Содержание к диссертации
Введение
1. Самоорганизация при необратимых процессах 12
1.1. Самоорганизация 12
1.2. Структура 14
1.3. Энтропия и ее основные свойства 15
1.4. Закон возрастания энтропии
(2-й закон термодинамики) 19
1.5. Производство энтропии 20
1.6. Стационарное состояние 24
1.7. Состояние с минимальным производством энтропии (теорема Пригожина) 25
1.8. Принцип Ле-Шателье 27
1.9. Устойчивость 28
1.10. Термодинамическая устойчивость равновесных состояний 31
1.11. Устойчивость систем,
далеких от равновесия 33
1.12. Самоорганизация.
Диссипативные структуры 35
1.13. Локальное равновесие 3 9
2. Самоорганизация при трении 41
2.1. Трение и неравновесная термодинамика 41
2.2. Трибосистема - открытая термодинамическая система 45
2.3. Термодинамическое обоснование существования вторичных структур 46
2.4. Появление вторичных структур как процесс самоорганизации 48
-2 2.5. Термодинамика вторичных структур 5 О
2.6. Стационарное состояние трибосистемы с токосъемом Смазывающее действие тока 55
3. Неустойчивость системы трения с токосъемом 62
3.1. Неустойчивость системы трения 62
3.2. Применение положений об устойчивости к системам трения с токосъемом 63
3.3. Экспериментальное наблюдение неустойчивости системы трения с токосъемом 65
3.4. Механизмы потери устойчивости при изменении тока 72
3.5. Возможная потеря устойчивости системы трения с токосъемом при изменении нагрузки 81
3.6. Исследование изменения контактного
сопротивления с током при скольжении 85
На поверхностях трения 92
4.1. Вторичные структуры и износостойкость 92
4.2. Свойства токосъемных материалов и их износостойкость 92
4.3. Методы исследований состава вторичных структур 98
4.3.1. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия 100
4.3.2. Метод электронной оже-спектро скопии 105
4.3.3. Метод вторичной нейтральной масс-спектро скопии
4.3.4. Образцы. Методика эксперимента 107
5. Графито - медные токосъемные материалы 128
5.1. Токо съемные материалы 12 8
5.2. Обеспечение смачивания графита медью 13 8
5.3. Свойства графито-медных композиционных
материалов из модифицированного графита 146
5.4. Повышение прочностных характеристик графито-медных материалов 149
5.5. Зависимость свойств графито-медных материалов от температуры нагрева 15 О
5.6. Износостойкость графито-медного материала 155
5.7. Эксплуатационные испытания графито-медных токо съемных материалов 15 7
6. Токосъемные материалы на основе графита без металла 162
6.1. Схватывание графито-медных материалов с медью 162
6.2. Выбор материала вставок 164
6.3. Выбор размера чешуек природного графита 166
6.4. Влияние пропитки пироуглеродом на структуру графитовых заготовок 170
6.5. Эксплуатационные испытания токосъемных материалов на основе природного графита 179
6.6. Испытания вставок на потерю объема при дуговом воздействии 183
6.7. Влияние катализатора на износостойкость скользящих электрических контактов 193
6.7.1. Влияние подачи в скользящий электрический контакт С02 на интенсивность изнашивания токо съемного материала 194
6.7.2. Влияние катализатора на износостойкость скользящих электрических контактов 196
7. Совместимость различных токосъемных материалов на одном участке контактного провода 201
7.1. Состояние вопроса 201
7.2. Проблема совместимости с
точки зрения самоорганизации 202
7.3. Совместимость токосъемных материалов вставок типа «Б» из искусственного графита и металлических композиционных вставок ВЖ-ЗП 204
7.4. Совместимость токосъемных материалов на основе природного графита и металлических композиционных
вставок ВЖ-ЗП 207
Общие выводы 212
Литература
- Состояние с минимальным производством энтропии (теорема Пригожина)
- Трибосистема - открытая термодинамическая система
- Экспериментальное наблюдение неустойчивости системы трения с токосъемом
- Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
Введение к работе
Актуальность проблемы. Актуальной задачей трибологического материаловедения является разработка износостойких материалов на основе общих принципов. Основным методом выбора износостойких материалов остается эмпирический метод. Выбор может быть обоснован закономерностями, установленными опытным путем и на основе объемных свойств. В трибоси-стеме при одних и тех же условиях одинаково могут работать совершенно разные материалы: металлические, органические, неметаллические композиционные и другие. Механические свойства материалов могут отличаться в разы, а проводящие свойства — на 1 — 2 порядка. В связи с этим необходимо выделить нечто общее, что есть у всех трибосистем. Все системы трения характеризуются износом. Износ может меняться в широких пределах, протекать по различным механизмам, но он является атрибутом трения. Для каждой трибосистемы характерно образование вторичных структур (ВС). Согласно Л.И.Бершадскому, ВС осуществляют защитные функции, ограничивая распространение взаимодействия внутри трущихся тел. Поскольку износ и образование ВС это фундаментальные процессы, присущие любой паре трения, то его, можно рассмотреть с позиций фундаментальных законов природы. При трении происходит превращение энергии, поэтому естественно рассмотреть его с позиций термодинамики. Учитывая, что трение — сугубо неравновесный процесс, в настоящей работе оно будет рассматриваться с позиций неравновесной термодинамики и самоорганизации.
