CC BY
31СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Gibbs J.W. The Collected Works of J. Willard Gibbs Thermodynamics — New York: Longmans, Green and Co., 1928. — Vol. 1, P. 55-349. In Russian: Гиббс Дж. В. Термодинамика. Статистическая механика. — М.: Наука, 1982.
2. Gladyshev Georgi P., On the Thermodynamics of Biological Evolution, Journal of Theoretical Biology, Vol. 75, Issue 4, Dec 21, 1978, pp. 425-441 (Preprint, Chernogolovka, Institute of Chem. Phys. Academy of Science of USSR, May, 1977, p. 46, на английском и русском).
3. Gladyshev G.P., Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings, Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc., 1997. 142 P. In Russian: Гладышев Г.П., Термодинамическая теория эволюции живых существ, М., Луч, 1996.-86с. ISBN 57005-0545-2 (пер.) http://creata-cad.org/?id=58&lng=eng
http://www.statemaster.com/encyclopedia/His-tory-of-thermodynamics
4. Гладышев Г.П. Супрамолекулярная термодинамика - Ключ к осознанию явления жизни. Что такое жизнь с точки зрения физико-хи-мика. Издание второе - М. - Ижевск. ISBN: 5939721982. 2003.
5. Gladyshev G.P. J Thermodyn Catal , 2017, 8: 2 DOI: 10,4172 / 2157-7544.100018, Life - A Complex Spontaneous Process Takes Place against the Background of Non-Spontaneous Processes Initiated by the Environment.
https://www.omicsonline.org/open-access/life--a-complex-spontaneous-process-takes-place-against-the-background-of-nonspontaneous-processes-initiated-by-the-environment-2157-7544-1000188.php?aid=91824
6. Gladyshev G.P., Thermodynamics of the origin of life, evolution, and aging, International Journal of Natural Science and Reviews. 2017. pp. 2-7. http://escipub.com/ijnsr-2018-01-1001/
7. Gladyshev G.P., On General Physical Principles of Biological Evolution, International Journal of Research Studies in Biosciences. 2017, Volume 5, Issue 3, Page No: 5-10. https://www.arcjour-nals.org/pdfs/ijrsb/v5-i3/2.pdf h https://www.re-searchgate.net/publication/314187646_On_Gen-eral_Physical_Principles_of_Biological_Evolution
8. Gladyshev G.P. Nature Tends to Maximum Stability of Objects in all Matter Hierarchies. Imperial Journal of Interdisciplinary Research (IJIR) Vol-3, Issue-3, 2017 https://www.onlinejour-nal.in/IJIRV3I3/327.pdf
9. MetaCyc https://metacyc.org/ .
10. Gladyshev G.P. Hierarchical thermodynamics explains the origin of life and its evolution, Norwegian Journal of development of the International Science, No 17/2018, pp. 27-35. ISSN 3453-9875
http://www.nj d-iscience.com/archive/ http ://www. norwegian-j ournal.com/wp-content/up-loads/2018/05/NJD_ 17_3.pdf .
11. Gladyshev G.P. On the thermodynamic direction of the origin of life and its evolution: A new confirmation of the theory, Journal of Norwegian development of the International Science, №26/2019, Vol. 2, pp. 31-36. ISSN 3453-9875 http://www.njd-isci-ence.com/archive/
12. Gladyshev G.P, Hierarchical thermodynamics presents model of evolution of live world. Norwegian Journal of development of the International Science, №28/2019, Vol. 2, pp. 50-57. ISSN 3453-9875 http ://www. nj d-iscience.com/wp-content/up-loads/2019/03/NJD_28_2.pdf
13. Darwin Ch. On the origin of species by means of natural selection. — London: Murray, 1859. — ISBN 8420656070.
TECHNOLOGY OF OBTAINING AND AREA OF APPLICATION OF ELECTROTECHNICAL COMPOSITIONAL MATERIALS ON A CARBON-GRAPHITE BASIS
Gulevsky V.,
Ph.D. assistant professor, Volgograd State Technical University
Shtremmel S.,
Master, Volgograd State Technical University
Kidalov N.
