Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор литературы 7
1.1 Материалы для электрических коммутирующих контактов 7
1.2 Порошковые материалы серебро-графит - одна из основных групп контактных материалов для низковольтной аппаратуры 10
1.3 Структура контактных материалов серебро-графит 13
1.4 Влияние структуры порошковых материалов на контактные свойства 17
1.5 Контактные свойства порошковых материалов серебро-графит с анизотропной структурой 20
2. Объект исследования и методики проведения эксперимента 26
2.1 Объект исследования 26
2.2 Методики проведения эксперимента 31
2.2.1 Методика исследования структуры и свойств материалов серебро-графит, полученных методом экструзии 31
2.2.2 Аппаратурное оформление и методика экспериментального исследования контактных свойств 33
2.2.3 Статистическая обработка результатов испытаний 38
3. Оценка теплопроводности материалов серебро-графит с анизотропной структурой 41
3.1 Влияние теплопроводности на эрозионную стойкость контактного материала 41
3.2 Расчет теплопроводности материалов серебро-графит 44
3.2.1 Основы теоретического исследования теплопроводности композиционных материалов 44
3.2.2 Постановка задачи 46
3.2.3 Приближенный метод расчета теплопроводности 50
3.2.4 Результаты расчета коэффициентов теплопроводности материалов серебро-графит с анизотропной структурой 55
3.3 Результаты измерений коэффициентов теплопроводности материалов серебро-графит с анизотропной структурой 57
4. Структура и свойства контактных материалов серебро-графит, получаемых методом экструзии 60
4.1 Структурообразование при получении контактных материалов серебро-графит методом экструзии 60
4.1.1 Типичные признаки анизотропной структуры порошковых контактных материалов серебро-графит 60
4.1.2 Влияние коэффициента вытяжки при экструзии на структуру контактных материалов серебро-графит 62
4.1.3 Влияние размера серебряного порошка на структуру контактных материалов серебро-графит, получаемых методом экструзии 70
4.1.4 Влияние содержания графита на структуру контактных материалов серебро-графит, получаемых методом экструзии 72
4.2 Результаты измерения плотности, твердости, данные рентгеноструктурного анализа контактных материалов серебро-графит 74
4.3 Изучение изменений структуры на поверхности контактов серебро-графит, полученных методом экструзии, после электроэрозионных испытаний 79
5. Исследование контактных свойств материалов серебро-графит, получаемых методом экструзии 85
5.1 Эрозионная стойкость контактных материалов серебро-графит, получаемых методом экструзии 85
5.1.1 Влияние анизотропии структуры контактных материалов серебро-графит на эрозионную стойкость 85
5.1.2 Влияние содержания графита на эрозионную стойкость контактных материалов серебро-графит с анизотропной структурой 90
5.1.3 Влияние размера серебряного порошка на эрозионную стойкость контактных материалов серебро-графит, получаемых методом экструзии 92
5.1.4 Влияние продолжительности испытаний на эрозионную стойкость контактных материалов серебро-графит, получаемых методом экструзии 94
5.1 .5 Сравнительный анализ эрозионной стойкости контактных материалов серебро-графит, полученных методом экструзии, и методом прессования-спекания 96
5.2 Стойкость к свариванию материалов серебро-графит, получаемых методом экструзии 98
5.2.1 Влияние анизотропии структуры на стойкость к свариванию контактных материалов серебро-графит 98
5.2.2 Влияние содержания графита и размера исходного порошка серебра на стойкость к свариванию материалов серебро-графит с анизотропной структурой 100
5.3 Обсуждение полученных результатов 102
6. Рекомендации по разработке и применению порошковых контатных материалов серебро-графит, получаемых методом экструзии. практическая реализация результатов работы 114
Выводы 119
Список использованных источников 121
Приложение 131
- Порошковые материалы серебро-графит - одна из основных групп контактных материалов для низковольтной аппаратуры
- Методика исследования структуры и свойств материалов серебро-графит, полученных методом экструзии
- Основы теоретического исследования теплопроводности композиционных материалов
- Результаты измерения плотности, твердости, данные рентгеноструктурного анализа контактных материалов серебро-графит
Введение к работе
Порошковые контактные материалы серебро-графит, содержащие до 5 масс.% графита, широко применяются в низковольтной коммутационной аппаратуре (НВА) в качестве неподвижных контактов автоматических выключателей. Электрические контакты из этих материалов изготавливаются российскими предприятиями традиционным для порошковой металлургии методом прессования-спекания. Такие контакты имеют низкое и стабильное контактное сопротивление, отличаются высокой стойкостью к свариванию, необходимой для отключения токов короткого замыкания и токов перегрузки в аварийных ситуациях при эксплуатации электрических сетей. Вместе с тем, по сравнению с контактами из других материалов, применяемых в НВА (например, серебро-никель, серебро-оксид кадмия), контакты серебро-графит обладают более низкой эрозионной стойкостью. Это приводит к повышенному износу контактного материала, перерасходу драгоценного металла - серебра и, как следствие, к снижению срока эксплуатации НВА. Основными причинами низкой эрозионной стойкости являются недостаточно высокие плотность и механическая прочность материалов серебро-графит, получаемых методом прессования-спекания.
