CC BY
49
Таким условиям удовлетворяют двух-четырехрезцовые "плавающие" блоки с оппозит-ным расположением резцов с одной степенью свободы в плоскости размерообразования [4].
Из анализа результатов расчета деформации (рисунок 5) следует, что «плавание» резцового блока целесообразно обеспечить в тангенциальном направлении, при этом на резцах стабилизируется сила резания, а деформации как всего инструмента, так и режущего модуля будут минимизированы.
Выполненные расчеты показали, что режущий модуль технологически устойчив при обработке на скоростях 80-150 м/мин при подаче 1,0-1,5 мм/об. Наибольшие значения деформации, перемещения и напряжения имеют в месте приложения сил резания и составляют: деформации - 6,12 мкм/м, перемещение - 6,12 мкм, напряжение 1,42 Мпа, что позволяет достигать заданных параметров качества обработки.
Литература
1. Азаревич Г.М. и др. Совмещение процессов резания и ППД при автоматизированной токарной обработке валов. "Вестник машиностроения", 1985, № 1, с. 46-52.
2. Максимов Ю.В., Анкин A.B., Ветрова Е.А. Колебания поперечного сечения нежесткой детали типа полый цилиндр при комбинированной обработке резанием и поверхностным пластическим деформированием. Реферируемый журнал «Известия МГТУ «МАМИ», № 1 (7), 2009, с. 124-127.
3. Максимов Ю.В., Анкин A.B. Образование погрешности при комбинированной обработке нежестких валов. - "Автомобильная промышленность", № 9, 1995. с. 28-31.
4. Максимов Ю.В., Логинов Р.В. Моделирование комбинированной обработки нежестких валов. "Химическое и нефтегазовое машиностроение", 1998, № 9-10, с. 61-63.
Металлокерамические сплавы для высоконагруженных электроконтактов
системы зажигания ДВС
д.т.н. проф. Арзамасов В.Б., к.т.н. доц. Смирнова Э.Е., Рыков Д.Е., Рябчик Т.А.
Университет машиностроения 8(495)223-05-23, доб. 1387
Аннотация. Приводятся экспериментальные исследования влияния легирования и структуры на физико-механические свойства металлокерамических сплавов вольфрама с добавками тугоплавких соединений редкоземельных металлов. Показана перспективность применения сплавов вольфрама с оксидом иттрия в качестве материала для высоконагруженных контактов системы зажигания двигателей внутреннего сгорания.
Ключевые слова: электроконтактные материалы, металлокерамические сплавы, редкоземельные металлы, термоэмиссия, система зажигания двигателей внутреннего сгорания.
Введение
Эффективность, а во многих случаях и безопасность эксплуатации транспортных средств зависит от надежности электроконтактов, работоспособность которых обеспечивается, прежде всего, видом контактного материала и способом его обработки.
Хотя в настоящее время и существует относительно большой выбор электроконтактных материалов (ЭКМ), необходимость в совершенствовании их свойств продолжает оставаться, что особенно ощутимо на фоне неуклонного роста парка транспортных средств и оборудования для их диагностики и ремонта, обусловливающего увеличения выпуска электроконтак-
И все же проблема создания новых и совершенствования уже имеющихся материалов для контактов различного назначения еще далеко не решена. Особо остро эта задача стоит при создании высоконагруженных ЭКМ, предназначенных для работы в условиях дугообра-зования в среде с повышенным содержанием паров бензина, масел и влаги, при больших
контактных нажатиях и высоких частотах срабатывания.
Постановка задачи
В настоящее время основным материалом для высоконагруженных электроконтактов (ВЭКМ) двигателей внутреннего сгорания является вольфрам, который уже не удовлетворяет возросшим требования. В этой связи представляет интерес металлокерамические сплавы вольфрама с добавками тугоплавких соединений редкоземельных и переходных материалов [1]. В настоящей работе приведены результаты исследований влияния легирования и структурного состояния на физико-механические свойства дисперсно-упрочненного вольфрама как перспективного материала для высоконагруженных коммутирующих электроконтактов системы зажигания ДВС.
Результаты
Маркировка и химический состав исследованных сплавов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Маркировка, состав и физико-химические свойства спеченных металлокерамических
сплавов вольфрама
Марка сплавов
Объемная доля включений, f
Плотность, г/см3
Теор.
Эксп.
Пористость
%
Удельное электро Сопротивление мк Ом-см
Теор.
Эксп.