Рассмотрению трибосистемы с позиций теории самоорганизации посвящено относительно небольшое количество работ. Этим занимались: Л.И.Бершадский, Б.И.Костецкий, B.Klamecki, Н.А.Буше, И.А.Буяновский, В.С.Иванова, В.В.Шульц, P.Meilman, D.A.Rigney, Г. Хайнике, A. Zmitrowicz, Б.И.Семенов, В.В. Горский, СВ.Федоров, А.Е.Миронов и другие. Однако, до сих пор в разработке износостойких материалов не учитывалось прохождение неравновесных процессов и взаимодействие необратимых процессов при трении.
Для иллюстрации применения методов неравновесной термодинамики и самоорганизации к разработке износостойких материалов выбрана трибоси-стема с токосъемом, т.к. в ней существует два независимых контролируемых процесса диссипации энергии - собственно трение и прохождение электрического тока. Необходимо отметить, что до настоящего времени не решена задача разработки износостойких токосъемных материалов для работы при больших токах и высоких скоростях скольжения.
Цель работы. Разработка принципов рационального выбора износостойких материалов с использованием описания процессов трения и изнашивания с позиций неравновесной термодинамики и самоорганизации. Разработка износостойких токосъемных материалов для электрифицированного транспорта на основе результатов исследования неравновесных процессов на поверхностях трения.
Научная новизна.
I. Предложен принцип выбора износостойких материалов на основе методов неравновесной термодинамики и самоорганизации.
. 2. Образование ВС при трении рассмотрено как процесс самоорганизации.
-
Теоретически показано и подтверждено экспериментально, что неравновесные процессы на поверхностях трения приводят к уменьшению интенсивности изнашивания.
-
На основе условия устойчивости, стационарного состояния с минимальным производством энтропии получено и экспериментально подтверждено аналитическое выражение для эффекта смазывающего действия тока. Появление этого эффекта соответствует образованию диссипативных структур.
-
Установлен критерий возможной потери термодинамической устойчивости трибосистемы с токосъемом.
-
Показана ведущая роль углерода в прохождении неравновесных химических реакций на поверхности трения с токосъемом.