Одним из направлений повышения плотности и механической прочности материалов серебро-графит является применение метода экструзии. Сущность метода заключается в выдавливании предварительно спрессованной и спеченной заготовки через фильеры значительно меньшего сечения. Плотность контактов, изготовленных из полуфабрикатов (прутков или полос), полученных методом экструзии, близка к теоретической, а их твердость и электропроводность выше, чем у контактов, полученных методом прессования-спекания. Такие контакты имеют анизотропную структуру за счет того, что включения графита располагаются в материале вдоль оси экструзии. В зависимости от способа изготовления контактов из прутков, можно добиться определенного расположения включений по отношению к рабочей
6 поверхности. Известно, что контактные материалы серебро-графит, имеющие различную ориентацию включений графита, могут обладать различной эрозионной стойкостью и стойкостью к свариванию.
Тем не менее, метод экструзии не нашел пока широкого распространения при изготовлении контактов для НВА. В частности, контакты серебро-графит, изготовленные из полуфабрикатов, полученных методом экструзии, практически не применяются и лишь в небольших количествах производятся в России. Причиной тому является отсутствие научно-обоснованных, подтвержденных экспериментальными данными рекомендаций по разработке контактных материалов серебро-графит с прогнозируемым и регулируемым уровнем контактных свойств. Сведения о влиянии ориентации включений на контактные свойства материалов серебро-графит немногочисленны, результаты получены на установках, различающихся по принципиальному устройству и режимам испытаний, и потому трудно сопоставимы, а зачастую противоречивы. Недостаточно изучены вопросы структурообразования контактных материалов серебро-графит при экструзии, взаимосвязи формируемой структуры со свойствами контактов. Ограничены сведения о влиянии вытяжки при экструзии на структуру и контактные свойства материалов серебро-графит. Остаются не выясненными сами причины влияния анизотропии структуры (преимущественной ориентации включений графита) на эрозионную стойкость и стойкость к свариванию.
В связи с этим, изучение контактных материалов серебро-графит, получаемых методом экструзии, и создание из них электрических контактов с регулируемым уровнем контактных свойств является актуальной научно-технической проблемой.
Таким образом, целью настоящей работы заключалась в разработке новых технологических решений получения порошковых контактных материалов серебро-графит с повышенным уровнем контактных свойств, достигаемым методом экструзии.
Порошковые материалы серебро-графит - одна из основных групп контактных материалов для низковольтной аппаратуры
Материал серебро-графит является одним из основных материалов для электрических контактов, использующихся в низковольтных коммутационных аппаратах. Содержание графита в коммутирующих электрических контактах обычно не превышает .5 масс.%. Материалы с более высоким содержанием графита применяются для изготовления скользящих контактов точных измерительных приборов, электрических машин /2,3,6/.
Основной областью применения электрических коммутирующих контактов, изготовленных из материалов серебро-графит, являются автоматические выключатели. К электрическим контактам автоматических выключателей предъявляются высокие требования. Это, прежде всего, высокая стойкость контактов к свариванию, достаточная эрозионная стойкость, а также низкое и стабильное контактное сопротивление.
