Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные электроконтактные материалы на основе меди 10
1.1 Требования, предъявляемые к электроконтактным материалам вакуумных выключателей 10
1.2 Методы получения псевдосплавов 16
1.3 Тенденции развития композиционных электроконтактных материалов на основе меди с тугоплавкой компонентой 20
Глава 2. Постановка задачи и методики экспериментальных исследований 30
2.1 Постановка задачи 30
2.2 Методики экспериментальных исследований 31
2.2.1 Определение технологических свойств порошков 31
2.2.2 Приготовление смесей порошков. 32
2.2.3 Грануляция шихты 33
2.2.4 Приготовление образцов 33
2.2.5 Определение плотности и пористости материала 33
2.2.6 Определение физико-механических свойств 34
2.2.7 Морфологический и металлографический анализ 35
2.2.8 Химический анализ. Определение содержания кислорода. Определение содержания хрома и меди . 36
2.2.9 Рентгенографический анализ 37
2.2.10 Микрорентгеноспектральный анализ 38
2.2.11 Определение удельного электросопротивления 39
2.2.12 Определение наличия (отсутствия) трещин в материале 40
2.2.13 Статистическая обработка результатов 41
Глава 3. Свойства исходных материалов композиционной системы Cu-Cr 41
3.1 Исследование свойств исходных порошков для получения электроконтактных материалов 41
Глава 4. Исследование процессов уплотнения при приготовлении шихты композиционной системы Cu-Cr 53
4.1 Экспериментальные исследования 53
4.2 Теоретические расчеты 57
Глава 5. Исследование гранулирования шихты состава Cu-35%Cr 69
5.1 Расчет массовой доли пластификатора 69
5.2 Грануляция шихты Cu-35%Cr 71
5.3 Исследование уплотняемости шихты с различным содержанием пластификатора . 71
Глава 6. Исследование структуры и свойств электроконтактного материала системы Cu-Cr 75
6.1 Исследование формирования структуры материала Cu-Cr 75
6.2 Исследование влияния тугоплавкой компоненты на физико-механические свойства материла Cu-Cr 81
Глава 7. Исследование влияния механоактивации на структуру материала Cu-35%Cr 88
7.1 Исследование структуры механоактивированного композиционного материала Cu-35%Cr 88
7.2 Исследование физикомеханических свойств механо- активированного композиционного материала Cu-35%Cr 95
Заключение 102 Список использованной литературы 104
Приложение 110
- Тенденции развития композиционных электроконтактных материалов на основе меди с тугоплавкой компонентой
- Определение технологических свойств порошков
- Химический анализ. Определение содержания кислорода. Определение содержания хрома и меди
- Исследование уплотняемости шихты с различным содержанием пластификатора
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Вакуумные дугогасительные камеры (ВДК) предназначены для комплектации коммутационных аппаратов переменного тока (силовых выключателей, выключателей нагрузки, контакторов и др.), рассчитанных на напряжение от 0,4 до 35 кВ при токах отключения от 5 до 40 кА и номинальной силе тока от 400 до 2000 А.
Вакуумные выключатели с электрическими контактами из псевдосплавов системы Cu-Cr успешно работают в диапазоне напряжений до 35 кВ и токов до 40 кА, постепенно вытесняя масляные и воздушные, благодаря своей высокой надежности, большому сроку службы и простоте технического обслуживания.
В настоящее время разработкой и выпуском электроконтактных материалов Cu-Cr занимаются ведущие российские и зарубежные электротехнические компании: ОАО «Полема», завод «Диском», «Научный центр порошкового материаловедения» (г. Пермь), General Electric Company, Westinghouse Electric Company, Siemens, DODUCO и др.
Цель работы.
