CC BY
37
УДК 621.316.53 ББК 31.264-04
Е.П. ШАЛУНОВ, В.М. СМИРНОВ
ВЫСОКОРЕСУРСНЫЕ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ КОММУТАЦИОННЫЕ КОНТАКТЫ ИЗ ОБЪЕМНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВОЙ МЕДИ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Ключевые слова: коммутационные контакты, разрывные контакты, электроды контактной сварки, реакционное механическое легирование, объемные нанострук-турные материалы, дугостойкость, залипание контактов, ресурс.
Приводятся коммутационные контакты из разработанных объемных нанострук-турных материалов (ОНМ) на основе порошковой меди системы Си-А1-С-0 и результаты их сравнительных стендовых и натурных испытаний, которые показали, что разрывные контакты из ОНМ с условным обозначением МАГ 25-15К могут служить безусловной альтернативой серебряным контактам, обеспечивая помимо высокого технического также значительный экономический эффект. Электроды точечной контактной сварки из ОНМ МАГ 80-15КС являются эффективной заменой электродам из циркониевых, хромоциркониевых бронз и дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе меди AL-60 GlidCop®.
Анализ работы наиболее совершенных электрических аппаратов и электротехнологических установок показывает, что их работоспособность и надежность во многом зависят от используемых в них различных коммутационных контактов - соответственно разрывных контактов и электродов. Для высоконагруженных и даже средненагруженных коммутационных контактов возникновение электрической дуги при их сближении и расхождении является характерным явлением. Возникающая дуга вызывает значительный механический и электрический износ контактов. При замыкании контактов с достаточно большим усилием (например, при контактной точечной сварке) в зоне контактирования в результате нагрева поверхности контактов их материал подвергается пластической деформации, что сопровождается течением металла в какую-либо сторону и выходом его за первоначальные габариты контактов [1, 8]. Еще одним видом отказов, наблюдающихся в практике эксплуатации коммутационных контактов, является их «залипание», т.е. приваривание друг к другу. Этот вид отказа расценивается в соответствии с ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и последствия» как сбой.
Исходя из изложенного выше наиболее востребуемыми электрическими контактами и электродами для современных и перспективных электрических аппаратов и электротехнологических установок являются те, в которых используются новые электроконтактные материалы, обладающие помимо хорошей электро- и теплопроводности, электроэрозионной стойкости также высокой жаропрочностью, благодаря которой удается сохранять первоначальные геометрические параметры электрических контактов в более длительный пери-
од времени, в том числе при высоких плотностях токовой нагрузки, и тем самым повысить их ресурс [1, 8].
Также очевидно, что электрические контакты не должны быть дорогими и трудновоспроизводимыми в промышленных условиях. Поэтому в последние годы во всем мире предпринимаются усилия по замене электрических контактов из серебра и композиционных материалов на его основе (Ag-CdO, Ag-PbO, Ag-СиО, Ag-SnO2, Ag-Ni, Ag-C, Ag-W и др.) на более дешевые, но обладающие не худшими эксплуатационными свойствами. При этом в качестве материала для разрывных контактов во многих случаях используется техническая медь. Однако ее применение в разрывных контактах электрических аппаратов при повышенной плотности коммутируемого тока сопряжено со значительными проблемами, а в электродах электротехнологических установок, в частности машин для контактной сварки, медь вообще не может применяться [1, 5, 8].
Для указанных целей используются различные диспресионно-твер-деющие медные сплавы, в которых повышение прочностных свойств обеспечивается за счет легирования медной основы. При этом легирование меди ведется лишь такими элементами, которые значительно повышают прочность и в меньшей степени влияют на снижение ее электропроводности. К таким легирующим элементам относятся кадмий, хром, цирконий, магний. В частности, введение в медь 1% масс. 2г или Сг повышает ее твердость в 2,5 раза, а электропроводность уменьшается на 25-30%. [5]. Однако дисперсионно-твердеющие медные сплавы сохраняют свои прочностные свойства лишь до температур, составляющих 0,5-0,6 температуры плавления Тпл меди, а уже при 0,7Тпл они приближаются к прочностным характеристикам чистой меди. Например, хромоциркониевая бронза БрХЦр, наиболее широко применяемая для изготовления электродов контактной сварки, имеет температуру рекристаллизации, не превышающую 550°С [5].
