Тепловое контактирование металлических поверхностей с оксидными пленками Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 536.241

ТЕПЛОВОЕ КОНТАКТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

С ОКСИДНЫМИ ПЛЕНКАМИ В. М. Попов, Е. Н. Лушникова, П. А. Черноухов

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

etgvglta@mail.ru

В процессе создания надежных теп-лонапряженных конструкций необходимо уметь рассчитывать контактное термосопротивление (КТС), возникающее за счет дискретного характера касания реальных металлических поверхностей и вследствие этого из-за стягивания и удлинения линий теплового потока к пятнам фактического контакта. При этом повышается градиент температур в зоне раздела, что снижает теплопередающую способность через контактный переход и вызывает термические расширения контактирующих элементов систем, сопровождающиеся относительными сдвигами и их короблениями.

За последние три десятилетия проведен большой объем экспериментальных и теоретических исследований отечественными и зарубежными учеными процессов формирования КТС в зависимости от таких факторов, как природа материала контактирующих тел, среда между поверхностями соприкосновения, температурные условия, усилия прижима поверхностей и др. [1-3]. Вместе с тем остаются малоизученными целый ряд вопросов, связанных с операциями по прогнозированию процессов контактного теплообмена. Так, до настоящего времени нет законченных рекомендаций по установлению влияния на контактный теплообмен оксидных пленок на поверхностях контактов. Из опубликованных на сегодняшний

день работ по этой проблеме следует, что наличие оксидных пленок на контактных поверхностях по данным одних исследований [4, 5] значительно повышает КТС, у других [6] практически не оказывает влияния на величину КТС. Естественно возникает необходимость более тщательной проработки этой проблемы. Ранее данный вопрос нашел теоретическую оценку путем рассмотрения модели процесса теплопереноса через элементарный тепловой канал, имитирующий единичный контакт соприкасающихся металлических поверхностей, покрытых оксидной пленкой [7]. Установлено, что влияние оксидной пленки на КТС соединения возрастает с увеличением отношений толщины пленки к радиусу пятна контакта и коэффициента теплопроводности материала контактной пары к коэффициенту теплопроводности оксидной пленки.

Сделать окончательный вывод о влиянии оксидной пленки на соприкасающихся металлических поверхностях на формирование полного КТС соединения можно только путем постановки физического эксперимента.

Реализация поставленной задачи проводилась на экспериментальной установке стержневого типа [2], применяемой для исследования контактного теплообмена (рис. 1).

11 \ Ю Л/ 9

Рис. 1. Принципиальная схема установки для определения контактного термосопротивления:

1 - нагреватель; 2 - нагревательный элемент; 3 - адиабатическая боковая поверхность; 4 - горячий спай; 5 - переключатель позиций; 6 - осциллограф самопишущий; 7 - холодный спай; 8 - сосуд Дьюара; 9 - потенциометр; 10 - холодильник; 11 - штатив; 12 - набор грузов;

13 - реостат

Основным элементом установки является рабочий участок, состоящий из двух металлических стержней, один из которых выполняет роль нагревателя, второй - холодильника. Нагрев верхнего стержня производится электрическим нагревателем, мощность которого регулируется автотрансформатором и реостатом. Охлаждение нижнего стержня осуществляется проточной водой. Боковые поверхности стержней теплоизолированы. На каждом стержне тепломере устанавливались в специально приготовленные радиальные сверления по пять хромель-копелевых термопар. Электродвижущая сила, развиваемая термопарами, измерялась компенсационным методом при помощи потенциометра. Нагружение контактных поверхностей осуществлялось набором грузов. Стержни изготавливались из меди марки М2 и алюминиевого сплава Д16Т.

Особое внимание уделялось подготовке поверхностей контактов к экспериментам. Шероховатость поверхностей определялась на профилометре - профилограмме «Калибр ВЭИ» с пределами измерений по К2 - 40...0, ОАмкм . По специальной технологии производилась операция по выращиванию оксидных пленок на торцевых поверхностях стержней путем нагрева. Толщина оксидных пленок находилась по цветным картам [8].

Контактное термосопротивление находилось стационарным методом, основанным на законе Фурье и дифференциальном уравнении теплопроводности для неограниченной пластины с изотермическими поверхностями

к -АТк кк ~-

(1)

ср

Температурный перепад в зоне кон-

такта Л Туг. определялся по графику изменения температур по длине тепломеров.