Целью данной работы было исследование закономерностей реологии и фазообразования в системе Cu-Cr; исследование структуры и свойств электроконтактных материалов; разработка материала для изготовления электрических контактов вакуумных дугогасительных камер.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-
Выбор исходных материалов для изготовления методом порошковой металлургии композиционного материала электроконтактного назначения с учетом химического и гранулометрического составов исходных дисперсных материалов и соотношения цена - качество;
-
Исследование и оптимизация процессов подготовки порошков, их смешивания, закономерностей изменения технологических характеристик смесей;
-
Исследование процессов консолидации порошковых смесей системы Cu-Cr из исходных материалов;
-
Исследование структуры и свойств композиционных материалов системы CuCr с целью получения материала электроконтактов (ВДК) с оптимальным комплексом эксплуатационных свойств;
-
Исследование возможности повышения дисперсности структуры псевдосплава Cu-Cr посредством механоактивации; исследование процессов фазообразования в механоактивированной компзиции Cu-Cr.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Исследовано изменение характера укладки частиц в двухкомпонентных порошковых смесях системы Cu-Cr в зависимости от соотношения компонентов в смеси. На конкретных исходных порошках найдено соотношение компонентов с наиболее плотной укладкой частиц смеси.
Исследовано изменение характера структуры и физико-механических свойств псевдосплавов системы Cu-Cr в интервале составов от Си-10 вес.%Сг до Си-60 вес.%Сг.
Исследовано влияние механоактивации на структуру и свойства композиции Си-35 вес.%Сг, в том числе на фазообразование.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
Разработан материал композиции Си-35 %Сг, обладающий следующими свойствами: относительной плотностью 96 %, твердостью не ниже 78 НВ, пределом прочности на растяжение не менее 270 МПа, электропроводностью 38 % от электропроводности меди, содержанием примесей по кислороду менее 0,07%. Свойства разработанного псевдосплава обеспечивают его надежную работу в качестве материала электроконтактов вакуумных дугогасительных камер.
Разработана технология получения заготовок электрических контактов ВДК из материала композиции Си-35 %Сг.
Освоено производство и осуществляется поставка заготовок электроконтактов предприятиям.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Экспериментально установленные зависимости: уплотнения шихты системы Cu-Cr от весового соотношения компонентов; уплотнения гранулированной порошковой смеси композиции Си-35 %Сг от весовой доли пластификатора.
-
Закономерности формирования структуры в системе Cu-Cr с различным соотношением фаз и механоактивированной композиции Си-35 %Сг.
-
Зависимости физико-механических свойств композиционных материалов системы Cu-Cr от весовых соотношений компонентов и механоактивированной композиции Си-35 %Сг от продолжительности механоактивации, полученных твердофазным спеканием.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, организации и проведении экспериментальных и исследовательских работ, интерпретации и обобщении полученных результатов.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий, Миасс, 2006; Международная конференция «Новые перспективные материалы и технологии», Россия, Волгоград, 2007; VII Московский международный салон инноваций и инвестиций, Москва, 2007.
Работа выполнена в Научном центре порошкового материаловедения ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет» в рамках проекта «Разработка процессов, создание технологии получения электроконтактных материалов на основе Cu-Cr композиции и изделий на их основе для экстремальных условий эксплуатации, организация производства наукоемкой продукции» (№ гос. регистрации 0120.0502709), выполняемого по заданию Министерства образования и науки РФ.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК. Получен патент РФ на изобретение.
Автор имеет публикации в журналах ВАК по смежным тематикам: 3 статьи.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 63 наименований, приложения с актом испытаний. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, и 8 таблиц.
Тенденции развития композиционных электроконтактных материалов на основе меди с тугоплавкой компонентой
Современные работы в области ВДК направлены на то чтобы, повысить разрывную мощность выключателя (коммутирующую способность) существующих камер [6, 12], снизить размеры при ровной коммутирующей способности, снизить стоимость производства и улучшить процесс производства. При решении этих задач встречается ряд трудностей, обусловленных работой контактов в вакууме: отсутствием теплообмена контактов с окружающей средой; газоотделением контактов при нагреве их энергией, выделяемой в дуге; повышенной свариваемостью металлов в вакууме; срезом тока при отключении небольших токов (до 100 А) [3, 12, 13]. Поэтому необходимо совершенствование материалов, основанное на их микроструктуре и правильном сочетании компонентов [20].
Для композиций системы Cu-Cr характерен матричный тип структуры при фиксируемой фрагментации частиц (чешуек в случае электролитического хрома) тугоплавкой составляющей [21]. Свойства таких материалов зависят от соотношения тугоплавкой и легкоплавкой составляющих, равномерности распределения частиц хрома и прочности связи на их границе раздела [9, 12, 22]. На основе анализа патентной и другой технической литературы можно выделить следующие основные тенденции развития электроконтактных псевдосплавов, в том числе системы Cu-Cr: повышение свойств системы Си-Cr путем легирования и создание псевдосплавов с мелкодисперсной структурой.