Практическая ценность. Разработана методика выбора токосъемных материалов на основе исследования ВС контактных проводов. В качестве основы для новых токосъемных материалов выбран природный графит. Созданы новые графито-медные материалы, в которых медь надежно смачивает графит, самопроизвольно растекаясь по нему. Разработан и изготовлен новый графито-углеродный токосъемный материал без металлических составляющих. Удельное электрическое сопротивление (УЭС) разработанного материала не уступает УЭС известных углеродно-медных материалов. Лабораторные и эксплуатационные испытания показали, что материал не теряет триботехнические свойства при высоких токовых нагрузках. Дугостойкость нового материала значительно выше дугостойкости известных токосъемных материалов. Показано, что совместная эксплуатация металлокерамических и угольных вставок может привести к значительному повышению интенсивности изнашивания контактного провода.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на: Международной научной конференции «Трение, износ и смазочные материалы» Ташкент. 1985 г.; Всесоюзной научной конференции «Износ в машинах и методы защиты от него» Брянск 1985 г.; Всесоюзной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность металлов и сплавов». Юрмала 1987 г., 3-ей Московской научно-технической конференции «Триботехника машиностроению» Москва 1987г. Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы технологии» Николаев 1988 г.; 4-ой Московской научно-технической конференции «Триботехника машиностроению» Москва 1989г.; Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы синергетики» Уфа 1989 г.; Советско-Американской конференции «Новые материалы и технологии в трибологии» Минск 1992 г.; Международной научно-технической конференции «Износостойкость машин» Брянск 1994 г.; 2-ой Международной конференции «Износостойкость машин» Брянск 1996 г.; 2-ой Американо-Восточно-Европейской коефёренции «Новые
материалы и технологии в трибологии» Минск-Гродно-Варшава 1997г.; Международном научно-практическом симпозиуме Славянтрибо-5 «Наземная и аэрокосмическая трибология» Санкт-Петербург 2000 г.; 2-nd World Tribology Congress. Vienna 2001г.; 1-й Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» Москва 2002 г.; European Congress on Advanced Materials and Processes "Materials Week" Munich 2002 г.; Международном конгрессе «Механика и трибология транспортных систем» Ростов-на-Дону 2003 г.; Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» Волгоград 2004 г.; 4-м Междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика» 2005 г. Москва; World Tribology Congress III. Washington 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 работ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 234 страницах, состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы, содержит 16 таблиц, 103 рисунка, библиографию в количестве 178 наименований.
Состояние с минимальным производством энтропии (теорема Пригожина)
Самоорганизации предшествует неустойчивость термодинамической ветви процесса.
Применительно к трению самоорганизация заключается в образовании т.н. вторичных структур на поверхности трения, которые представляют собой выделенные области с повышенным уровнем энергии, отличным от трущихся тел химическим и структурным составом. В работе [2] показано, что вторичные структуры являются составляющими диссипативных структур. Учитывая, что возникновение диссипативных структур слабо зависит от начальных условий, явление самоорганизации при трении можно считать фундаментальной характеристикой трения. Согласно [3], появление неравновесных вторичных структур способствует повышению износостойкости трущихся тел.
В связи с тем, что данная работа посвящена рациональному выбору и совершенствованию материалов трущихся тел на основе изучения Процесссов самоорганизации при трении, в настоящей главе рассмотрены методы термодинамики необратимых процессов и самоорганизации, которые используются в работе. 1.2. Структура.
Структура - наиболее часто употребляемое понятие в науке. Однако, не всегда ему дается однозначное определение. Вместе с тем нет, наверное, ни одной отрасли знания, где бы ни использовалось понятия структуры, от математики до биологии и прикладных технических наук.
В математическом понятии структуры природа элементов, из которых состоит данное множество, не играет заметной роли в отличие от соотношений между ними, которые определяют характер структуры. Аналогично можно дать определение структуры физических систем. Согласно определению Кребера [4], "Система состоит из элементов, связанных определенными отношениями. Понятие структуры включает способ организации элементов и характер связи между ними. Причем, природа элементов системы в данном случае не существенна. Рассматривается лишь совокупность отношений между ними. Таким образом, структура системы, определенная как совокупность отношений, задает связь между элементами системы».
В физических системах обычно рассматриваются пространственные, временные и пространственно-временные структуры. Элементами пространственных структур обычно являются атомы и молекулы. Структура определяется их взаимным расположением и перемещением. Ярким примером пространственной равновесной структуры служат кристаллические структуры. Именно из кристаллографии заимствованы понятия симметрии и упорядоченности. Временные структуры связаны с динамикой системы и заключаются обычно в периодическом повторении того или иного явления. Пространственно-временными структурами называют периодические изменения пространственных структур. Наиболее известным примером является реакция Белоусова-Жаботинского.
Кроме того, необходимо различать два типа структур: равновесные и диссипативные. Равновесные структуры образуются и поддерживаются в ходе обратимых превращений, протекающих при незначительных отклонениях от равновесия. Пример равновесной структуры (как уже отмечалось) - кристалл. Диссипативные структуры [5] зарождаются и существуют за счет обмена энергией и веществом с окружающей средой в неравновесных условиях. Известный пример диссипативных структур - уже упоминавшиеся ячейки Бенара.