Professor, Doctor of Technical Sciences, Volgograd State Technical University
Gurbich V.,
Master, Volgograd State Technical University
Dudin N.
Master, Volgograd State Technical University
Velikanov M.,
Master, Volgograd State Technical University
Ogorodnikov S.
Master, Volgograd State Technical University
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА УГЛЕГРАФИТОВОЙ ОСНОВЕ
Гулевский В.А.,
Доцент к.т.н., Волгоградский государственный технический университет,
Штреммель С.А.,
Магистр, Волгоградский государственный технический университет
Кидалов Н.А.,
Профессор д.т.н., Волгоградский государственный технический университет
Гурбич В.А.,
Магистр, Волгоградский государственный технический университет
Дудин Н.Р.,
Магистр, Волгоградский государственный технический университет
Великанов М.А.,
Магистр, Волгоградский государственный технический университет
Огородников С.С.
Магистр, Волгоградский государственный технический университет
Abstract
The article discusses the technology of producing an electrical engineering composite of the carbon-graphite-copper alloy type, using the gas-free method of impregnating the porous carbon-graphite frame with a matrix copper alloy, and also presents the results of tests, evaluating the properties and the field of application of the composite materials Аннотация
В статье рассмотрена технология получения композита электротехнического назначения типа угле-графит - сплав меди, по безгазостатному способу пропитки пористого углеграфитового каркаса матричным медным сплавом, а также приводятся результаты испытаний, оценки свойств и области применения полученных композиционных материалов
Keywords: impregnation, copper, carbon-graphite, composite.
Ключевые слова: пропитка, медь, углеграфит, композиционны материалы.
Введение
Одним из чрезвычайно перспективных направлений в области создания высокоэффективных композитов функционального назначения является разработка композиционных материалов (КМ) на основе пористого углеграфитового каркаса, пропитанного сплавами металлов, обладающих повышенной химической стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. В таких КМ благоприятно сочетаются свойства каркаса, из углеграфита (повышенные антифрикционные характеристики, устойчивость при высоких температурах, химическая стойкость и т.д.) со свойствами металла (высокая прочность, хорошая электро- и теплопроводность) [1,2].
Использование в качестве матричного расплава - сплава меди, а в качестве пористого тела уг-леграфита позволяет получать композиционные материалы, широко применяемые в машиностроении для изготовления токосъемников, вставок пантографов, электрических щеток, уплотнителей, вкладышей подшипников скольжения, область использования которых очень разнообразна и включает не только выше перечисленные изделия, но и детали аэрокосмического назначения [3].
При осуществлении способа пропитки ёмкость изготовленную из стали 45 (рисунок 1) выполненную из двух камер 1 и 2 нагрели до температуры 4000С и заполнили камеру 2 расплавом свинца 10, установили металлическую мембрану 4 между ка-
мер и скрутили их так, чтобы мембрана герметизировала соединение, затем в камере 1 разместили пористую заготовку 5 и приспособление 7 предотвращающее всплытие пористой заготовки 5 из углегра-фита, закрыли камеру 1 крышкой 11 нагрели до температуры 6000С через стояк залили в камеру 1 расплав медно-фосфористого сплава 6, полностью покрывая им пористую заготовку. После того как матричный медно-фосфористый расплав залили в камеру для пропитки оставляя воздушный зазор 1012мм, емкость закрыли крышкой, установили газоотводную трубку 13 соединили шлангом с вакуумным насосом и достигли давления разряжения 0,01 МПа с одновременным воздействием вибрацией (на вибростоле) с выдержкой 15 мин при 8000С. Затем доливали расплав матричного сплава с температурой 9500С до верхнего края стояка с появлением на этом обрезе выпуклого мениска матричного расплава на основе меди, герметично притирали предварительно нагретую до 950 0С пробку. После этого нагревали емкость на 100 0С выше температуры ликвидус медно-фосфористого расплава с изотермической выдержкой 20 мин. при достижении указанной температуры и расчетного давления. За счёт разницы коэффициентов теплового расширения ёмкости имедно-фосфористого сплава 6, расплава свинца 10 внутри камеры 2, и расплава медно-фосфористого сплава 6, создаётся необходимое давление пропитки, одновременно с увеличением объема камеры 1. Затем удалили пробку 9, слили третью часть расплава 6, отвернули
крышку 11, извлекли полученный КМ и произвели его охлаждение с кристаллизацией расплава на медной основе в порах.
