Высоко эмиссионные электроды из тяжелых сплавов для вакуумных и газонаполненных приборов электроники
 Заготовки и детали высоко эмиссионных электродов из тяжелого сплава |
 |
Основой тяжёлых сплавов является вольфрам, содержание которого может составлять от 76% до 97%. Помимо вольфрама в состав сплавов обычно входят никель, железо и медь, но также могут входить и другие металлы — молибден, кобальт, хром, серебро, а также для придания особых свойств, например высокая эмиссионная способность, оксиды металлов – оксид стронция, оксид бария, оксид иттрия, оксид калия, оксид тория, оксид лантана и др.
Технология получения тяжёлых сплавов основана на методах порошковой металлургии.
Получение тяжёлых сплавов пропиткой пористого вольфрамового каркаса расплавленными металлами основано на затекании в поры жидкой фазы под действием капиллярных сил и образованием беспористого сплава. Пористый каркас получают прессованием и низкотемпературным спеканием вольфрамового порошка.
Помимо получения тяжёлых сплавов пропиткой, может быть использовано жидкофазное спекание прессовок. В этом случае порошки исходных металлов прессуют под давлением 100-200 МПа и спекают в среде водорода или вакуума, или в среде инертных газов. В зависимости от марки сплава температура спекания составляет 1400-1550 °C.
Тяжёлые сплавы характеризуются хорошей обрабатываемостью и могут быть подвергнуты термомеханической обработке. Твёрдость сплавов находится в пределах 20-30 HRC. В случае последующей механико-термической обработки твёрдость может составлять 36-42 HRC. Предел прочности при растяжении составляет от 530 МПа до 1200 МПа, а относительное удлинение 0,1−27%.
Высокая плотность тяжёлых сплавов позволяет им значительно поглощать γ-излучение. Так, при плотности сплава 16,5 г/см3 коэффициент поглощения в 1,5 раза выше чем у свинца, поэтому из них изготавливают защитные экраны и контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Из тяжёлых сплавов изготавливают электрические контакты, электроды, роторы гироскопов и гирокомпасов, регуляторы центрифуг, балансиры, маховики колес, противовесы, инерционные грузы, сердечники подкалиберных снарядов
В результате завершенной в 2017 году НИОКР «Эмиссия» при участии МГТУ им.Баумана разработана новая технология и освоены в производстве заготовки высоко эмиссионных электродов из тяжелых сплавов (рис.1) для применения в изделиях плазменной и вакуумной электроники.
Рис. 1
Заготовки высоко эмиссионных электродов из тяжелых сплавов
Новая технология производства заготовок высоко эмиссионных электродов из тяжелых сплавов позволила получить более высокие характеристики продукта по сравнению с существующими аналогами.
На рисунке 2 приведен фотографии структур поверхности заготовок электродов, полученных по традиционной технологии (слева) и новой технологии (справа) при увеличении х1000, х5000 (*).
*- Фотографии сделаны в лаборатории тонких физических методов исследования структуры материалов МГТУ им.Баумана на РЭМ VEGA II LMH
Рис. 2
Структура поверхности заготовок электродов,
полученных по традиционной технологии (слева) и новой технологии (справа)
На рис.3 приведены изображения оптической микроскопии шлифов заготовок электродов, полученных по традиционной технологии (слева) и новой технологии (справа).
Рис. 3
Структура поверхности (шлифов) заготовок электродов,
полученных по традиционной технологии (слева) и новой технологии НПП КУРС (справа)
В таблице 1 приведен сравнительный анализ параметров свойств высоко эмиссионных заготовок тяжелых сплавов, полученных по новой технологии.
Табл. 1 Сравнительный анализ свойств заготовок
|
Параметры |
Традиционная технология |
Новая технология |
|
Плотность, г/см3 |
12,8 |
15,3 |
|
Общая пористость, % |
28 |
7 |
|
Металлографический контроль пористости, % |
27,5 |
7,4 |
|
Твердость, HV |
310 |
422 |
Рис. 3
Относительный прирост показателей качества заготовок
от применения новой технологии
Созданная в 2017 году лаборатория производства тяжелых сплавов оснащена самым современным оборудованием – вакуумными печами, печью с контролируемой атмосферой, активатором поверхности металлических и неметаллических порошков, высокоэнергетическим помольным оборудованием, шейкером приготовления биндеров, вибростендом гранулирования, автоматическим прессовым оборудованием, системой подготовки и напуска газов, системой кондиционирования с «чистым» притоком воздуха, комплектом контрольного аналитического оборудования.
Рис.1
Лаборатория производства тяжелых сплавов
Согласно техническим условиям ТСРН.271210.001 ТУ:
– массовая доля компонентов в материалах высоко эмиссионных заготовок соответствует значениям, приведенным в таблице 2.
Таблица 2 – массовая доля компонентов в материалах заготовок
|
Марка материала |
Массовая доля компонентов, % |
||||||
|
W |
Y2O3 |
Sm2O3 |
BaO |
CaO |
SrO |
Ni |
|
|
ВоИ5 |
основа |
3,5…6,0 |
|
|
|
|
|
|
ВоС5 |
основа |
|
3,8…6,5 |
|
|
|
|
|
ВоС5Н |
основа |
|
3,8…6,5 |
|
|
|
0,02…0,07 |
|
ВоБ4Н3 |
основа |
|
|
2,5…4,2 |
|
|
2,0…3,6 |
|
ВоК3Н3 |
основа |
|
|
|
2,8…4,0 |
|
2,0…3,6 |
|
ВоСт4Н3 |
основа |
|
|
|
|
3,0…4,5 |
2,0…3,6 |
– относительная плотность заготовок определенных марок материала заготовок соответствует значениям, приведенным в табл. 3.
Таблица 3 – относительная плотность заготовок
|
Марка материала |
Относительная плотность, %, не менее |
|
ВоИ5 |
95 |
|
ВоС5 |
93 |
|
ВоС5Н |
93 |
|
ВоБ4Н3 |
87 |
– абсолютная плотность заготовок из материалов марок ВоК3Н3 и ВоСт4Н3 – не менее 13,5 г/см3;
– включения оксидной фазы в материалах заготовок распределены равномерно;
– средние размеры включений оксидной фазы в материалах заготовок не превышают 2 мкм;
– размеры зерна вольфрама не превышают 2 мкм.
– средние размеры включений никеля в материалах заготовок не превышают 2 мкм;
– поверхность заготовок имеет равномерный серый металлический цвет без следов окисления;
– на поверхности заготовок из материала марки ВоБ4НЗ допускается наличие белого налета;
– на поверхности заготовок из материала марки ВоКЗНЗ допускается наличие белого налета и наличие темно-серых пятен.
В 2018 году «НПП КУРС» освоил в производстве и выпускает серийно высоко эмиссионные электроды из собственных заготовок тяжелых сплавов для изделий вакуумной и плазменной электроники.
Механическая обработка заготовок электродов ведется на токарных CNC-станках с частотой вращения шпинделя до 10000 об./мин с микронной подачей, что позволяет получать поверхность электродов с минимальной шероховатостью и точностью изготовления ±0,01 мм.
На рисунке 5 приведено фото партии изготовленных «НПП КУРС» электродов для газонаполненных разрядников.
Рис.5 Электроды газонаполненных разрядников