Один из наиболее эффективных способов повышения адгезионных характеристик и других свойств материала является легирование [22].
Прочность связи на границе фаз Cu-Cr имеет большое влияние на свойства материала в целом. Уменьшение прочности связи на межфазной границе приводит к понижению электропроводности, нестабильности и снижению уровня механических свойств материалов. Трудности обеспечения совершенного металлического контакта решаются путем дополнительного легирования матрицы.
В работах [23, 24] исследовано влияние добавок, введенных в расплав меди, на смачивание и формирование переходной зоны. Показано, что независимо от характера взаимодействия в бинарных системах хрома и меди с добавками контактный угол уменьшается по сравнению с системой Cu-Cr. Однако следует отметить, что легирование матрицы для улучшения смачивания не всегда допустимо, так как уменьшает проводимость контактного материала.
Так же легирование псевдосплавов проводят с целью предотвращения свариваемости контактов и уменьшения тока среза. Сваривание рабочих поверхностей контактов - аварийный процесс, в результате которого коммутирующие контакты теряют способность к размыканию без постороннего вмешательства. Следует различать два процесса, приводящих к свариванию замкнутых контактов.
Первый процесс обусловлен тем, что материал контактов в районе их соприкосновения плавится, а потом застывает (благодаря высокой теплопроводности) и сваривается, образуя сплошной металлический мостик. Плавление может быть вызвано действием дуги, а также выделением большого количества тепла в результате, например, перегрузок или медленного движения контактов при включении. Второй процесс может возникнуть и при температуре ниже температуры плавления металла, когда силы молекулярного сцепления между контактами значительны. Это явление называется холодным свариванием [4].
Для уменьшения нагрева и устранения опасных перегревов мест касания контактов, приводящих к их свариванию, контактный материал должен обладать высокой электро - и теплопроводностью, умеренной пластичностью, высокой температурой рекристаллизации и плавления, малой прочностью на разрыв. Высокая теплопроводность способствует быстрому отводу тепла от мест касания контактов и тем самым обеспечивает поддержание относительно низкой температуры в областях стягивания тока и снижает вероятность диффузионной сварки контактов. Этому же способствует высокая электропроводность и пластичность материала контактов, так как они определяют величину переходного сопротивления. Высокая теплопроводность особенно существенна, когда на контакты воздействует вакуумная дуга размыкания. Быстрый отвод тепла от опорного пятна дуги способствует выравниванию и снижению температуры поверхности контакта и тем самым успешному гашению дуги при первом переходе переменного тока через нуль. Однако, необходимо учитывать, что слишком высокая теплопроводность материала контактов неблагоприятна в отношении возможности возникновения перенапряжения при быстром распаде плазмы дуги, что проявляется особенно резко, если материал контакта обладает низкой упругостью пара [3].
По мнению авторов [3], наиболее перспективным является легирование меди легкоплавкими металлами, нерастворимыми в ней в твердом состоянии, например, висмутом (менее 2 %). В работе [25] для уменьшения свариваемости контактов Cu-Cr было предложено легирование Те. Показано, что содержание Те в CuCr50 более чем 0,025 %, уменьшает силу привариваемости с 288 МПа до 120 МПа.
В работе [26] сопротивление свариваемости и эрозии контактов CuCr25 повышали введением 1 % W и 2 % NL Легирование Те, W и Ni способствует измельчению структуры и повышению ее однородности, а так же повышению температуры рекристаллизации [25, 26].
При отключении в вакууме малых переменных токов порядка 10 ампер и меньше может произойти срез тока, т.е. обрыв вакуумной дуги до перехода через нулевое значение. Величина тока среза в общем случае зависит от параметров электрической цепи, самого выключателя и материала контактов [27].
Определение технологических свойств порошков
Отбор проб порошков производили согласно ГОСТ 23148-78. Определение размера частиц металлических порошков производили в соответствии с ГОСТ 23402—78 при использовании оптических микроскопов "Neophot-21" и «МЕТАМ ЛВ-31». Погрешность определения не превышает 3%. Исследования производили с использованием рекомендаций [50; 51; 52].