Таким образом, пропитка имеет две стадии, на первой происходит частичное заполнение открытых пор пористой заготовки 5 из углеграфита за счёт положительной разницы коэффициентов теплового расширения сплава на медной основе 6 по
отношению к материалу камеры 1, а во второй создаётся необходимое давление для пропитки за счёт теплового расширения расплава свинца 10 в камере 2, которое реализуется через изгиб мембраны, так как коэффициент теплового расширения свинца в 2,5 раза больше чем у материала ёмкости (Сталь 45).
Рисунок 1- Емкость для изготовления композиционного материала с газоотводной трубкой 1 - верхняя камера для пропитки, 2 - камера для создания давления ,3 - резьбовое соединение, 4 - металлическая мембрана, 5 - углеграфитовая заготовка, 6 - матричный медно-фосфористый сплав, 7 - противовсплывное приспособление, 8 - нижняя крышка, 9 ни ^сняя пробка, 10 - расплав свинца, 11- крышка, 12 - верхняя пробка, 13 - газоотводящая трубка
Таблица 1
Коэффициент теплового расширения металлов (а*10~6 0С -1) [3,4,6]
Металлы Температура, С0
5 10 30 50 100 200 300 400 500 600 800 1000
Cu 0,009 0,03 1,04 3,80 10,5 15,2 16,7 17,3 17,9 18,6 20,1 21,8
Сталь 45 - - - - 12,4 13 13,4 13,8 14,2 14,6 12 13,8
Al 0,11 0,5 1,04 3,62 12,3 20,2 23,3 24,5 26,2 28,1 32,6 -
Pb 0,20 3,02 17 21,8 25,4 27,3 28,5 29,6 31,7 - - -
Рисунок 2 - Зависимость коэффициента теплового расширения от температуры нагрева[6]
Полученный КМ испытывался на прочность при сжатии, степень заполнения открытых пор, структура КМ оценивалась по результатам металлографических исследований.
Таблица 2
Измеряемый параметр "АГ - 1500", Россия [4,5,7] SIGRI [4,5,7]
углеграфит углеграфит +Cu* углеграфит углеграфит + Cu
Плотность, кг/м3 1,78103 2,15103 2,10103 2,68103
Прочность, МПа при сжатии при изгибе 80-100 150 30-90 115
35-37 60-70 8-10 -
Твердость, НВ 104 200 110 220
Общая пористость ,% 20 6 9-12 3-5
Эффективный радиус пор 0,84 0,84 1,73 1,73
*- 40% заполнения пор
Рисунок 3
Зависимость степени заполнения пор углеграфита медным сплавом от величины его перегрева.
На участке а заложен температурный интервал, при котором перегрев сплава соответствует давлению, не превышающему противодавление в порах углеграфитового каркаса, поэтому процесс пропитки не осуществляется. На участке Р-1 происходит эффективное заполнение пор углеграфита пропитывающим сплавом, вследствие создания необходимых условий для пропитки, т.е. соответствует давлению, превышающему ДРу - капиллярное давление. Однако разница величин давлений позволяет заполнить поры крупнее 30 мкм, поры в диапазоне 30-60 мкм составляют в общем объеме открытой пористости около 48 %, этим и можно объяснить резкое увеличение степени заполнения (Пз) углеграфита сплавом на участке р-1, хотя величины давления все же недостаточно. Для комплектного заполнения углеграфита увеличивали давление. В результате, на участке 0-11 осуществляется заполнение типоразмеров пор 0-30 мкм, 60-150 мкм, которые составляют в общем объеме открытой пористости 15-20 % и 25-30 % соответственно, одновременно с этим создается давление Рт, за счет действия "мембраны-поршня" на медный расплав, в роли которого выступает изгиб металлической мембраны, под действием теплового расширения свинца в камере для создания давления, что приводит к увеличению степени пропитки углеграфито-вого каркаса на 3-10 % и оптимальному заполнению открытой пористости скелетных КМ с требуемыми физико-механическими свойствами, при этом, не уступает по этому показателю основным зарубежным аналогам. На участке п отмечено заметное снижение интенсивности заполнения от соответствующего увеличения давления пропитки, которое зависит, кроме того, от типоразмеров оставшихся незаполненных пор, их распределения, разветвленности, шероховатости поверхности и т.п.
