Приведенные данные подтверждают правильность предложенного решения и выбранного химического состава и соотношения ингредиентов.

Эксперименты проводились на электродах плазматронов типа ПТВ, представляющих собой цилиндры 20×80 при горении дуги со стороны торца.

В качестве исходных материалов были использованы:

– электролитический медный порошок марки ПМС-1 по ГОСТ 4960-89;

– железный распыленный порошок марки ПЖРВ-2 по ГОСТ 9849;

– порошок хрома марки ПХ-1 по ТУ 14-22-151-2001 в исходном состоянии;

– тот же порошок хрома после его диспергирования в ультразвуковой установке в защитной жидкости.

Из данных, приведенных в таблице 2, следует, что ресурс эксплуатации электродов увеличивается в 3 и более раз по сравнению с традиционными медными электродами и превосходит ресурс эксплуатации материала, принятого в качестве прототипа.

Экономический эффект определяется повышением ресурса эксплуатации и снижением расхода дорогостоящих медных электродов.

Формула изобретения

1. Состав материала электродов генератора низкотемпературной плазмы, содержащий медь и железо, отличающийся тем, что в него дополнительно введен порошок хрома в виде частиц субмикронного размера при следующем соотношении компонентов, мас.%:

2. Состав материала по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введен порошок хрома в виде частиц десятимикронного размера при следующем соотношении компонентов, мас.%: