Исследование поверхностных пленок в различных тепловых режимах работы скользящего контакта Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 229 1972

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛЕНОК В РАЗЛИЧНЫХ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА

Р. Ф. БЕКИШЕВ, Б. И. КОСТЫЛЕВ

(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники)

Основным инструментом для исследования физических свойств поверхностной пленки, образующейся на коллекторах и контактных кольцах, и скользящего щеточного контакта в делом являются вольтампер-ные характеристики. Установлено, что контактное падение напряжения для пары щетка—медный коллектор (кольцо) в диапазоне небольших плотностей тока (до 20 а/см2) определяется в основном свойствами поверхностной пленки.

Изучение поверхностных пленок современными методами, изложенными в [1], позволяет предположить, что структура, фазовый состав и толщина поверхностной пленки непосредственно зависят от условий наработки и, в первую очередь, от температуры коллектора.

Поэтому исследование структуры, фазового состава и толщины поверхностных пленок, образованных в различных тепловых условиях работы контакта, представляет определенный интерес.

Наработка поверхностной пленки производилась на контактных кольцах, выполненных из меди М1 щетками марки МГС-7 при постоянных плотности тока 10 а/см2 и скорости вращения 15 м/сек.

Поверхностная пленка считалась сформировавшейся (в данных условиях), когда падение напряжения между щеткой каждой полярности и контактным кольцом достигало установившегося значения.

После наработки поверхностной пленки и снятия вольтамперных характеристик скользящего контакта контактные кольца снимались с вала установки и препарировались для подготовки к отделению пленки согласно методике, изложенной в [1].

Структура, ориентация и фазовый состав составляющих поверхностных пленок, отделенных от меди контактных колец, исследовались электронномикроскопическими и электронографическими методами с помощью электронного микроскопа УМБ-100К посредством получения микрофотографий и микроэлектронограмм. Многочисленные исследования поверхностных пленок данными методами показали, что в ряде случаев для сравнительно однородных по толщине пленок можно использовать микрофотографии и для количественного определения фазового состава. Для этой цели может быть использован линейный метод определения фазового состава пленок, предложенный Розивалем [2].

Кроме того, для некоторых пленок оказалось возможным проводить количественное определение фазового состава составляющих посредством получения электронограмм точечным методом А. А. Глаголева [2].

Во всех остальных случаях исследование фазового состава поверхностных пленок проводилось рентгеновским методом фазового анализа на ионизационной рентгеновской установке УРС-50 И/М, причем при количественном определении содержания фаз использовался метод гомологических пар [3].

Измерение толщины поверхностных пленок, отделенных от подложки, производилось интерференционным методом на микроинтерферометре Линника МИИ-4. Измерениям подвергались различные участки исследуемой пленки и выявлялись предельные значения толщины. Выбор метода измерения толщины поверхностных пленок и подготовка их к данным исследованиям изложены в [1].

Рис 1

При изучении поверхностных пленок, сформированных при различной температуре окружающей среды (диапазон изменения температуры контактного кольца 45-^95°С), атмосферное давление и влажность

Рис. 2

окружающей среды оставались постоянными и равными соответственно 760 мм рт. ст. и 38ч-40°/0. Температура кольца контролировалась с помощью встроенных в контактные кольца термопар, а превышение температуры контактного кольца над температурой окружающей среды составляло не более 2—4°С.

Проведенные электронномикроскопические, электронографические и рентгеноструктурные исследования поверхностных пленок показали,

11. Заказ 6523.

161

что последние состоят из кристаллической закиси меди Си20 и графита, встречающегося как в аморфном, так и мелкокристаллическом состоянии.

В качестве иллюстраций па рис. 1, 2 представлены светлопольная микрофотография поверхностной пленки, образованной при температуре контактного кольца, равной 45СС, и микроэлектронограмма, полученная с участка данной пленки. Указанные снимки достаточно полно отражают структуру поверхностной пленки, образованной при сравнп-

Рис. 3

тельно низкой температуре, а расчет микроэлектрограмм показывает, что диффузные кольца и множество точечных отражений соответствуют кристаллической решетке графита, который составляет большую часть пленки, встречаясь как в мелкокристаллическом, так и аморфном состоянии. Четко выраженные дифракционные кольца соответствуют мелкокристаллической закиси меди.