Получение металлографтовых композитов широко апробировано на троллейбусных вставках и проведены натурные испытания в сложных климатических условиях при различных температурах нагрева, однако в настоящее время наметилась тенденция снижения использования данного вида транспорта и, постепенно происходит замена троллейбусов на электробусы. В первую очередь, это связано с возможностью у последних мобильности при изменении маршрутов, связанных с расширением городов и образованием новых районов в городской черте. Поэтому дополнительное внимание было направлено на КМ из углеграфита, в номенклатуру которых также входят углеродные щетки [8].
Щетка изнашивается под влиянием комбинации механического износа в результате трения и
электрического износа, в результате чрезмерного сопротивления на контактной поверхности (искрение, дугообразование). Для количественной оценки следует, что трение является главной причиной механического износа щетки, а падение напряжения является основным показателем электрического износа. В ходе работы, углеродные щетки изнашиваются как механически так электрически одновременно, общий износ является суммированием механического и электрического износа. Многое из ранее опубликованного в литературе указывает, что этот идеальный диапазон давления составляет от 0,01 до 0,02 МПа, площадь щетки (90 - 135 г/ см2) [9].
Существует несколько видов щеток таких как: металлографитные, электрографитные, графитные, связанные смолой, угольно-графитные. Металло-графитные щетки используют в более ответственной узлах и механизмах. Целесообразно использовать щетки, изготовленные из композиционного материала углеграфит-сплав меди, исходя из приведенных выше характеристик КМ.
В токосъемниках троллейбусов используются контактные вставки, отличающиеся по конструкции: форме профиля торца, конфигурации поперечного сечения, по длине и форме в плане, а также по материалу: угольно-графитовые, металлические и металлокерамические. Спрос того или иного типа контактных вставок определяется не только техническими характеристикам: износостойкостью, механической прочностью, электропроводностью, интенсивностью искрения при обеспечении долговечности контактных проводов троллейбусных линий, но и экономической составляющей, которая определяет стоимость - один из главных показателей для потребителя. Вместе с тем, несмотря на перечисленные конструктивные отличия, а также различия в использовании материалов при изготовлении контактных вставок, можно выделить общий конструктивный признак вставок: их однослой-ность [10]. Известен, например, способ совершенствования контактной вставки (Патент на полезную модель N0 120051 (РФ)). Контактная вставка токо-съемниковтроллейбусов / Гулевский В.А., Антипов В.И., Колмаков А.Г. - Опубл. 10.09.12 - БИ N0 25, в котором в рабочей части вставки размещен токо-проводящий медный элемент, данная конструкция обеспечивает снижение электрического сопротивления контактного слоя вставки в 2-3 раза при сохранении износостойкости и высоких смазочных свойств, а также долговечности проводов контактных линий. Конструкция данной вставки изображена на рисунках 4,5.
4
Рисунок 4 - Троллейбусная контактная вставка
1 - углеграфитовая пластина из углеграфитового КМ, 2 - раструбы, 3 - рабочая части вставки (желоб), 4 - контактный провод, 5 - токопроводящий элемент, 6 - медный штифт Рисунок 5 - Конструкция троллейбусной контактной вставки.
