Эрозия электроконтактного материала на основе серебра под воздействием электрической дуги Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Решетневскуе чтения. 2017

УДК 621.3.066

ЭРОЗИЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СЕРЕБРА

ПОД воздействием электрической дуги*

Г. М. Зеер*, Е. Г. Зеленкова, С. И. Почекутов

Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 Е-шаП: [email protected]

Проведены исследования электрической эрозии нового электроконтактного материала на основе серебра с добавками нанопорошков оксидов цинка, титана, олова. С помощью энергодисперсионного микроанализа выявлено отсутствие сульфидных пленок на рабочей поверхности электроконтактов. Методом сканирующей электронной микроскопии определено, что слой наработки составляет в среднем 10 мкм.

Ключевые слова: электроконтактный материал, электрическая дуга, эрозия, рабочая поверхность, слой наработки.

THE EROSION OF SILVER BASED ELECTROCONTACT MATERIAL UNDER THE ACTION OF AN ELECTRIC ARC

G. M. Zeer*, E. G. Zelenkova, S. I. Pochekutov

Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation Е-mail: [email protected]

The research presents investigation of electrical erosion of a new silver based on electrocontact material containing the additives of nanopowders (zinc oxide, titanium oxide, stannum oxide). By the energy of dispersive microanalysis it discovers that the sulfide film is absent on the working areas of the electric contacts. By scanning electron microscopy it determines that the arc affected layer is 10 jm on average.

Keywords: electrocontact material, electric arc, erosion, working area, arc affected layer.

Ведение. Высокая стойкость к окислению и хорошая электропроводность обусловила широкое применение серебра в авиационной и космической технике, в частности в качестве электроконтактов для обеспечения функционирования элементов оборудования. Основная масса электрических аппаратов работает по принципу периодического замыкания и размыкания электрической цепи разрывными контактами при кратковременной либо длительной коммутации тока. В процессе эксплуатации электроконтакты изнашиваются под действием электрической дуги, прохождения номинального тока, токов перегрузки и короткого замыкания, влияния динамических нагрузок различной природы, термических напряжений и коррозионного воздействия окружающей среды. Срок службы электрического аппарата и его надежность напрямую зависит от надежности работы электроконтактов, которая в свою очередь определяется стойкостью к электрической эрозии и стойкостью против образования сульфидных пленок на рабочей поверхности, снижающих проводимость электроконтактов [1; 2].

Целью исследования является определение эрозионного износа нового электроконтактного материала

на основе серебра, с добавками нанопорошков оксидов олова, титана и цинка под воздействием электрической дуги.

Для изготовления образцов нового электроконтактного материала использовали порошок Ag и нанопо-рошки SnO2, ТЮ2, 2пО. По данным электронно-микроскопического анализа порошки серебра имеют средний размер частиц dср и 5±3 нм, нанопорошки оксида олова й?ф и 70 ± 10 нм, оксида титана dср и 20 ± 5 нм и оксида цинка dср и 8 ± 2 нм [3; 4]. Образцы электроконтактов получали методом порошковой металлургии. Давление прессования составляло 300 МПа, спекание проводили на воздухе при температуре 800 °С в течение 2 ч, допрессовывали при давлении 1000 МПа, после чего отжигали для снятия остаточных напряжений при температуре 500 °С в течение 1 ч. Образцы имели диаметр 8 мм, высоту - 2-3 мм.

Испытания на электроэрозионный износ проводили на специальном лабораторном стенде, переменное напряжение на контактах - 380 В, частота - 50 Гц, ток переменный - 20 А, усилие прижима контактов ~ 20 Н, общее число «включение-выключение» - 10000 циклов [5].

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант No 16-08-00789 а.

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

а б

Электронно-микроскопическое изображение микроструктуры электроконтактного материала: а - рабочая поверхность, х1000; б - поперечный шлиф, х12000

Химический элемент № спектра *

C. 1 C. 2 C. 3 C. 4 C. 5 C. 6 C. 7 C. 8 C. 9 C. 10

O 29,73 30,38 62,48 26,86 24,96 30,21 58,99 59,33 58,59 -

Ti - - 5,23 - - - - 1,36 1,89 -

Zn 7,58 3,35 26,84 2,82 4,53 12,35 28,01 30,90 31,78 -

Ag 62,69 66,27 0,75 70,32 70,51 57,44 6,11 - 1,64 100,00

Sn - - 4,70 - - - 6,90 8,40 6,11 -

* Номер спектра соответствует номеру точки на рисунке.

Микроструктуру и элементный состав рабочей поверхности и поперечных шлифов образцов после испытаний на электроэрозионный износ исследовали методами сканирующей электронной микроскопии с помощью JEOL JSM-7001F с системой микроанализаторов Oxford Instruments.

Характер электроэрозионного износа исследовался на образцах электроконтактов с составом: Ag - 96,9 % мас.; ZnO - 2 % мас.; TiO2 - 0,2 % мас.; SnO2 - 1 % мас. Электронно-микроскопическое изображение рабочей поверхности электроконтактов после лабораторных испытаний представлено на рисунке, а, на ней наблюдаются кратеры, поры, места налипания металла, что объясняется эрозионными явлениями, происходящими под воздействием электрической дуги, возникающей при размыкании электроконтактов.

Под действием высокой температуры дуги часть металла контактного перешейка испаряется, часть выбрасывается из контактного промежутка в виде брызг, часть переносится с одного контакта на другой. Энергодисперсионный микроанализ рабочей поверхности контактов (см. таблицу, точечные спектры C. 1-C. 5) показал, что после 10000 циклов включение-отключение в элементном составе фаз присутствуют только химические элементы, содержащиеся в составе шихты, из которой были изготовлены образцы электроконтактов. Отсутствие серы во всех точечных спектрах свидетельствует о стойкости электроконтактного материала к образованию на рабочей поверхности сульфидных пленок.

Исследование поперечного шлифа электроконтактов показало формирование слоя наработки вблизи рабочей поверхности с измененной микроструктурой (рисунок, б). В слое наработки наблюдаются микротрещины и скопления оксидов. Элементный состав

фаз слоя наработки (см. таблицу, спектры C. 6-C. 10) так же свидетельствует об отсутствии посторонних примесей. Было отмечено, что толщина слоя наработки неравномерна и в среднем составляет около 10 мкм.

Вывод. Методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного микроанализа исследована рабочая поверхность и поперечный шлиф образцов электроконтактов на основе серебра с добавками нанопорошков оксидов цинка, титана и олова, прошедших лабораторные испытания на электроэрозионный износ. Выявлено отсутствие сульфидных пленок на рабочей поверхности электроконтактов, слой наработки после 10000 циклов включение-выключение составляет в среднем 10 мкм.

Библиографические ссылки

1. Holm H. Electric Contacts. Berlin : SpringerVerlang, 2010. 482 p.

2. Synthesis of Ag-ZnO powders by means of a mechanochemical process / D. Guzman [et al.] // Appl. Phys. A: Mat. Sci. Proc. 2014. Vol. 117. № 2. P. 871875.

3. Зеер Г. М. Исследование микроструктуры и свойств электроконтактного материала серебро-нанопорошок оксида цинка // ФММ. 2012. Т. 113. № 9. С. 1-5.

4. Микроструктура и свойства электроконтактного материала Cu-(ZnO/TiO2) / Г. М. Зеер [и др.] // ЖТФ. 2015. Т. 85. № 12. С. 88-93.

5. The Laboratory Equipment for the Prompt Functional Properties Measurement of Electrocontact Materials / V. Ivanov [et al.] // J. Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2014. № 7. P. 229-234.

PewemHeecKye nmsHUH. 2017

References

1. Holm H. Electric Contacts. Berlin: SpringerVerlang, 2010. 482 p.

2. Synthesis of Ag-ZnO powders by means of a mech-anochemical process / D. Guzmán, P. Muñoz, C. Aguilar [et al.] // Appl. Phys. A: Mat. Sci. Proc. 2014. Vol. 117. No. 2. P. 871-875.

3. Zeer G. M. Investigation of the microstructure and properties of electrocontact silver-zinc oxide nanopowder material // FMM. 2012. Vol. 113. No. 9. P. 1-5.

4. Microstructure and properties of an electrocontact Cu-(ZnO/TiO2) material / G. M. Zeer, E. G. Zelenkova, V. V. Beletskii [et al.] // Technical Physics. 2015. Vol. 85, No. 12. P. 88-93.

5. The Laboratory Equipment for the Prompt Functional Properties Measurement of Electrocontact Materials / V. Ivanov, A. Sidorak, A. Shubin, [et al.] // J. Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2014. No. 7. P. 229-234.

© 3eep r. M, 3eneHKOBa E. r., noneKyTOB C. H., 2017