Как отмечалось выше, для производства электрических коммутирующих контактов, являющихся композиционными материалами, применяются методы порошковой металлургии. Традиционно при изготовлении контактов из материалов серебро-графит применяется метод прессования-спекания. /2,3,9/. Данный метод предусматривает прессование заготовок контактов из смеси, состоящей из порошков серебра и графита, спекание заготовок, допресеовывание для- формирования окончательных размеров и получения необходимой плотности, а также отжиг .для снятия напряжений. Иногда в этом методе для увеличения окончательной плотности материала контактов и повышения прочностных свойств применяют двойное спекание и двойное допресеовывание. Однако контакты серебро-графит, полученные таким способом, обладают невысокой эрозионной, стойкостью ж механической прочностью, что вызвано, главным образом, недостаточно высокими плотностью и твердостью этих контактов. В частности, плотность контактов, полученных методом прессования-спекания, обычно не превышает 97 % от теоретического значения /3,5/.
Другим методом производства электрических контактов, обладающим рядом преимуществ перед методом прессования-спекания, является метод экструзии. Сущность метода состоит в том, что предварительно спеченную и спрессованную заготовку продавливают через фильеры меньшего размера чем сечение исходной заготовки. При этом достигается значительная степень обжатия и уплотнения материала /19/. Изготавливают контакты из полученных после экструзии полуфабрикатов резкой или штамповкой. Основным техническим параметром, характеризующим процесс экструзии, является коэффициент вытяжки или просто вытяжка /2.0/.
В связи с тем, что при экструзии материал заготовки перемещается в направлении приложенного усилия, структура получаемых контактов анизотропна: включения графита в материале располагаются вдоль одного направления - оси экструзии. Благодаря этому, при резке полуфабрикатов на контакты под определенным углом к оси экструзии, можно получить контакты с преимущественным расположением включений графита по отношению к рабочей поверхности контакта. Обычно изготавливают контакты серебро-графит с ориентацией включений графита перпендикулярно либо параллельно рабочей поверхности контакта.
В России до последнего времени электрические коммутирующие контакты, в том числе серебро-графит, производятся преимущественно методом прессования-спекания. В Западной Европе в последние два десятилетия нашел применение метод экструзии, как метод изготовления полуфабрикатов для последующего получения электрических контактов для низковольтной аппаратуры /2,15,21,22/. Применение метода экструзии основано на развиваемых в последнее время представлениях о преимуществах контактов из материалов, имеющих анизотропную структуру. В ряде работ /2,3,15,21,23/ высказывается точка зрения, что контактные материалы, полученные методом экструзии, имеют более высокую плотность, твердость и электропроводность, чем контакты, полученные методом прессования-спекания, что положительно сказывается на эрозионной стойкости контактных материалов. Однако высокий уровень эрозионной стойкости, видимо, связан также с анизотропной структурой материала. Так, из результатов работ /24,25/ следует, что контакты серебро-графит, в структуре которых включения графита расположены перпендикулярно рабочей поверхности, обладают более высокой эрозионной стойкостью, чем контакты с расположением включений графита параллельно рабочей поверхности.
Несмотря на описанные выше преимущества, метод экструзии до настоящего времени не нашел широкого применения при изготовлении контактов из материала серебро-графит. Объясняется данный факт тем, что работы, в которых подвергаются исследованию контактные материалы серебро-графит, полученные методом экструзии, малочисленны, результаты исследований, проведенных разными авторами, получены на различных установках, в различных условиях эксперимента, и поэтому трудно сопоставимы. Более того, в ряде работ посвященных исследованию материалов серебро-графит, полученных методом экструзии, встречаются противоречивые результаты. Остаются невыясненными ряд важных аспектов, в частности, как преимущественное расположение включений графита в структуре сказывается на стойкости к свариванию контактных материалов серебро-графит. Не определена степень влияния на структуру и свойства материалов серебро-графит такого важного параметра процесса экструзии, как коэффициент вытяжки. Нет точных данных о том, как влияет размер частиц серебряного порошка на контактные свойства материала. Отсутствуют попытки выявить природу влияния ориентации включений графита в материале относительно рабочей поверхности на контактные свойства.
Методика исследования структуры и свойств материалов серебро-графит, полученных методом экструзии
Изучение структуры контактов, изготовленных из прутков, полученных экструзией порошковых контактных материалов серебро-графит с содержанием графита от 2 до 5 масс.%, проводили на металлографических шлифах. При исследованиях был использован оптический микроскоп фирмы «Opton» (Австрия).