На рисунке 6, a показана микроструктура пропитанного медным сплавом углеграфитового композита.
Рисунок 6- Микроструктура электротехнического композита типа углеграфит- медно-фосфористый
сплав, СЭМ SMAQuanta 3D FEG.
Нами проводится усовершенствование конструкции электрических щеток и применение композиционного материала углеграфит-медный сплав позволит увеличить прочность, и долговечность работы данных щеток. Кроме того, улучшить электрический контакт, связанный с уменьшением электрического сопротивления щетки.
Согласно экспертным оценкам композиционные материалы системы «пористый углеграфит -сплавы меди» весьма перспективны при использовании их в качестве вкладышей радиальных и упорных подшипников, направляющих втулок, пластин, поршневых колец, щеток токосъемных элементов, элементов торцевых уплотнений в изделиях маши-
ностроения, приборостроения, а также в технологическом оборудовании для химической и нефтеперерабатывающей промышленности [8]
Автор работ [11,12] утверждает, что между углеродом и пропитывающим медным сплавом химическая взаимосвязь отсутствует, а существует только механическая связь между скелетами, однако результаты проведенных нами металлографических исследований композита углеграфит-медно-фосфористый сплав показывают иное. На рисунке 6 показана микроструктура композита углеграфит-медно-фосфористый сплав.
Применение метода безгазостатной пропитки позволяет значительно снизить себестоимость композиционных материалов за счет использования оборудования из обычных конструкционных материалов. По причине доступности оснастки, можно изготовить большое количество емкостей для пропитки с целью организации серийного или массового производства композитов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Костиков В.И., Варенков А.Н. Взаимодействие металлических расплавов с углеродными материалами. М.: Металлургия, 1981. 184 с.
2. Гулевский В. А., Мухин Ю. А., Загребин А. Н., Пожарский А. В. Влияние легирующих элементов на смачивание углеграфита медными сплавами // Заготовительные производства в машиностроении, 2009. - №6. - С. 45-48.
3. Пат. 2571295 РФ, МПК B22F3/26. Способ изготовления композиционных материалов / В.А. Гулевский, П.С. Головинов, Н.А. Кидалов, В.И. Ан-типов, А.Г. Колмаков, Л.В. Виноградов; ВолгГТУ. - 2015.
4. П. м. 135555 РФ, МПК B22F3/26, C22C47/12. Устройство для изготовления композиционного материала / В.А. Гулевский, С.Э. Власов, Н.А. Кидалов, В.И. Антипов, А.Г. Колмаков, Л.В. Виноградов; ВолгГТУ. - 2013.
5. Получение композитов типа углеграфит-сплав алюминия / Гулевский В.А., Головинов П.С., Черничкин Е.Е., Кидалов Н.А., Антипов В.И., Колмаков А.Г., Виноградов Л.В. / Наука и мир. - 2014. - № 8 (18). - С. 69-74.
6. Новикова, С.И. Тепловое расширение твердых тел / С.И. Новикова. - Москва: Наука, 1974. -289 с.
7. Матричный сплав для пропитки углегра-фитового каркаса / В.А. Гулевский [и др.] // Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. - 2009. - № 11 (59). - С. 81-84.
8. Зубченко А. С., Колосков М. М., Каширский Ю. В. и др. Марочник сталей и сплавов. — Машиностроение, 2003. — С. 585. — 784 с.
9. Jeff D. Koenitzer, P.E.Helwig products, incMilwaukee, Wisconsin, USA"The Effect of Spring Pressure on Carbon Brush Wear Rate" 2008
10. Исследование характера взаимодействия компонентов в композиционном материале из пористого углеграфитового каркаса, пропитанного силумином / В. А. Гулевский [и др.] // Перспективные материалы. - 2016. - №2
11. Electron percolation in copper infiltrated carbon / S. Krcho// Journal of Electrical Engineering. -2015. - № 6. - 339-343с.
12. Фиалков, А. С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе / А. С. Фиал-ков. - Москва: Аспект Пресс, 1979. - 718 с.