Величину среднего теплового потока вычисляли по градиенту температур в верхнем и нижнем стержнях - тепломерах по формулам:

К^п ~тп+1) _

Чв = Чп =

1п-1п + \ ^н СЦ„ ~ Тт+1)

(2)

(3)

Ш - <т + 1

где Ав, Ан- соответственно коэффициенты теплопроводности материалов верхнего и нижнего стержней;

1 и Тт,Тт+1 - температуры в

смежных точках стержней, где установлены термопары;

е„-еи+1 и ет-е„;+1 - расстояния

между смежными точками. Анализ полученных опытных данных позволяет сделать следующие выводы. Увеличение толщины оксидной пленки приводит к росту КТС (рис. 2). Из опытных данных также следует, что с увеличением отношения суммы толщин оксидных пленок к сумме средних высот микронеровностей контактирующих поверхностей растет контактное сопротивление (рис. 3).

2,0 1.6 1.2 0.8

ОА

О

о ~о—е 3

2

л

1 1

Р МПа

Рис. 2. Зависимость КТС от нагрузки при отсутствии (1) и наличии на поверхностях контактной пары из меди М2 оксидных пленок (2, 3):

чистота обработки поверхностей -Л. =3,1-10~6л/, К^ = 2,7 ЛОГ6м ; температура в зоне

контакта Тк = 393К ; толщина оксидных пленок: 2 — 8^ + 8П^ = 1100 • 10

-ю

°2

м:

-.-10

3-215010 л/; среда - воздух

* мЪ

• вт

2.0

1.6

1.2

0.8

ОА

о 3

2

V

X

1

О

1

Р. МПа

Рис. 3. Зависимость КТС от нагрузки при отсутствии (1) и наличии (2, 3) на поверхностях контактной пары из сплава Д16Т оксидных пленок:

чистота обработки поверхностей = 4,1 • 10~6л/, Я^ = 2,7 • 10~6л/; температура в зоне кон-

такта- Тк = 393К ; толщина оксидных пленок: 2-8 +8 =1050-10 10л/, 3-2050-10

ч-Ю

среда - воздух

°2

л/:

Для реальных теплонапряженных технических систем контактирующие поверхности в составных элементах зачастую имеют макронеровности, которые, как показывают специальные исследования [2, 3], способствуют значительному повышению общего КТС. Соответственно возникает необходимость изучения формирования КТС для подобных тепловых контактов при наличии покрытий из оксидов. С этой целью были проведены исследования

зависимости КТС от нагрузки для контактной пары из сплава Д16Т с поверхностями, имеющими относительную неплос-

=84-10 - общая экви-

костность

валентная

л-6

неплоскостность,

равная

29-10"" л/ и вн - радиус макроконтактного

элемента).

Результаты проведенных исследований приведены на рис. 4.

Rs10

4 нЪ - Нт

го

1.6

1.2

0.8

0.4

3

2

1

О

1

РМПа

Рис. 4. Зависимость КТС от нагрузки при отсутствии (1) и наличии (2,3) оксидных пленок на

поверхностях контактной пары из сплава Д16Т:

чистота обработки поверхностей -Я2л = 16,8-10~бл/, Я^ = 17,3 • 1СГ6 л/; температура в зоне

контакта -Тк = 403К ; толщина оксидных пленок: 2 — 5^ + SQo = 1210 •

10

-ю

л/.

-«-10

3 - 2020•10 1WЛ/; среда - воздух

Характер кривых Як = /(Р) (рис. 4)

идентичен, как и для контактов с плоскими поверхностями (рис. 2, 3). Вместе с тем общее КТС в последнем случае значительно выше, что объясняется наличием на поверхностях контактов неплоскостности.

Полученные экспериментально данные позволяют прогнозировать КТС при проведении тепловых расчетов в технических системах с составными элементами, имеющими окисленные поверхности.

Библиографический список

1. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А., Царев-ский С.Н. Контактное термическое сопро-

тивление. - М.: Энергия, 1977. 328 с.

2. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. - М.: Энергия, 1971. 216 с.

3. Мадхусудана К.В., Флетчер Л.С. Контактная теплопередача. Исследования последнего десятилетия // Аэрокосмическая техника. 1987, № 3. С. 103-120.

4. Boeshoten, Van der Held E. The thermal conductance of contacts between alumimem other metale // Physical. 1957. V. 23. № 1. P. 37-44.

5. Sanderson P.D. Thermal resistance of mangox - uranium interface. Jnital results on effect of uraniut oxide thickness / NPCC -EEWP / P100. English. Co. Ltd. 1957.

6. Харитонов В.В. Влияние теплопроводности поверхностного слоя на контактное термическое сопротивление // Атомная энергия. 1974. Т. 36. Вып. 4. С. 308-310.

7. Попов В.М., Крючков А.Е. Влияние окисных пленок на теплообмен в зоне

контакта металлических поверхностей // Тепловые процессы в технике. 2009. Т. 1. № 5. С. 183-186.

8. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов. - М.: Машиностроение, 1962. 856 с.