Sintered metal alloys for high-loaded contacts of ignition system of internal combustion engine

Full Text

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.

About the authors

V. B. Arzamasov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr. Eng.

E. E. Smirnova

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.

D. E. Rykov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

T. A. Ryabchik

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

References

Supplementary files