Influence of phase composition on the electro-thermal-physical properties of powder tungsten alloys for high-load electric contacts

Full Text

Высоконагруженные электроконтакты (ВЭК) работают в условиях дугообразованния в средах с повышенным содержанием паров бензина, масел и влаги при высоких частотах срабатывания и больших контактных нажатиях. При разработке новых ВЭК на основе вольфрама большое значение имеют исследования зависимости рабочих характеристик от состава материала. Однако в литературе практически отсутствуют систематические данные по влиянию легирования на электро-теплофизические свойства сложных композиций, а имеющиеся лишь описывают влияние условий эксплуатации электроконтактов на их рабочие характеристики, не раскрывая особенностей механизмов, протекающих внутри контактного материала. В данной работе приведены результаты исследований удельного электросопротивления (ρ), коэффициента теплопроводности (λ), числа Лоренца (L) и работы выхода электрона (φ) вольфрама, легированного YB6, (ВИб15) La2O3,(ВЛ15) Y2O3,(ВЛ5,ВИ15) Y2O3+ НfO2 (ВИГМ) в широком температурном интервале. Приведенные на рисунке 1 зависимости ρ=f(T) свидетельствуют об линейном возрастании этой характеристики в интервале 1200...1800°С, причем с ростом температуры разница между удельным электросопротивлением чистого и легированного вольфрама увеличивается. Значительное увеличение значений электросопротивления при введении в вольфрам различных тугоплавких соединений объясняется тем, что проводимость легирующих добавок существенно ниже проводимости матрицы. Поэтому в первом приближении возможно говорить об условной объемной пористости в двухфазной системе W-соединение. В этом случае значение электропроводимости пористого материала равно [1]: σ= σ0 (1-1,5*П), где σ0 - значение электропроводности компактного материала; П - величина объемной пористости. Выше 1800°С в исследуемых сплавах наблюдается нарушение линейности зависимости ρ=f(T), что может быть объяснено процессами первичной рекристаллизации, причем снижение значений электросопротивления у разных сплавов происходит в различных температурных интервалах. Практически отсутствующее снижение значений электросопротивления в сплаве W-1,5%YB6 объясняется одновременным протеканием процессов рекристаллизации при 1800...1900°С и растворения компонентов второй фазы в матрице. Диссоциация НfО2 и растворения гафния в интервале температур 2000….2200°С приводит в сплаве ВИГМ 15-2-5 к образованию соединения (Y,Нf)2О3, что обусловливает снижение степени легирования матрицы и, следовательно, уменьшение роста зависимости электросопротивления. Существенное увеличение степени взаимодействия в сплаве W-La2О3 при температуре выше 20000С вызывает соответствующий рост ρ. Характер зависимости ρ=f(T) сплавов ВИ-5 и ВИ-15 отражает начало процессов рекристаллизации (1800 и 20000С, соответственно) и последующее укрупнение частиц Y2O3. Приведение зависимости λ=f(T) хорошо согласуются с вышеизложенными соображениями, т. к. для всех сплавов наблюдается падение коэффициента теплопроводности. Линейность зависимости λ=f(T) на протяжении всего температурного интервала исследований свидетельствует о том, что теплопроводность не является структурно-чувствительным свойством материала. Экспериментально определенные значения числа Лоренца, зависимость изменения которого с ростом температуры практически не ощущается, составляют в среднем 2,9...3,0-8В2/град2 и отличаются от теоретического L =2,45*10-8В2/град2, что связано с не учетом вклада кристаллической решетки. Однако ошибка в оценке теплопроводности по результатам измерения электросопротивления не превышает 0,3...0,5%. На рисунке 2 представлены измеренные методом полного тока значения работы выхода сплавов в зависимости от температуры и испытания. Анализируя полученные зависимости можно сказать, что интервал образования минимума, все более проявляющийся с повышением температуры, зависит от легирующих компонентов сплава и связан с образованием на поверхности вольфрама адсорбированной из его внутреннего объема пленки атомов соответствующего легирующего металла. Косвенным подтверждением наличия покрытия РЗМ на поверхности вольфрама может являться возрастание работы выхода сплавов W-YB6, W-La2O3 и W-Y2O3 при температурах, близких к 2000°С, т.е. при температурах десорбции атомов покрытия с поверхности вольфрама (рисунок 2). t, C Ρ>мкОн сн Вт/см*С t, C Рисунок 1. Удельное электросопротивление ρ, число Лоренца L и коэффициент теплопроводности λ легированного вольфрама в зависимости от температуры: ВИ 5(1), ВИ15 (2), ВЛ15 (3), ВИб 15 (4). ВИГМ 15-2 (5,6-расчет) Таким образом, среди двухфазных сплавов системы W-МexНy максимальные значения φ и рост этой характеристики при повышении температуры наблюдается у сплава W-YB6, затем следует W-La2O3 и W-Y2O3, минимальные значения вакуумной работы выхода, а вместе с тем и более пологая зависимость φ=f(T) наблюдались у многокомпонентного сплава ВИГМ 15-2. Полученные данные хорошо объясняются с позиции термической стабильности легирующих добавок [2, 3]. Так, YB6 наименее устойчиво, что приводит к более активной диссоциации этого соединения, диффузии и последующей десорбции иттрия с поверхности вольфрама. Затем следует La2O3 и, наконец, наиболее термодинамически стабильные соединения в славах вольфрама с Y2О3 и (Y2О3+ HfО2). Проведенные обобщения результатов исследования состава на комплекс электро-теплофизичечсиких свойств были подтверждены результатами сравнительных испытаний в электротехнической лаборатории ОГК завода АТЭ-2 на стенде порошковых сплавов. Исследуемые сплавы применяли в качестве материалов для высоконагруженных разрывных электроконтактов. Испытания показали, что после 1100 час. работы контакты, изготовленные из сплавов W-(0,51,5)% Y2О3 и W-(1,5%Y2О3 + 0,2% HfO2), существенных поверхностей изменений не претерпели, но потеряли характерный металлический блеск из-за окислительных процессов на контактной поверхности. Более грубая контактная поверхность наблюдалась у сплавов вольфрама с La2О3 и YB6, что указывало на эрозионные процессы. γ, эВ t, C Рисунок 2. Влияние температуры испытания на работу выхода электрона легированного вольфрама: ВИб15 (1), ВЛ15 (2), ВИ15 (3), ВИГМ 15-2 (4) И наконец, вольфрамовые контакты имели ярко выраженные эрозионные разрушения, заключающиеся в переносе материала с подвижного контакта на неподвижный. На поверхности подвижного контакта образовался кратер диаметром 1,2 мм, а на поверхности неподвижного контакта – наплыв высотой 0,5 мм, при этом контактное пятно составляет 90% площади контактной поверхности. Таким образом, дисперсное упрочнение вольфрама замедляет эрозионные процессы, приводящие к выходу контакта из строя.

About the authors

V. B Arzamasov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Prof. Eng.Sc.D

V. S Antipenko

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Eng.Sc.C

A. A Stroev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

K. V Galkin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

References

Supplementary files