Анализ параметров структуры полученных контактов проводился с применением программы Image Expert 2.35 согласно методике /91,92/. Обработку изображений шлифов структуры контактов проводили с применением бинаризации в диапазоне 155-165 единиц освещенности, предварительно удалив градиент освещенности и дефекты полировки. Анализ параметров структуры контактов проводили по пятидесяти изображениям для каждого типа структуры. Подвергали сравнению структуру контактов, полученных методом прессования-спекания, и структуру контактов, полученных методом экструзии при значениях коэффициента вытяжки 400%, 1400%, 2500% и 3700%. Также проводился сравнительный анализ структуры контактов, полученных с использованием порошка серебра различной дисперсности: средний размер частиц 3,10 и 20 мкм соответственно.
Сравнительный анализ проводили, сопоставляя следующие параметры структуры контактов: среднее значение площади включений графита, среднее значение периметра включений, среднее значение параметра формы включений (отношение периметра включений к корню квадратному из площади), средние значения двух линейных размеров включений, соотношение этих размеров (параметр вытянутости включений), среднее значение угла отклонения ориентации отдельных включений от направления преимущественной ориентации (степень анизотропии структуры). Значения площади и периметра включений позволяют оценивать размер включений, параметры формы и вытянутости - их форму и соотношение линейных размеров. Угол отклонения от направления преимущественной ориентации позволяет оценить степень отклонения данной структуры от идеальной анизотропной структуры.
На основании результатов сравнительного анализа структуры исследуемых материалов был осуществлен сравнительный анализ влияния экструзии на процесс структурообразования контактов серебро-графит, выявлены особенности изменения структуры при увеличении коэффициента вытяжки и при изменении дисперсности исходного серебряного порошка.
Исследование поверхности контактов и структуры слоев наработки, образующихся на поверхности контактов после стендовых испытаний, проводилось на микроскопе МБС-10 (Россия), на оптическом микроскопе Opton, а также на электронном сканирующем микроскопе MINI-SEM. Исследованию подвергали поверхность контактов после пропускания через них единичного импульса тока амплитудой 5А на испытательном стенде ЭМ 200. Кроме того, изучалась поверхность контактов после продолжительных испытаний на стенде с неподвижно закрепленными контактами и универсальном стенде с подвижным креплением контактов в режимах включения и отключения тока.
Проводили изучение твердости и плотности полученных контактных материалов. Твердость по шкале Виккерса определяли с помощью твердомера ХПО-250 при нагрузке 5кг по ГОСТ 2999-75. Плотность контактов определяли методом гидростатического взвешивания (ТУ16-685.020). Данные по плотности и твердости позволили получить представление о физических свойствах контактов, изготовленных из прутков, полученных экструзией, сравнив их с соответствующими свойствами контактов, полученных методом прессования-спекания,
Рентгеноструктурный анализ, выполненный при помощи дифрактометра ДРОН-1 с приставкой ГП-2, позволил провести исследование на предмет выявления текстуры контактных материалов серебро-графит, полученных экструзией при различных значениях коэффициента вытяжки.
Проведены прямые измерения теплопроводности контактных материалов серебро-графит, имеющих анизотропную структуру. Измерения были проведены в лаборатории ЦНИИграфит на экспериментальной установке методом стационарного определения коэффициентов теплопроводности материалов при температуре 25С. Результаты измерения были сопоставлены с результатами расчета, выполненного на основе теории обобщенной проводимости.
Испытания электрических контактов на стендах, имитирующих различные условия эксплуатации контактов в коммутационных аппаратах, играют важную роль в процессе исследования уже имеющихся и создания новых контактных материалов. Стендовые испытания позволяют в короткие сроки, в единых условиях эксперимента сравнивать контактные материалы, сопоставляя их контактные свойства, прежде всего, эрозионную стойкость и стойкость контактов к свариванию. Располагая результатами подобных испытаний, можно своевременно вносить изменения в существующие и разрабатывать новые технологии производства контактов, судить о целесообразности использования тех или иных контактных материалов, изучать влияние структуры материала на его контактные свойства. Таким образом, стендовые испытания являются базовыми в процессе исследования контактных материалов, а их результаты служат критерием обоснованности выбора в пользу применения тех или иных контактных материалов.
Для получения представительных результатов изучение контактных свойств материалов серебро-графит проводили как на стенде с неподвижно установленными контактами, так и на стенде с подвижными контактами, имитирующем работу реального автоматического выключателя при коммутации электрических цепей.