Микротвердость Н100
ВИ 5
(0.5%у20з)
1.9
19,03
18,27
4,0
5,94
5,95
340
ВИ 10
(1.0%У203)
3,7
18,77
17,91
4,5
6,16
6,20
344
ВИ 15
(1.5%У203)
5,5
18,52
17,65
4,7
6,38
6,42
346
ВИ 20
(2,0%у20з)
18,20
17,26
5,2
6,74
6,80
351
ВИ 25 (2.5% У20з)
9,0
18,02
16,71
6,3
7,01
7,25
360
визо
(3.0% У20з)
11,4
17,37
16,05
7,6
7,49
7,70
365
ВЛ 15
(1.5%Ьа203)
18,75
17,57
6,2
6,42
6,79
366
ВИб 15
(1.5%УВ6)
7,3
18,16
18,72
15,02
17,58
9,1
6,1
7,15
6,47
;,01
6,74
392
380
ВЦн 15
(1.5%ZrN)
а б в г
Рисунок 1 - Микроструктура дисперсно-упрочненного вольфрама в спеченном состоянии, 340х: а - Виб-15; б - ВЛ-15; в - ВЦн-115; г - ВИ-15
Анализ результатов металлографических исследований сплавов вольфрама, представленных на рисунке 1 показал, что исследуемые сплавы системы \У - МехНу имеют характерную дисперсно-агрегатную структуру. Зёрна матрицы полиэдрической формы имеют извилистые, плохо протравляющиеся границы. Результаты пикнометрического анализа (таблица 1) показывают, что плотность исходных образцов отличается от теоретической, что говорит о
наличии пористости. Так, в сплаве W - 1,5%YB6 наблюдаются крупные сообщающиеся поры (рисунок 1а), при этом удельное электросопротивление и микротвердость имеют максимальные значения, что свидетельствует о диссоциации легирующей добавки YB6 уже на стадии спекания. Поэтому термодинамическая нестабильность YBr, ведет к повышенной растворимости частиц и значительной пористости. Для остальных сплавов характерна мелкая, рассеянная пористость (рисунки 16, 1в и 1г), обусловленная технологическими особенностями спекания.
Таким образом, проведенные совместно исследования микроструктуры, плотности, электросопротивления и микротвердости позволяют сделать вывод о термодинамической устойчивости вводимых добавок, которые (в порядке возрастания стабильности) можно расположить в следующий ряд: УВб - ZrN - ЬагОз - Y2O3.
Исследования влияния степени деформации на твердость, плотность электропроводность и температуру рекристаллизации проводились на иттрированном вольфраме, с содержанием 0,5 и 1,5 масс.% Y203. Для этого при температурах 1500... 1600°С спеченные прутки были подвергнуты ковке в отжимках со степенью деформации 10% и прессованию на 30...50%. Оказалось, что все образцы, изготовленные из сплава ВИ-15, разрушаются в процессе прессования, т.е. пластическая деформация этого сплава более чем на 55% невозможна в связи с повышенной хрупкостью металлокерамического вольфрама с большим содержанием второй фазы. Поэтому лишь образцы из сплава ВИ-5 удалось продеформировать на 90% продольной прокаткой с промежуточными отжигами. Исследования микроструктуры деформированных сплавов показали, что структура сплава ВИ-15 при степени деформации 10% (рисунок 2а) характеризуется незначительной ориентированностью, присущей для малых степеней деформации. С ростом степени деформации образцов ориентированность зерен увеличивается вместе с коэффициентом ассиметрии их формы (рисунки 26, 2в). Одновременно снижается выход годного материала, составляющего 95...97% при Е=30...35%, а при Е=55% все образцы разрушаются в процессе деформации, даже проводимой при температурах максимальной пластичности вольфрама 1400... 1600°С [2]. Образцы из сплава ВИ-5, которые удалось продеформировать на 90%, имеют волокнистую структуру, характерную для высоких степеней деформации (рисунок 2г).
а б в г
Рисунок 2 - Микроструктура иттрированного вольфрама в зависимости от степени деформации, 200х: а - Виб-15 Е = 10%; б - ВЛ-15 Е = 35%; в - ВИ-15 Е = 55%;
г - ВИ-5 Е = 90%
Результаты исследований твердости, плотности, электропроводности и температуры начала рекристаллизации, представленные на рисунке 3, позволили установить некоторые закономерности влияния степени деформации на комплекс физико-механических характеристик металлокерамического вольфрама. В частности, было замечено, что с ростом степени деформации возрастает плотность сплава, которая для сплава ВИ - 5 при Е = 90% приближается к теоретической. Аналогичная зависимость наблюдается и для микротвердости, растущей с увеличением степени деформации и искаженности кристаллической решетки матрицы. Однако подобные изменения влияют на значительное снижение электропроводности, причем это снижение не компенсируется некоторым увеличением электропроводности за счет большей компактности и ориентации вытянутых зерен вдоль оси контакта. Рост степени дефор-
мации ведет также к закономерному снижению температуры начала рекристаллизации сплавов, что обусловлено увеличением накопленной внутренней энергии, и если в сплаве ВИ-15, деформированном на 10%, рекристаллизация начинается лишь при температуре 2000°С, то в сплаве ВИ-5 (Е=90%) - уже при температуре 1400°С, т.е. близка к таковой для нелегированного вольфрама по данным [2].