Рис. 4

Микрофотография и микроэлектронограмма (рис. 3, 4), полученные от участков поверхностной пленки, наработанной при температуре 95°С, обнаруживают структуру крупных, хорошо ориентированных кристаллов закиси меди. Линии аморфного и кристаллического графита встречаются значительно реже. В табл. 1 представлены количественные данные по характеру структуры и фазового состава поверхностных пле-

нок, образованных щетками МГС-7 в диапазоне температур 45^-95°С, полученные указанными выше методами.

Таблица 1

№ £С Содержание С и.,О % Размеры кристаллов МКМ Содержание графита, %

1 45 30-35 0,025—0,1 65 :-70

2 55 50 0,1ч 0,15 50

3 70 60 -65 0,2-5-0,4 35-40

4 95 70-75 0,5-1,0 25 -:- 30

Анализируя структуру и фазовый состав поверхностных пленок, образованных щетками марки МГС-7 при различных температурах, следует отметить четко выраженную тенденцию увеличения содержания закиси меди в пленке при повышении температуры. При этом наблюдается как значительный рост размеров кристаллов С112О, так и увеличение их количества в процессе кристаллизации. Необходимо заметить, что исследованные поверхностные пленки имели сравнительно однородную структуру по толщине и были достаточно устойчивы при воздействии электронного пучка. Измерение толщины поверхностных пленок интерферо-метрическпм методом подтвердило, что пленки, созданные скольжением по контактному кольцу меднографитных щеток (МГС-7) более однород-, ны по толщине, нежели пленки, образованные электрографитными щетками. Пленки, наработанные в условиях повышенной температуры контактного кольца, имеют значительно большую толщину, чем сформированные при низкой температуре.

В табл. 2 представлены результаты измерений толщины поверхностных пленок, образованной при различных температурах контактного кольца.

Таблица 2

.Марка Мат ериал Условия Толщина пленки

щетки кольца наработки 0 т а х ^тт ^ср

¿--45°С 5000 4000 3000

*=55°С 5500 0000 4250

МГС-7 М1 -70°С 6000 3700 4850

¿=95°С 7000 4000 5500

Точность измерения толщины пленок при длине волны света

о о

а = 5500 А составляет ± 275 А. Таким образом, поверхностная пленка, образующаяся на коллекторах и контактных кольцах в различных тепловых условиях работы скользящего контакта, значительно отличается по структуре, фазовому составу компонентов и толщине.

С повышением температуры условия формирования поверхностной пленки улучшаются и увеличивается скорость окисления меди коллектора или контактного кольца. Представленные на рис. 5 зависимости, отражающие процесс формирования поверхностной пленки в различных тепловых условиях работы контакта, показывают, что контактное паде-

П*. 163

ние напряжения достигает установившегося значения при высоких температурах значительно быстрее, нежели при низких.

Вольтамперные характеристики, снятые в статическом режиме после наработки поверхностной пленки при различных тепловых условиях работы контакта (рис. 6), показывают, что уровень контактного падения напряжения с повышением температуры уменьшается, в то время как содержание закиси меди в поверхностных пленках и их толщина (по

Рис. 5. Рис. 6

данным представленных выше исследований) возрастают. Поэтому содержание составляющих поверхностной пленки и ее толщина не могут быть однозначно связаны с очертанием вольтамперных характеристик. Анализ, на наш взгляд, необходимо вести через параметры схемы замещения [4], которые в определенных условиях могут быть непосредственно определены с учетом результатов количественного анализа и измерения толщины поверхностных пленок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Р. Ф. Бекишев, Б. И. Кос ты л ев, А. И. С к о р о с п е ш к и н. Исследование поверхностных пленок коллекторов электрических машин. «Известия ТПИ» т. 212. Изд-во ТГУ, Томск, 1971.

2. Б. Г. Л и ф ш и ц. Лаборатория металлографии. Металлургиздат, 1957.

3 Ю. А. Б а г о р я ц к и й. Рентгенография в физическом металловедении. Металлургиздат, 1961.

4. А. И. С к о р о с п е ш к и и, Б. И. К о стыл ев, Р. Ф_ Б е к и ш е в. Физическая лрирода вольтамперных характеристик. Материалы IV Всесоюзной конференции по коммутации электрических машин. Омск, 1969.