Металлокерамические сплавы для высоконагруженных электроконтактов системы зажигания ДВС

Полный текст

Введение Эффективность, а во многих случаях и безопасность эксплуатации транспортных средств зависит от надежности электроконтактов, работоспособность которых обеспечивается, прежде всего, видом контактного материала и способом его обработки. Хотя в настоящее время и существует относительно большой выбор электроконтактных материалов (ЭКМ), необходимость в совершенствовании их свойств продолжает оставаться, что особенно ощутимо на фоне неуклонного роста парка транспортных средств и оборудования для их диагностики и ремонта, обусловливающего увеличения выпуска электроконтактов. И все же проблема создания новых и совершенствования уже имеющихся материалов для контактов различного назначения еще далеко не решена. Особо остро эта задача стоит при создании высоконагруженных ЭКМ, предназначенных для работы в условиях дугообразования в среде с повышенным содержанием паров бензина, масел и влаги, при больших контактных нажатиях и высоких частотах срабатывания. Постановка задачи В настоящее время основным материалом для высоконагруженных электроконтактов (ВЭКМ) двигателей внутреннего сгорания является вольфрам, который уже не удовлетворяет возросшим требования. В этой связи представляет интерес металлокерамические сплавы вольфрама с добавками тугоплавких соединений редкоземельных и переходных материалов [1]. В настоящей работе приведены результаты исследований влияния легирования и структурного состояния на физико-механические свойства дисперсно-упрочненного вольфрама как перспективного материала для высоконагруженных коммутирующих электроконтактов системы зажигания ДВС. Результаты Маркировка и химический состав исследованных сплавов приведены в таблице 1. Таблица 1 Маркировка, состав и физико-химические свойства спеченных металлокерамических сплавов вольфрама Марка сплавов Объемная доля включений, f Плотность, г/см³ Пористость % Удельное электро Сопротивление мк Ом·см Микротвердость Н100 Теор. Эксп. Теор. Эксп. ВИ 5 (0,5% Y2O3) 1,9 19,03 18,27 4,0 5,94 5,95 340 ВИ 10 (1,0% Y2O3) 3,7 18,77 17,91 4,5 6,16 6,20 344 ВИ 15 (1,5% Y2O3) 5,5 18,52 17,65 4,7 6,38 6,42 346 ВИ 20 (2,0% Y2O3) 8,5 18,20 17,26 5,2 6,74 6,80 351 ВИ 25 (2,5% Y2O3) 9,0 18,02 16,71 6,3 7,01 7,25 360 ВИ 30 (3,0% Y2O3) 11,4 17,37 16,05 7,6 7,49 7,70 365 ВЛ 15 (1,5%La2O3) 4,8 18,75 17,57 6,2 6,42 6,79 366 ВИб 15 (1,5%YB6) 7,3 18,16 15,02 9,1 7,15 8,01 392 ВЦн 15 (1,5%ZrN) 4,5 18,72 17,58 6,1 6,47 6,74 380 а б в г Рисунок 1 – Микроструктура дисперсно-упрочненного вольфрама в спеченном состоянии, 340х: а – Виб-15; б – ВЛ-15; в – ВЦн-115; г – ВИ-15 Анализ результатов металлографических исследований сплавов вольфрама, представленных на рисунке 1 показал, что исследуемые сплавы системы W – MexHy имеют характерную дисперсно-агрегатную структуру. Зёрна матрицы полиэдрической формы имеют извилистые, плохо протравляющиеся границы. Результаты пикнометрического анализа (таблица 1) показывают, что плотность исходных образцов отличается от теоретической, что говорит о наличии пористости. Так, в сплаве W – 1,5%YB6 наблюдаются крупные сообщающиеся поры (рисунок 1а), при этом удельное электросопротивление и микротвердость имеют максимальные значения, что свидетельствует о диссоциации легирующей добавки YB6 уже на стадии спекания. Поэтому термодинамическая нестабильность YB6 ведет к повышенной растворимости частиц и значительной пористости. Для остальных сплавов характерна мелкая, рассеянная пористость (рисунки 1б, 1в и 1г), обусловленная технологическими особенностями спекания. Таким образом, проведенные совместно исследования микроструктуры, плотности, электросопротивления и микротвердости позволяют сделать вывод о термодинамической устойчивости вводимых добавок, которые (в порядке возрастания стабильности) можно расположить в следующий ряд: YB6 – ZrN – La2O3 – Y2O3. Исследования влияния степени деформации на твердость, плотность электропроводность и температуру рекристаллизации проводились на иттрированном вольфраме, с содержанием 0,5 и 1,5 масс.% Y2O3. Для этого при температурах 1500…1600˚С спеченные прутки были подвергнуты ковке в отжимках со степенью деформации 10% и прессованию на 30…50%. Оказалось, что все образцы, изготовленные из сплава ВИ-15, разрушаются в процессе прессования, т.е. пластическая деформация этого сплава более чем на 55% невозможна в связи с повышенной хрупкостью металлокерамического вольфрама с большим содержанием второй фазы. Поэтому лишь образцы из сплава ВИ-5 удалось продеформировать на 90% продольной прокаткой с промежуточными отжигами. Исследования микроструктуры деформированных сплавов показали, что структура сплава ВИ-15 при степени деформации 10% (рисунок 2а) характеризуется незначительной ориентированностью, присущей для малых степеней деформации. С ростом степени деформации образцов ориентированность зерен увеличивается вместе с коэффициентом ассиметрии их формы (рисунки 2б, 2в). Одновременно снижается выход годного материала, составляющего 95…97% при E=30…35%, а при E=55% все образцы разрушаются в процессе деформации, даже проводимой при температурах максимальной пластичности вольфрама 1400…1600˚C [2]. Образцы из сплава ВИ-5, которые удалось продеформировать на 90%, имеют волокнистую структуру, характерную для высоких степеней деформации (рисунок 2г). а б в г Рисунок 2 – Микроструктура иттрированного вольфрама в зависимости от степени деформации, 200х: а – Виб-15 E = 10%; б – ВЛ-15 E = 35%; в – ВИ-15 E = 55%; г – ВИ-5 E = 90% Результаты исследований твердости, плотности, электропроводности и температуры начала рекристаллизации, представленные на рисунке 3, позволили установить некоторые закономерности влияния степени деформации на комплекс физико-механических характеристик металлокерамического вольфрама. В частности, было замечено, что с ростом степени деформации возрастает плотность сплава, которая для сплава ВИ – 5 при E = 90% приближается к теоретической. Аналогичная зависимость наблюдается и для микротвердости, растущей с увеличением степени деформации и искаженности кристаллической решетки матрицы. Однако подобные изменения влияют на значительное снижение электропроводности, причем это снижение не компенсируется некоторым увеличением электропроводности за счет большей компактности и ориентации вытянутых зерен вдоль оси контакта. Рост степени деформации ведет также к закономерному снижению температуры начала рекристаллизации сплавов, что обусловлено увеличением накопленной внутренней энергии, и если в сплаве ВИ-15, деформированном на 10%, рекристаллизация начинается лишь при температуре 2000˚C, то в сплаве ВИ-5 (E=90%) – уже при температуре 1400˚C, т.е. близка к таковой для нелегированного вольфрама по данным [2]. Рисунок 3 – Влияние степени деформации на микротвердость (1,5), плотность (2,6), электропроводность (3,7) и температуру начала рекристаллизации (4,8) иттрированного вольфрама: ВИ-15 ВИ-5 Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что увеличение степени деформации металлокерамического вольфрама более 10%, т.е. превышающую деформацию, необходимую для стабилизации размеров и некоторого увеличения компактности, нежелательно, т.к. ведет к ухудшению теплофизических свойств сплавов и снижению термической стабильности структуры и свойств, определяющих работоспособность электроконтактных материалов. Влияние количества легирующей добавки на физико-механические свойства металлокерамического вольфрама, проводимые на сплавах с наиболее термодинамически стабильной добавкой Y2O3. Анализ полученных результатов, представленных на рисунке 4 в виде графиков, показал, что с увеличением количества легирующей добавки наблюдается закономерное изменение свойств сплавов. Увеличение содержания в сплаве второй фазы, имеющей плотность 5,03 г/см³, т.е. почти в 4 раза меньшую, чем у вольфрама (19,3 г/см³), естественно ведет к снижению плотности сплава. Однако одновременно ухудшается спекаемость и возрастает пористость, что вызывает более резкий рост удельного электросопротивления по сравнению с рассчитанным для компактного материала, причем особенно резкое увеличение пористости отмечается начиная с 2% Y2O3, что ведет к более значительному увеличению измеренного удельного сопротивления по сравнению с рассчитанным. В соответствии с законом Видемана-Франца [3] это должно вызвать одновременное снижение теплопроводности, играющей существенную роль в тепловом балансе высоконагруженных коммутирующих электроконтактов, нарушение которого приведет к снижению работоспособности. Меньшее влияние количества введенной дисперсной фазы оказывает на значение работы выхода электрона сплавов. Однако необходимо отметить, что начиная с 1% Y2O3 наблюдается существенное снижение φ (менее 4эВ при 2200˚C). Увеличение легированности сплавов до 3 масс.% значительного влияния на термоэмиссионные свойства материала не оказывает. Таким образом, проведенные исследования показывают, что увеличение количества легирующей добавки ведет к снижению как работы выхода электрона, так и ухудшает теплофизические свойства. Рисунок 4 – Влияние количества (мас.%) Y2O3 на свойства вольфрама в спеченном состоянии (а) и при высоких (б) температурах (1-2 расчет, 3-б эксперимент) Поэтому допустимыми пределами изменения активной фазы являются 0,5…1,5%, причем меньшее значение содержания легирующей добавки допустимо для контактов, работающих в цепи с силой тока менее 10А (магнето, контакты прерывателей зажигания ДВС), а большие значения – для контактов, коммутирующих токи свыше 10А, особенно в условиях горения затяжных дуг (контакты мощных, тяжелонагруженных трансформаторов, контакты с высокими токами короткого замыкания). Выводы Таким образом, проведенные исследования влияния легирования и структурности состояния на физико-механические свойства дисперсно-упрочненного вольфрама показали следующее: · структура исследуемых сплавов в спеченном состоянии не может считаться удовлетворительной без применения последующей деформации; · увеличение степени деформации, необходимое для увеличения компактности сплавов и ориентации зерен более 10% негативно сказывается на термической стабильности и тепло-электрофизических свойствах сплавов; · оптимальное содержание в вольфраме наиболее стабильной легирующей добавки Y2O3 составляет 0,5…1,5 масс%; В целом проведенные исследования показали перспективность применения металлокерамических сплавов ВИ-5 и ВИ-15 для контактов системы зажигания ДВС.

Об авторах

В. Б Арзамасов

Университет машиностроения

д.т.н.

Э. Е Смирнова

Университет машиностроения

к.т.н.

Д. Е Рыков

Университет машиностроения

Т. А Рябчик

Университет машиностроения

Список литературы

Дополнительные файлы