Испытания на стенде с неподвижно установленными контактами (ЭМ 200) проводили по методике, описанной в /93/. Подобные испытания позволяли оценить эрозионную стойкость в идеальных условиях воздействия на материал контактов искусственно возбужденной электрической дуги, исключив механическое взаимодействие при соударении контактов, напрямую связать величину и характер эрозионного износа материала с особенностями его структуры. Испытания проводили в однородной контактной паре, т.е. оба контакта представляли собой материалы одного химического состава, с одинаковой ориентацией включений графита в структуре, полученные с одним значением коэффициента вытяжки. При испытаниях между неподвижно установленными с зазором 0,3 мм контактами с частотой 0,5 Гц инициировались электродуговые импульсы прямоугольной формы амплитудой 100 А и длительностью 6 мс. Количество импульсов при испытаниях составляло 100. До и после испытаний на весах ВЛР-20г 2-го класса точности производили взвешивание, определяя убыль массы контактов. Поскольку убыль массы, как правило, различна для катода и для анода, оценку эрозионной стойкости производили по контакту, характеризующемуся большим значением этого показателя. Для контактов серебро-графит в реализованном режиме испытаний - это катод. Блок схема стенда ЭМ 200 представлена в приложении 2.
Специально разработанная в рамках настоящей работы методика ускоренных испытаний на стенде с подвижными контактами приближает условия стендовых испытаний к натурным испытаниям, поскольку, кроме воздействия электрической дуги, материал контактов на этом стенде подвергается еще и воздействию механических напряжений, возникающих при соударении контактов. Проведение испытаний на стенде с подвижными контактами позволяет оценивать не только эрозионную стойкость, но и стойкость контактов к свариванию. Конструкцией стенда предусмотрено проведение испытаний отдельно в режиме, имитирующем включение тока в процессе замыкания контактов, а таюке в режиме, имитирующем отключение тока в процессе размыкания контактов.
Конструктивно универсальный испытательный стенд состоит из трех блоков (блок-схема стенда приведена в приложении 2). Силовой блок служит для формирования импульса тока заданной амплитуды и длительности. Формирование заданных алгоритмов управления режимами испытаний осуществляется блоком управления. Механический блок предназначен для крепления контактов. Устройство стенда позволяет задавать различные алгоритмы проведения испытаний, включая формирование импульса тока амплитудой до 300 А, длительностью до 40 мс, с крутизной переднего фронта около 1,5-10б А/сек, напряжением 30 или 300 В, а таюке производить смену полярности тока. Конструкция стенда предусматривает поочередную коммутацию пяти пар контактов. При этом опускание верхнего (подвижного) контакта осуществляется свободным падением под действием веса крепежного узла контакта.
Основы теоретического исследования теплопроводности композиционных материалов
Теория обобщенной проводимости широко применяется для определения теплопроводности систем, представляющих композиционные материалы, в которых отдельные компоненты рассматриваются в виде сплошной среды. К таким системам относятся исследуемые нами материалы серебро-графит с содержанием графита до 5 масс.%. Структура этих материалов состоит из серебряной матрицы, в которой хаотически или упорядочено распределены неконтактирующие между собой включения графита. Характерной особенностью такой структуры является непрерывность компоненты, являющейся матрицей, в любом направлении, а также разрывность включений. Структура такого типа может быть охарактеризована как структура с неконтактирующими друг с другом включениями.
В основе теории обобщенной проводимости лежит подход, при котором посредством анализа процесса переноса устанавливается зависимость эффективного коэффициента переноса от особенностей структуры материала, т.е. от коэффициентов переноса отдельных компонент и от их концентрации. При этом коэффициенты переноса отдельных компонент определяются экспериментально или на основе теоретических представлений.
Теоретическое исследование процесса переноса производится на идеализированной модели структуры, которая отражает основные геометрические свойства реальной структуры и учитывает все факторы, определяющие процесс переноса. Переход от хаотической структуры к идеальной оправдан тем, что с позиции исследования обобщенной проводимости, упорядоченная структура является частным случаем хаотической, и эффективные свойства этих структур одинаковы. Поэтому эффективная теплопроводность любой хаотической структуры не изменится, если конкретная хаотическая картина будет заменена ей адекватной, т.е. сохранится изотропность системы, ее устойчивость, а концентрации компонент и их теплопроводности останутся неизменными /103/.