В дальнейшем под образованием структуры понимается появление новых свойств и соотношений между элементами системы. Например, формирование структуры может быть связано с потерей однородности системы, уменьшением степени симметрии или снижением энтропии системы.
С точки зрения термодинамики мерой «степени организованности» системы является энтропия. Ее прирост служит критерием необратимости то -14 го или иного процесса. Энтропия является одним из важнейших показателей в теории флуктуации Эйнштейна. Производные энтропии характеризуют стационарные состояния и устойчивость систем, поэтому в настоящем разделе для представления о физическом смысле энтропии, ее определение дается не феноменологическое, а на основе статистической физики [6].
Рассмотрим одну из подсистем равновесной системы. Обозначим ее функцию распределения через w. Согласно принципу относительности Галилея, w можно представить как функцию только от энергии w(E). Пусть Г(Е) -число квантовых состояний с энергиями, меньшими и равными Е, тогда число состояний в интервале энергии dE будет: ?-а, (1-і) dE а распределение вероятностей по энергиям: W(E)= w() (1.2), dE при условии: JW(E)dE = 1. В связи с тем, что статистическое усреднение соответствует усреднению по времени, функция W(E) имеет резкий максимум при Е = Есреднее. Обозначим АЕ ширину прямоугольника, высота которого равна значению функции W(E) в точке максимума, а площадь равна единице, т.е.:
Трибосистема - открытая термодинамическая система
Из предыдущих рассуждений следует, что AS 0. Согласно второму закону термодинамики: AS] 0. Вещества присоединяются к телу со своей энтропией, поэтому AS2 0.
Величина AS3 может быть как отрицательной так и положительной. Например, при образовании твердых растворов до насыщения или стехиометри-ческих химических соединений, соответствующих равновесным диаграммам состояний, AS3 0. При образовании структурных и фазовых составляющих, отсутствующих на диаграммах состояний или прохождения химических реакций с отрицательным химическим сродством, AS3 0.
Сумма AS3 и ASj составляет общее производство энтропии, поэтому при отрицательном значении AS3: AS; - AS3 0 (2.7) Величина AS4, по-видимому, всегда отрицательна, т.к. уносящиеся при изнашивании вещества исчезают из системы со своей энтропией. Поэтому в (2.6) при AS4 стоит знак «минус».
Если считать, что при приработке происходит рост вторичных структур, то процесс изнашивания можно представить по следующей схеме. На трущейся поверхности оседают компоненты среды и контртела. Взаимодействуя друг с другом и с материалом трущегося тела, они образуют вторичные структуры, которые изнашиваются. Из условия роста вторичных структур следует, что изнашивается лишь их часть JJ, (JJ. 1). В соответствии с этой схемой: AS4 = iAS3 + AS2 + aAS5 (2.8), где: AS5 - изменение энтропии тела за счет износа его материала-основы. -51 Рассмотрим случай, когда: AS3 0 (2.9). Тогда с учетом (2.8) выражение (2.6) примет вид: AS = AS, + AS; + AS2 + AS3 - u]AS3- aAS2 - _iAS5 = = AS, + AS, + (1 - ji)AS3+ (1 - )AS2 - aAS5 (2.10). Единственный отрицательный член в правой части (2.10) - последний. Он в основном определяет износ трущегося тела.
Предполагая, что существует определенная величина снижения энтропии для реализации процесса самоорганизации [28] (в данном случае - образование вторичных структур), из (2.10) следует, что для прохождения самоорганизации необходим повышенный износ.
Рассмотрим случай, когда: AS3 0 (2.11). Тогда соотношение (2.6) будет выглядеть следующим образом: AS = AS, + AS, + AS2 - AS3 + (j,AS3 - AS2 - uAS5 = = AS, + AS, - (1 - n)AS3 + (1 - -i)AS2 - iAS5 (2.12). В правой части соотношения (2.12) два отрицательных члена: один связан с износом (fiAS5), Другой - с химическими превращениями в поверхностных слоях ((1 - i)AS3). Поэтому та же определенная величина снижения энтропии, что и в (2.10) будет достигнута при более низком износе трущихся тел. Отсюда следует вывод о том, что интенсивность изнашивания неравновесных (диссипативных) вторичных структур при прочих равных условиях будет меньше чем равновесных.