Рисунок 3 - Влияние степени деформации на микротвердость (1,5), плотность (2,6), электропроводность (3,7) и температуру начала рекристаллизации (4,8) иттрированного вольфрама: ВИ-15 ВИ-5
Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что увеличение степени деформации металлокерамического вольфрама более 10%, т.е. превышающую деформацию, необходимую для стабилизации размеров и некоторого увеличения компактности, нежелательно, т.к. ведет к ухудшению теплофизических свойств сплавов и снижению термической стабильности структуры и свойств, определяющих работоспособность электроконтактных материалов.
Влияние количества легирующей добавки на физико-механические свойства металлокерамического вольфрама, проводимые на сплавах с наиболее термодинамически стабильной добавкой УгОз.
Анализ полученных результатов, представленных на рисунке 4 в виде графиков, показал, что с увеличением количества легирующей добавки наблюдается закономерное изменение свойств сплавов. Увеличение содержания в сплаве второй фазы, имеющей плотность 5,03 г/см3, т.е. почти в 4 раза меньшую, чем у вольфрама (19,3 г/см3), естественно ведет к снижению плотности сплава. Однако одновременно ухудшается спекаемость и возрастает пористость, что вызывает более резкий рост удельного электросопротивления по сравнению с рассчитанным для компактного материала, причем особенно резкое увеличение пористости отмечается начиная с 2% УгОз, что ведет к более значительному увеличению измеренного удельного сопротивления по сравнению с рассчитанным. В соответствии с законом Видема-на-Франца [3] это должно вызвать одновременное снижение теплопроводности, играющей существенную роль в тепловом балансе высоконагруженных коммутирующих электроконтактов, нарушение которого приведет к снижению работоспособности.
Меньшее влияние количества введенной дисперсной фазы оказывает на значение работы выхода электрона сплавов. Однако необходимо отметить, что начиная с 1% УгОз наблюдается существенное снижение ф (менее 4эВ при 2200°С). Увеличение легированности сплавов до 3 масс.% значительного влияния на термоэмиссионные свойства материала не оказывает.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что увеличение количества легирующей добавки ведет к снижению как работы выхода электрона, так и ухудшает теплофи-зические свойства.
в, а %
э &
4.0
в.о
ггоа'с ¡зооо "с
1 >- -
,2200 "С
--
100 я,
нк Он-см 90
?о
О
0,$ 1,0 1£
Рисунок 4 - Влияние количества (мас.%) УгОз на свойства вольфрама в спеченном состоянии (а) и при высоких (б) температурах (1-2 расчет, З-б эксперимент)
Поэтому допустимыми пределами изменения активной фазы являются 0,5... 1,5%, причем меньшее значение содержания легирующей добавки допустимо для контактов, работающих в цепи с силой тока менее 10А (магнето, контакты прерывателей зажигания ДВС), а большие значения - для контактов, коммутирующих токи свыше 10А, особенно в условиях горения затяжных дуг (контакты мощных, тяжелонагруженных трансформаторов, контакты с высокими токами короткого замыкания).
Выводы
Таким образом, проведенные исследования влияния легирования и структурности состояния на физико-механические свойства дисперсно-упрочненного вольфрама показали следующее:
• структура исследуемых сплавов в спеченном состоянии не может считаться удовлетворительной без применения последующей деформации;
• увеличение степени деформации, необходимое для увеличения компактности сплавов и ориентации зерен более 10% негативно сказывается на термической стабильности и тепло-электрофизических свойствах сплавов;
• оптимальное содержание в вольфраме наиболее стабильной легирующей добавки УгОз составляет 0,5... 1,5 масс%;
В целом проведенные исследования показали перспективность применения металлоке-рамических сплавов ВИ-5 и ВИ-15 для контактов системы зажигания ДВС.
Литература
1. Арзамасов В.Б. Материалы для высокотемпературных электродов различного назначения. Справочник по конструкционным материалам. - М., МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005, 551-554.
2. Савицкий Е.М., Поварова К.Б., Макаров П.В. Материаловедение вольфрама. - М., «Металлургия», 1978, 223 с.
3. Пелецкий В.Э., Тимрот Д.Л. Высокотемпературные исследования тепо- и электропроводности твердых тел. - М., «Энергия», 1971, 192 с.
Статистическое моделирование выходных параметров в процессе обработки керамических композиционных материалов связанным абразивом
к.т.н. доц. Бахарев В.П., Кнутова Е.Е.
Филиал МГИУ в г. Канешме 8 (49331) 5-82-50, 5-32-43, ктезИта. тзтЩ'атЫег. г и
Аннотация. Изложены теоретические и экспериментальные результаты статистического моделирования процессов доводки керамики связанным абразивом