В дальнейшем проводится анализ характера распределения линий тока в изучаемой структуре. Пример такого анализа приведен ниже для простой упорядоченной структуры с шаровыми включениями. Показан случай, когда теплопроводность материала включений (/Ц) меньше теплопроводности материала матрицы (Я,) (см. рисунок 4 - сечение).
Линии тока огибают включения менее проводящей компоненты (в нашем случае графита), концентрируясь в компоненте с более высокой проводимостью. В силу пространственной симметрии упорядоченной системы, все линии тока пересекают горизонтальные изопотенпиалыше плоскости 1-1, проходящие через центры включений, только под прямым углом. Проходящие посередине между центрами включений горизонтальные плоскости 2-2 пересекаются линиями тока также под прямым углом. Такой характер распределения линий тока характерен для любого слоя, поэтому закономерности переноса энергии между любой соседней парой изопотенциальных плоскостей можно распространить на весь объем системы. Такая пространственная симметрия приводит к тому, что линии тока вблизи плоскостей 3-3 и 4-4 становятся параллельными этим плоскостям. Это равносильно введению абсолютно непроницаемых для линий тока, бесконечно тонких плоскостей, параллельных направлению потока (адиабатных для потока тепла).
Пересекая горизонтальные слои системы, расположенные между изопотенциальными плоскостями, непроводящие плоскости 3-3 и 4-4 разбивают горизонтальные слои на участки со схожим характером распределения линий тока. Это позволяет упростить задачу и проводить математическое описание исследуемого процесса только в выделенном участке объема. Вертикальные плоскости, ограничивающие элементарную ячейку (см. рисунок 4), являются адиабатными, а основания - изотермическими плоскостями. Из сказанного выше вытекает правило перехода в процессе анализа от системы к элементарной ячейке: эффективные коэффициенты обобщенной проводимости системы с дальним порядком и ее элементарной ячейки являются одинаковыми.
Ниже приведена постановка задачи анализа теплопроводности системы с не контактирующими включениями. На рисунке 5, согласно /102/, показан реальный характер распределения линий тока при ;Ц Я,, в плоской элементарной ячейке системы с дальним порядком (включения кубической формы). На рисунке линии тока показаны стрелками, а изотермы штриховыми линиями.
Поверхности x = L в элементарной ячейке - адиабатные, а поверхности у = L - изотермические. Температуры поверхностей у = о и у = L обозначаются через t(xfl) = t и t(x,L) = t" соответственно, а тепловой поток, проходящий через изотермическую поверхность элементарной ячейки через Q.
Результаты измерения плотности, твердости, данные рентгеноструктурного анализа контактных материалов серебро-графит
Из таблицы 6 видно, что плотность материалов, полученных методом экструзии, превышает плотность материалов, полученных методом прессования-спекания. Показано, что экструзия с минимально реализованным значением коэффициента вытяжки (400%) способствует снижению остаточной пористости контактного материала на 0,4-0,8%. Дальнейшее увеличение значения коэффициента вытяжки приводит к существенному возрастанию плотности и, соответственно, снижению остаточной пористости материалов. Максимальный уровень плотности (99,2-99,5 % от теоретического значения) наблюдался у материалов, изготовленных при максимально реализованном в эксперименте значении коэффициента вытяжки (3700 %).
Факту возрастания плотности материалов серебро-графит с увеличением значения коэффициента вытяжки, при котором они получены, можно дать следующее объяснение, В отличие от метода прессования-спекания, при использовании для изготовления контактных материалов метода экструзии, газы, заключенные в порах спрессованного материала, имеют возможность выхода в направлении течения материала - направлении экструзии. С увеличением соотношения площадей сечения исходной заготовки и конечного полуфабриката (прутка), т.е. с повышением коэффициента вытяжки, процесс выхода заключенных в порах газов усиливается. Таким образом, при более высоких значениях можно получать более плотные материалы.