Гранулометрический состав порошковых материалов определяли на микроскопе «МЕТАМ ЛВ-31» с помощью программы цифровой обработки и анализа изображений «ВидеоТест 4.0» и методики «Гранулометрия». В основе анализа лежит оптическая микроскопия, обеспечивающая прямое измерение частиц по областям, содержащим не менее 200 частиц. Диапазон измерения частиц 1-100 мкм. Препарат из частиц готовили следующим образом: коллоидную пленку наносили тонким слоем на предметное стекло, частицы порошка перемешивали в небольшом количестве спирта на ультразвуковом диспергаторе УЗДН-2Т, диспергированые частицы порошка пипеткой наносили на коллоидную пленку.
При определении размера частиц в выбранной области определяли следующие параметры: а) размер частиц — по среднему диаметру, измеренному по 20 направлениям (от 0 до 171); б) фактор формы частиц где S— площадь частицы, Р — периметр частицы, Fc = 1 (для круга). У порошков и их смесей определяли общепринятые технологические характеристики: насыпную плотность (yj на волюмометре по ГОСТ 19440 -89 и плотность после утряски (уу) по ГОСТ 25279-88. Рассчитывали относительную плотность смесей (С,) по формуле (2.2): где ук - плотность компактной смеси порошков, которая находится по формуле (3): где л , и yKi соответственно массовая доля и плотность компактного материала / - того порошка в смеси из п компонентов. Погрешность определения насыпной плотности 0,5 %. Прессуемость исследовали согласно ГОСТ 25280 - 82. Прессовки диаметром 10 и 20 мм получали в стальных закрытых пресс-формах методом однократного холодного двустороннего прессования на гидравлических прессах П-125 и П-400.
Шихта композиций порошков Си и Сг смешивалась в смесителе со смещенной осью вращения. Скорость вращения 35 об./мин. Для улучшения смешивания в емкость смесителя добавлялись мелющие тела из нержавеющей стали «Г» - образной формы. Масса мелющих тел составляла 20 % от массы шихты. Для получения высоконеравновесных порошковых композиций Cu-Cr использован двухконусный смеситель со смещенной осью вращения объемом 1,5 дм3 с мелющими телами из стальных шаров диаметром 10 мм. Соотношение массы шихты и мелющих тел 1:30. Скорость вращения смесителя 60 об./мин.
Под действием центробежных сил шары и частицы обрабатываемого материала участвуют в двух типах движения: хаотическом, с характерным масштабом порядка диаметра шара, обусловленном соударениями с соседями, и крупномасштабном вихревом движении, с характерным масштабом порядка радиуса банки смесителя, обусловленном действием центробежных сил в ограниченном объеме смесителя. Такой характер движения обеспечивает качественное смешивание шаров и обрабатываемого материала в смесителе, а так же процесс дробления частиц.
Процесс грануляции порошка состоит в смешивании порошка с пластификатором и уплотнении пластифицированного порошка давлением. В гранулированной с пластификатором шихте устраняется расслоение. Повышается прочность прессовок из гранулированной шихты. Пластификатор в виде 2 % раствор каучука в бензине заливали в перемешанную шихту, затем смесь подсушивали при t = 80 С для удаления растворителя. Высушенную смесь протирали через сито с размером ячейки 400 мкм.
Заготовки образцов получали в стальных закрытых пресс-формах методом однократного холодного двустороннего прессования на гидравлических прессах П-125 и П-400 в диапазоне давлений 600 - 800 МПа. Спекание и отжиг образцов осуществляли в вакууме не хуже 10" Па в диапазоне температур 980- 1070 С. Образцы одной партии обрабатывались за один режим.
Плотность и пористость прессованных заготовок и спеченных порошковых материалов рассчитывали по результатам геометрического обмера и взвешивания образцов, а также методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 18898-78 из расчета 3 — 5 образцов на точку.
Обмер образцов осуществляли при помощи микрометра с точностью 0,01 мм, взвешивание производили на весах ВЛА-200М с точностью 0,001 г. Расчетные значения относительной плотности (в) и пористости (Л) определялись исходя из предположения аддитивного вклада каждой из компонент. Расчетную плотность компактного материала определяли по формуле (3), относительную плотность рассчитывали по формуле (4) где у- плотность заготовки или спеченного образца, ук - плотность компактного материала. Пористость рассчитывали по формуле (5) где в- относительная плотность компактного материала. Погрешность измерений не превышала 0,25 %.