Необходимо отметить, что в соотношениях (2.6 - 2.12) AS3 входит как часть производства энтропии, поэтому, несмотря на знак «минус» перед AS3 в (2.12), разность: AS, - (1 - i)AS3 0 (2.13) должна быть положительной. Это означает невозможность компенсации прироста энтропии только ее снижением при неравновесных превращениях в по -52 верхностных слоях. То же самое можно сказать и об изменении структуры при пластической деформации. В процессе пластической деформации при трении происходит образование фрагментированной структуры [62]. При фрагментации дислокации, напряжения, следовательно и энергия деформации, локализуются по границам фрагментов, внутри фрагментов структура практически бездефектная [63]. Такая неравномерность распределения энергии деформации способствует снижению энтропии трущегося тела. Однако, это снижение энтропии является частью производства энтропии, которое в целом должно быть положительным. Поэтому при образовании и росте вторичных структур необходим износ трущегося тела.
В стационарном состоянии вторичные структуры и процессы, происходящие в них, стабилизируются. Количество пришедших во вторичные структуры веществ из окружающей среды и трущихся тел должно равняться количеству веществ, ушедших в процессе изнашивания, т.е. в стационарном состоянии \i = 1.
Продифференцировав изменение энтропии в соотношениях (2.10 и 2.12), получим скорость изменения энтропии (в дальнейшем для упрощения будет пропускаться символ А): При условии (2.9): dS dS, dS, dS, ІЛ . dS7 dS, rt1n dt dt at dt dt dt При условии (2.11): do do і do: cio-i ,. ч do , ,., . do с /r\ і r\ — = - + - - (l-M) + - (l-ju)-ju-r (2.15). dt dt dt dt dt dt В стационарном состоянии (2.14) и (2.15) будут выглядеть одинаково: dS _ j_ dSj _ dS _ Q (2 16) dt dt dt dt В соотношении (2.16) первые два члена правой части положительные. Последний член, характеризующий износ материала - основы трущегося тела, отрицательный. Таким образом, в стационарном состоянии для его поддержания обязательно будет существовать износ материала - основы.
Из (2.16) следует, что чем меньше производство энтропии при неизменном потоке энтропии, тем меньше будет интенсивность изнашивания материала-основы, в т.ч. в стационарном состоянии.
Ю.Л.Климонтович [23] обобщил теорему Пригожина о минимальном производстве энтропии на процессы самоорганизации. В его формулировке она звучит следующим образом: «Производство энтропии в новом устойчивом состоянии, возникшем после очередного неравновесного фазового перехода, меньше производства энтропии старого, но продолженного в неустойчивую область состояния системы». Приведенная формулировка и (2.16) подтверждают вывод о том, что при прочих равных условиях интенсивность изнашивания неравновесных вторичных структур меньше чем равновесных в устойчивом стационарном состоянии.
Экспериментальное наблюдение неустойчивости системы трения с токосъемом
Этот факт находится в противоречии с традиционными представлениями о том, что отложения графита на поверхности контактного провода способствует снижению интенсивности изнашивания обоих контактов [82].
В связи с этим были исследованы участки рабочих поверхностей провода, свободные от перенесенного углерода. На этих участках также был обнаружен углерод. Однако, он имел другое происхождение. Этот «внедренный» углерод был равномерно распределен по поверхности медной матрицы и присутствовал в ней либо в виде отдельных молекул, либо в виде мелких включений размером не более 1 мкм. Отдельные включения внедренного углерода не различаются на электронном микроскопе. Содержание внедренного углерода в медной матрице (% масс.) приведено в табл. 3.1.
Из результатов, приведенных в табл. 3.1 следует, что интенсивность изнашивания контактов увеличивается со снижением содержания внедренного углерода в медной матрице. Подобное поведение зависимости интенсивности изнашивания и содержания внедренного углерода в медной матрице от величины снимаемого тока позволяет предположить, что механизмы его появления различны при различных токах.