Однако необходимо заметить, что добиться теоретической плотности (нулевой остаточной пористости), получая методом экструзии композиционные материалы, в состав которых входят компоненты с сильно различающимися свойствами, такими как серебро и графит, достаточно трудно /2,3/. Необоснованно высокое увеличение коэффициента вытяжки может привести к такому крайне нежелательному эффекту, как снижение прочности сцепления фазовых компонент материала и к разрыхлению структуры, что негативным образом сказывается на контактных свойствах материала. Такие контактные материалы имеют низкую плотность и механическую прочность, подвержены хрупкому разрушению по типу скола /20/. В таблице 7 представлены результаты измерения твердости материалов серебро-графит, полученных методом экструзии при различных значениях коэффициента вытяжки. Для сравнения в таблице также представлены данные твердости материалов серебро-графит, полученных методом прессования-спекания.
Материалы, полученные методом экструзии в исследованном интервале значений коэффициента вытяжки, имеют более высокую твердость, чем материалы того же фазового состава, но полученные методом прессования-спекания. Как видно из таблицы, увеличение коэффициента вытяжки приводит к росту твердости контактного материала. Материалы с более высоким содержанием графита имеют более низкую твердость.
Более высокий уровень твердости материалов, полученных методом экструзии, по сравнению с материалами, полученными методом прессования спекания, так же, как и возрастание твердости с увеличением значения коэффициента вытяжки, можно объяснить за счет более высокого уровня плотности материалов, полученных с применением метода экструзии. Кроме того, причиной повышения твердости может являться возрастание механической прочности композиционных контактных материалов в результате использования метода экструзии /2,3/. Снижение плотности и механической прочности также являются причинами уменьшения твердости при повышении содержания графита в контактном материале. Необходимо отметить, что при измерении твердости контактов, в структуре которых включения графита располагались параллельно рабочей поверхности, наблюдалось различное сопротивление материала деформации в поперечном и продольном направлениях, т.е. вдоль и поперек сформированных «строчек» графита. Об этом свидетельствует существенное различие диагоналей отпечатка индентора твердомера (рисунок 13). В то же время, в структуре контактов с расположением включений графита перпендикулярно рабочей поверхности диагонали отпечатка индентора были примерно одинаковы. В связи с этим, в таблице 7 в качестве свойств материалов, полученных экструзией, приведены только значения твердости контактов с расположением включении графита перпендикулярно рабочей поверхности.
Объяснить установленный факт можно тем, что прочность включений графита, влияющая на сопротивляемость композиционного контактного материала деформации, в направлении вдоль сформированных «строчек» имеет более высокое значение, чем в поперечном направлении. Данный факт можно считать характерным признаком анизотропной структуры материалов серебро-графит, получаемых методом экструзии.
Рентгеноструктурный анализ контактных материалов серебро-графит, полученных методом экструзии, позволил выявить наличие аксиальной (осесимметричной) текстуры серебра. Как известно /108/, аксиальная текстура образуется под воздействием сил, действующих на материал преимущественно в одном направлении. При получении материалов методом экструзии происходит как раз такое воздействие, поэтому наличие текстуры в таком материале вполне ожидаемо. Ось сформированной текстуры 100 , это индексы кристаллогафичекого направления, ориентированного вдоль направления приложенного усилия, формирующего текстуру, - вдоль направления оси экструзии. Изучение полюсной плотности материалов серебро-графит, полученных методом экструзии при различных коэффициентах вытяжки показало, что в материалах полученных при невысоких значениях коэффициента вытяжки (например, 400 %) наблюдается рассеяние текстуры серебра, что свидетельствует о том, что в данном материале у части кристаллитов серебра направление 100 отклонено от направления оси текстуры. Показано, что в материалах, полученных при высоких значениях коэффициента вытяжки (например, 2500 %) рассеяние текстуры не наблюдалось, это свидетельство того, что у всех кристаллитов серебра направление 100 ориентировано в направлении оси экструзии.
Факт рассеяния текстуры при невысоких (300 - 500%) значениях коэффициента вытяжки можно связать с отмеченным выше фактом отклонения ориентации ряда включений графита от направления общей ориентации включений, наблюдающийся также при невысоких значениях коэффициента вытяжки. Причина обоих отмеченных особенностей структуры в том, что воздействие деформации на материал при невысоких значениях коэффициента вытяжки недостаточно для формирования абсолютной анизотропии структуры, (угол отклонения от общей ориентации включений равен нулю), а также текстуры, лишенной рассеяния.
Похожие диссертации на Влияние ориентации включений графита на контактные свойства порошковых материалов серебро-графит, получаемых методом экструзии