Механические свойства порошковых псевдосплавов на основе меди были оценены по результатам испытаний на растяжение при комнатной температуре, а также измерением твердости НВ (по Бриннелю), и микротвердости HV (по Виккерсу). Растяжение образцов проводили на разрывных машинах модели Hekkert FP100/1 по ГОСТ 18227-85. Скорость нагружения составляла 2 мм/мин.
Химический анализ. Определение содержания кислорода. Определение содержания хрома и меди
Определение кислорода и азота в образцах проводится по методу восстановительного плавления или горячей экстракции по ГОСТ 27417-87. Для достижения быстрого выделения кислорода и азота образец переводят в жидкую фазу. Выделение азота из расплава в принципе возможно при воздействии высокой температуры, кислород же обычно выделяется лишь в результате реакции с восстановителем (графитовый тигель). При плавлении образца кислород, содержащийся в образце, взаимодействует с углеродом тигля до образования оксида углерода СО. Процесс анализа методом восстановительного плавления включает три этапа: выделение газообразующих элементов в газовую фазу, перевод газовой смеси в анализатор и определение отдельных компонентов смеси. Газ-носитель гелий очищается и поступает в печь. Выделившиеся СО, N2, Нг вместе с газом-носителем гелием проходят через пылевую ловушку. Измерение основано на разности теплопроводности Не и N2. Сравнительный поток чистого гелия проходит через ячейку теплопроводности параллельно с анализируемым газом. Количественное содержание компонент в композициях материала определяли методом спектрального анализа на компактном универсальном спектрометре «СПАС-01». Метод основан на явлении излучения атомами анализируемого материала в инфракрасном диапазоне волн под действием дугового или искрового разрядов в атмосфере воздуха или аргона, разложении излучения в спектр и регистрации аналитических сигналов пропорциональных интенсивности спектральных линий. Массовые доли элементов определяются с помощью градуировочных характеристик по ГОСТ 23328-95.
Поверхность образца обрабатывают на шлифовальном станке. Подготовленная поверхность должна быть ровной, гладкой, без пор, трещин, очищена от загрязнений (пыль, остатки материалов, применявшихся при шлифовании и т. п.) и иметь площадь не менее 1 см2. Подготовку анализируемой поверхности проводят непосредственно перед анализом. Образец и электрод закрепляют держателями, выставляют необходимое расстояние между ними, закрывают камеру и вызывают электрический разряд между электродом и исследуемым образцом. Регистрирующей системой проводится анализ излучаемого спектра. На каждом исследуемом образце проводится последовательно 3-5 испытаний. За результат проведенных испытаний принимают результат регистрации излучаемого спектра, выраженный в единицах массовой доли элемента. Расчет массовой доли содержания химического элемента в образце производится аналитически по регистрируемой интенсивности спектральных линий с помощью программного обеспечения. По результатам расчета выдается таблица с химическим составом образца в массовых долях. Расхождение между результатами параллельных измерений определяется по среднеквадратичному отклонению, также рассчитываемому с помощью программного обеспечения. Рентгенографический фазовый анализ проводили на образцах диаметром 10 мм и высотой 5 мм на дифрактометрах ДРОН - 4 - 13, ДРОН -ЗМ с использованием А - излучения кобальтового анода с графитовым монохроматором. Ошибка в определении фазового состава рентгеновским методом была на уровне чувствительности метода, т.е. около 5 % [55].