При токах меньше 20 А происхождение углерода в медной матрице адсорбционное. Он попадает в медную матрицу при адсорбции углекислого га -77 за на медной поверхности. Это подтверждается тем, что углерод в медной матрице присутствует и без трения (табл. 3.1). Причем содержание внедренного углерода до тока 20 А практически не зависит от величины тока и от наличия трения.
При токах более 20 А происходит рекристаллизация поверхностных слоев меди [75], что приводит к необратимому увеличению площади контакта и снижению концентрации адсорбированного углерода в меди.
Увеличение содержания углерода в медной матрице при токах более 70 А происходит, благодаря прохождению неравновесной реакции восстановления углерода из окислов углерода медью: 4Си + С02 = С + 2Си20 (3.7) 2Си + С02 = С + 2СиО (3.8) С прохождением этих реакций связана вторая неустойчивость на зависимости интенсивности изнашивания от величины тока (рис.3.2).
Согласно данным, приведенным в таблице 3.2 [57], сродство реакций (3.7), (3.8) при различных температурах отрицательно, поэтому они протекают вынужденно, только в неравновесных условиях. Эти реакции могут протекать в неравновесных условиях не только при трении с токосъемом, но и в процессе механического легирования меди и хрома. Процесс механического легирования характеризуется интенсивным энергетическим воздействием на смесь порошков. Поэтому при перетирании порошков возможно прохождение неравновесных процессов. После перетирания смеси порошков меди и хрома в полученной смеси было обнаружено до 4 % углерода [83], [84], [85], [86], [87].
Из данных таблицы 3.1 следует, что интенсивность изнашивания контактов уменьшается с увеличением содержания углерода в медной матрице. Положительная роль С02 отмечена в работах [88], [89]. В этих работах с помощью Оже-спектроскопии определяли состав вторичных структур на медных скользящих контактах при прохождении тока около 100 цА. При работе контактов в вакууме быстро наступало схватывание, а в атмосфере влажного С02 оно отсутствовало. На контактирующих поверхностях предположено образование мономолекулярных пленок С02 - Н2. В [90] отмечено положительное влияние С02 на интенсивность изнашивания и слабое влияние на среднюю величину коэффициента трения меди по меди. В [91] показано, что газообразные загрязнения атмосферы, в частности H2S способствует снижению интенсивности изнашивания и коэффициента трения благородных металлов (Au, Pt, Pd).
Положительная роль углерода отмечена при высокоскоростном скольжении стали по стали без смазки [92], [93]. Скорости скольжения менялись от 400 до 1500 м/с. Лучшей приспосабливаемостью материалы обладают при скоростях 730 и 880 м/с. В поверхностных слоях материалов (после скольжения при этих скоростях) обнаружено наибольшее содержание кислорода и углерода и наименьшее содержание материала - основы (железо). Это обеспечило наименьшую интенсивность изнашивания. Причем свободный углерод (около 4 % масс.) находится в поверхностных слоях в форме графита. Основным механизмом образования природного графита считается неравновесная реакция разложения двуокиси углерода [95]. Очевидно, прохождение этой неравновесной реакции обеспечивает снижение интенсивности изнашивания при скоростях скольжения 730 - 880 м/с. В поверхностных слоях стали после скольжения при скорости 1500 м/с. обнаружено сравнительно небольшое содержание свободного углерода. Однако, в них обнаружен сильно пересыщенный твердый раствор кислорода в стали (около 4 %). Очевидно, неравновесный процесс образования такого раствора обеспечивает значительный отвод энергии от зоны трения. Необходимо отметить, что следов оплавления по -79 верхностей после сухого трения со сверхзвуковыми скоростями не обнаружено.
Таким образом, прохождение реакций (3.7), (3.8) благотворно сказывается на износостойкости скользящих контактов. Следовательно, для снижения интенсивности изнашивания скользящих электрических контактов желательно, чтобы реакции (3.7), (3.8) начинались при более мягких условиях, т.е. до рекристаллизации.
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
Материал ВЖ-ЗП представляет собой спеченную пористую заготовку на основе смеси порошков железа (85-90%) и меди (10-15%), пропитанную сплавом Pb-5%Sn. Материал СГСО получают прессованием и спеканием соответствующей смеси порошков. При трении с токосъемом происходит интенсивный разогрев токосъемных материалов. Поэтому исследовалось изменение свойств, приведенных в таблице 4.1., а также массы и объема с температурой. При этом обращалось внимание на пороговую температуру резкого изменения какого-либо свойства.
Для определения температурной зависимости свойств из натурных вставок вырезались образцы формы куба одинакового объема размерами 25x25x25 мм. Образцы материала ВЖ-ЗП имели размеры 25x25x7 мм. На образцах определялись соответствующие свойства. Затем они разогревались в атмосферных условиях до температур 300, 500, 700, 900, 1100С. После охлаждения на них вновь измерялись свойства. Критическая температура материала определялась температурой резкого изменения какого-либо свойства.
На рис. 4.1-4.5 приведены зависимости от температуры нагрева отношения значений, соответственно, объема, массы плотности, удельного электрического сопротивления и твердости после нагрева до данной температуры к их значениям до нагрева.
После нагрева до 300С никаких заметных изменений в свойствах и внешнем виде не отмечено. После разогрева до 520С материалы на основе кокса и искусственного графита: УМБ, «Б», «A», MY7D стали рыхлыми и раскрошились. Материал на основе железа ВЖ-ЗП окислился, произошло выпотевание свинца. У материала СГСО интенсивно окислилась поверхность.
Из рис. 4.1 - 4.5 следует, что после нагрева до 300С значительных изменений в свойствах материалов не произошло. После нагрева до 500С значительные изменения в свойствах отмечены у материалов вставок «УМБ», «Б», «А» и MY7D. Твердость этих материалов уменьшилась в 2 - 5 раз. Материалы вставок «УМБ», «А» и MY7D потеряли около половины объема и более половины массы. Удельное электрическое сопротивление материалов «УМБ» и «Б» выросло более чем в 1,7 раза. Поэтому для этих материалов критическая температура составила 300 - 500С.
После нагрева до 700С значительные изменения в свойствах отмечены у материалов вставок ВЖ-ЗП, СГСО и RH83B. Объем, масса и твердость материала RH83B. уменьшились более чем в 2 раза. Удельное электрическое сопротивление материалов ВЖ-ЗП и СГСО увеличилось, соответственно, в 11 и в 7 раз. Поэтому для этих материалов критическая температура составила 500 - 700С. После нагрева до 1100С у материала вставок «С» отмечено уменьшение объема и массы в 6 раз. Поэтому для этого материала критическая температура составила 900 - 1100С.
Таким образом, лучшие прочностные свойства у материала MY7D, лучшие проводящие свойства у материала ВЖ-ЗП, наибольшая критическая температура у материала вставок «С».
На рис. 4.6 и 4.7 приведены зависимости интенсивности изнашивания токосъемных материалов и медного провода от тока. Из приведенных зависимостей следует, отсутствие прямой связи интенсивности изнашивания со свойствами материалов. Причем, свойства материалов могут отличаться на порядок, например удельное электрическое сопротивление материалов на основе металлов и углерода различаются на порядок, а интенсивность изнашивания находятся примерно на одном уровне (материалы «С» и ВЖ-ЗП). Материал MY7D, обладая лучшими прочностными свойствами имеет наибольшую интенсивность изнашивания. Какая-либо явная зависимость интенсивности изнашивания провода от свойств материалов также отсутствует. Медный провод в меньшей степени изнашивают материалы на основе графита. В большей степени его изнашивают материалы на основе угля и содержащие металл. Т.е. если какая-то закономерность зависимости изнашивания от материала существует, то она связана с составом материала.
В связи с этим в настоящей работе исследованы элементный и химический составы вторичных структур медных контактных проводов для определения их связи с износостойкостью различных материалов.
В работах [102], [103], [104], [105] состав и строение вторичных структур исследовалось с помощью электронной оже-спектроскопии и микроанализатора сканирующего электронного микроскопа. В настоящей работе для подобных исследований использованы более современные и информативные методы совмещенной электронной оже-спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и вторичной нейтральной масс-спектроскопий.