Период решетки определяли рентгенографически на дифрактометре ДРОН-4-13, используя Ка- излучение кобальтового анода с графитовым монохроматором. Исследовали линии с в, близким к 90. Съемку вели по точкам с шагом 0,02-0,05 мин. Неоднородность распределения элементов фазовых составляющих в исходных, легированных и механоактивированных образцах устанавливали, используя методику, разработанную в [56], на модернизированном микрорентгеноспектральном анализаторе марки MAP - 2, в котором перемещение образца и запись результатов измерения автоматизированы. Локальность метода 10-100 мкм при диаметре пучка электронов 1,5 мкм. [56]. Измерение интенсивности характеристического рентгеновского излучения меди и хрома проводили в 200 - 300 точках, равномерно распределенных на двух квадратных участках площадью 25 мм" каждый. Результаты измерений обрабатывали на персональном компьютере. Количество элементов оценивали по интенсивности излучения элемента в исследуемом образце и эталоне. Расчет вели по формуле: где Са - массовая доля исследуемого элемента; 1а - интенсивность излучения исследуемого образца; 10 - интенсивность излучения эталона; М -коэффициент, учитывающий разницу между атомными номерами исследуемого элемента и основного металла. В качестве меры неоднородности был принят коэффициент вариации концентрации V: где а - среднеквадратическое отклонение концентрации определяемого элемента от среднего значения; т - среднеарифметическое значение концентрации элемента. В зависимости от концентрации элемента ошибка составляла 10 — 15 %. Линейное сканирование по двум элементам легирующих компонентов осуществляли на установке MAP —3, обеспечивающей одновременную регистрацию двух элементов с записью изменения концентрации на диаграммной ленте и экране электронно-растрового устройства. Предельная чувствительность микроанализа составила 10"2—10"3%. Аппаратурная ошибка не превышала 1,5 %. Электросопротивление материала определяли на специально изготовленных образцах с помощью миллиомметра марки «GOM-802».
Принцип действия прибора основан на измерении падения напряжения цифровым вольтметром на измеряемом сопротивлении при протекании через него калиброванного значения тока (так называемая 4-х проводная, методом амперметра-вольтметра, схема измерения сопротивления). К исследуемому образцу прикладываются щупы, к которым подводится калиброванный электрический ток. Прибор производит измерение падения напряжения на концах образца и автоматически рассчитывает напряжение по формуле: где U— измеренное значение падения напряжения; /— калиброванный ток, протекающий через исследуемый образец. Поскольку в миллиомметре значения калиброванных токов выбраны кратными «1», то сопротивление определяется как: где U— измеренное значение падения напряжения; к — коэффициент учитывающий размерность измеренного сопротивления. Значение измеренного электросопротивления образца индицируется на дисплее прибора. Электропроводность образцов исследуемого материала определяли в сравнении с электропроводностью контрольного образца из отожженной меди. Электропроводность образца вычисляли по формуле: где у — электропроводность заготовки в % от электропроводности контрольного образца меди; Rcp - среднее арифметическое значение электросопротивления образцов исследуемого материала; RCu — электросопротивление контрольного образца меди. Погрешность измерения электропроводности — не боле 3 %. Сплошность образцов определяли ультразвуковым толщинометром марки UT-301. Принцип работы толщиномера основан на ультразвуковом импульсном эхо-методе измерения, который использует свойства ультразвуковых колебаний отражаться от границы раздела сред с разными акустическими сопротивлениями.
Толщиномер при известном значении толщины изделия может использоваться для измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний (УЗК) в материале изделия. Скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале изделия связана с толщиной изделия и временем распространения УЗК от одной грани изделия до другой и обратно зависимостью: где d - толщина изделия; t - время распространения УЗК от одной грани изделия до другой и обратно. После определения скорости распространения УЗК в материале изделия можно исследовать образцы на наличие (отсутствие) в них несплошностей (трещин). При наличии трещин значение скорости распространения УЗК в образце измеренное прибором будет в несколько раз ниже скорости распространения УЗК в материале, из которого изготовлен образец, поскольку УЗК будут отражаться не от противоположной границы образца, а от трещины внутри образца.
Исследование уплотняемости шихты с различным содержанием пластификатора
Средний размер частиц порошка меди 40 мкм, порошка хрома, 30 мкм. Изображение частиц порошков приведено на рисунке 14 главы 4.
В процессе грануляции происходит уплотнение частиц шихты. Полости частиц меди, имеющих дендритную форму, заполняются дендритными отростками соседних частиц меди и более мелкими частицами хрома. Благодаря введенному пластификатору, происходит скольжение частиц относительно друг друга и улучшается смешивание. В образованных конгломератах, частицы расположены более плотно друг к другу, чем до грануляции, равномерность распределения частиц меди и хрома выше, чем в исходной шихте. Гранулированные частицы имеют округлую форму, что повышает насыпную плотность шихты при засыпке. Все перечисленные факторы вызывают улучшение прессуемости шихты.
Зависимость плотности прессовок из шихты, гранулированной с различным содержанием пластификатора, от давления прессования представлена на рисунке 17. При давлениях от 500 до 700 МПа имеет место пластическая деформация гранул и уменьшение объема межгранульных пор. При давлениях выше 700 МПа межгранульные поры исчезают, что означает исчезновение гранул как структурных единиц заготовок. С дальнейшим увеличением давления прессования имеет место уплотнение заготовки в целом за счет уменьшения межчастичной пористости. Уменьшение межчастичной пористости обусловлено либо пластической деформацией частиц, либо возрастанием координационного числа частиц [60]. Из графиков зависимости плотности прессовок от давления прессования видно, что добавление в шихту 0,22 % пластификатора сопровождается увеличением относительной плотности на 0,05 г/см , добавление 0,43 % пластификатора, -увеличением на 0,1 г/см по сравнению с плотностью прессовок из исходной шихты. Таким образом, добавление пластификатора и гранулирование шихты Си-35 %Сг, вызывает уменьшение межчастичной пористости, обусловленное более равномерным распределением пластичных частиц Си и твердых частиц Сг в шихте.
Зависимость плотности прессовок из гранулированной шихты от весового содержания введенного в шихту пластификатора представлена на рисунке 18.
Из предварительных расчетов ((48)-(50)) получено, что для заполнения всех пор в прессовке из исходной шихты Си-35 %Сг потребуется 0,86 вес.% каучука. На кривых зависимости плотности (рис. 18) выявлено наличие максимума при содержании каучука 0,43 вес.%, что составляет Vi от расчетной массы каучука, необходимой для заполнения всех пор. Таким образом, при достижении доли пластификатора Vi расчетной массы, процесс грануляции распространится на весь объем шихты Си-35 %Сг. Дальнейшее увеличение содержания каучука пойдет на заполнение межгранульных пор, что будет уменьшать относительную плотность прессовок.
Таким образом, экспериментально определено оптимальное количество пластификатора, при котором прессовки приобретают наибольшую плотность. Оптимальное количество пластификатора составляет Уг от объема пор в п прессовке из негранулированной шихты.
Поскольку гранулирование увеличивает относительную плотность прессовок на десятые доли процента, а невыгоревший при спекании пластификатор понижает электропроводность материала, было принято решение отказаться от гранулирования шихты Си-35 Сг в дальнейших технологических разработках. Свойства композиционного материала Cu-Cr определяются соотношением тугоплавкой и легкоплавкой составляющей. Исследованы структура и свойства композиционного материал состава Cu-Cr, полученного методами порошковой металлургии, на стадии твердофазного спекания. Выявлено соотношение электропроводящей Си и тугоплавкой Сг компонент, задающее оптимальное сочетание свойств композиционного материала Cu-Cr, позволяющее использовать псевдосплав в качестве материала для изготовления электрических контактов высоковольтных вакуумных дугогасительных камер.
Максимальную плотность укладки частиц имеет шихта композиции Си-35вес.%Сг. Проведено исследование композиционного материала Cu-Cr в диапазоне составов от 10 до 60 %Сг с целью выявления композиции с оптимальным сочетанием свойств применительно к материалу электроконтактов ВДК.
В приведенных в Главе 4 результатах исследований показано, что с увеличением весового содержания Сг в шихте с 10 до 60 % относительная плотность прессованных образцов уменьшается. Однако, уменьшение относительной плотности прессовок по мере увеличения весового содержания Сг происходит не монотонно. В области 35 % весового содержания Сг имеет, как и на зависимости насыпной плотности, место локальный максимум или точка перегиба. Структура композиционного материала формируется в процессе спекания. Проведены режимы спекания композиций Cu-Cr в вакууме при температурах 1000 С и 1050С в течение 1ч и 3 ч. Спекание позволяет прессовке принять более термодинамически устойчивое состояние вследствие усадки, сокращения поверхности спекаемых частиц, снятия искажений. Процесс спекания связан главным образом с ростом межчастичных контактов.
Имеющее место до спекания изменение характера зависимости на отрезке от 30 до 40 вес.%Сг, с точкой перегиба при весовом содержании Сг -35 %, сохранилось и стало более выраженным (рис. 19).