По сравнению с дисперсионно-твердеющими сплавами, в которых существование мелкодисперсной фазы-упрочнителя зависит от температуры нагрева сплава (в частности, при высоких температурах она растворяется в матрице), все более находящие применение дисперсно-упрочненные композиционные материалы (ДУКМ) на медной основе [3] содержат фазы-упрочнители, которые не растворяются в меди и не взаимодействуют с ней вплоть до температуры ее плавления. Эти фазы представляют собой мелкодисперсные равномерно распределенные в медной матрице частицы оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других динамически термостабильных соединений, которые являются препятствием для дислокаций, в том числе при нагреве материала. Этим обусловливаются наилучшие прочностные характеристики материалов данного класса не только при нормальной, но и при высоких температурах. Следует отметить, если размеры указанных выше частиц в дисперсно-упрочненных материалах не превосходят 100 нм, их относят к объемным наноструктурным материалам (ОНМ) [2].
В работах [1, 8] отмечается, что объемные наноструктурные материалы на медной основе благодаря своим свойствам и структуре могут в наиболь-
шей степени отвечать требованиям, которые предъявляются к материалам коммутационных контактов современных и перспективных электрических аппаратов и электротехнологических установок.
Одной из наиболее прогрессивных технологий получения ОНМ для электрических контактов является технология, основанная на методе реакционного механического легирования в высокоэнергетических шаровых мельницах, например, аттриторах [10, 15, 16]. В частности, авторами работы [17] данный метод был использован для получения ОНМ системы Си^1-О из элементарных порошков меди и алюминия. В результате осуществления ме-ханохимического синтеза во время обработки порошковой смеси в аттриторе алюминий и кислород воздуха в рабочей камере аттритора образовывали оксид алюминия, размер частиц которого составлял 28-90 нм. Но при этом также образовывались и достаточно крупные частицы оксидов меди, резко снижающих электропроводность получаемых материалов. Следует добавить, что поскольку кислорода воздуха в аттриторе было недостаточно для получения требуемого для упрочнения материалов оксида алюминия, то для дополнительного окисления свободного алюминия проводилась термообработка полученной в аттриторе гранульной композиции в окислительной среде водяного пара, к которому добавлялось строго определенное количество водорода для одновременного восстановления меди из ее оксидов. Термообработанные гранульные композиции далее подвергали холодному компактированию в брикеты, которые затем в горячем виде экструдировали в прутки. Рекристаллизация и связанное с ней разупрочнение данных материалов наблюдалось лишь при температурах свыше 800°С [17], что объясняется созданием в них действительно достаточно оптимальной с позиций теории дисперсного упрочнения [7] структуры, особенно, тонкой, характеризующейся как наличием в ней субзерен нанодисперсного уровня и упрочняющих наночастиц оксида алюминия, так и высокой плотностью дефектов кристаллического строения.
Однако необходимость использования в технологическом процессе термообработки в водородной среде со строго определенным соотношением восстановителя (водорода) и окислителя (водяного пара) делает получаемые материалы дорогостоящими, а процесс формирования их свойств - сложно контролируемым, в связи с чем данная технология не нашла промышленного применения.
Цель настоящей работы - получение на основе медных наноструктур-ных материалов высокоресурсных и энергосберегающих коммутационных контактов, в частности разрывных контактов и электродов для наиболее современных и перспективных электрических аппаратов и электротехнологических установок.
Материалы для коммутационных контактов и их получение. В настоящей работе для получения объемных наноструктурных материалов для коммутационных контактов так же, как и в [17], использовались элементарные порошки меди и алюминия, которые подвергались совместной обработке в аттриторе. Однако в целях упрощения технологии и, соответственно, удешевления получаемых материалов, а также повышения их физико-механи-
ческих и эксплуатационных свойств, прежде всего электропроводности, жаропрочности, дугостойкости, сопротивления «залипанию», в исходный порошковый состав из порошков меди и алюминия дополнительно вводились углерод в виде графита и порошок оксида меди [9, 12-14]. Углерод препятствует окислению меди при ее обработке в воздушной среде рабочей камеры аттритора и является источником образования углекислого газа при дальнейшей термообработке полученных в аттриторе гранул, обеспечивающего как восстановление меди из ее оксидов, так и предотвращение этих гранул от окисления во время термодеформационных переделов. При этом часть углерода может быть оставлена в конечном материале в ультрадисперсной форме в виде его антиадгезионной добавки. Введенный в исходную порошковую смесь оксид меди, наряду с кислородом воздуха в рабочей камере аттритора, обеспечивает более полное окисление порошкового алюминия, т.е. образование упрочняющих наночастиц оксида алюминия А1203. Термообработка гранул производилась не в смеси водорода и водяного пара, а в среде углекислого газа, образовываемого при нагреве древесного карбюризатора.
В качестве исходных порошков при получении ОНМ системы Си-А1-С-0 для электрических контактов использовались электролитический порошок меди ПМС-1 (ГОСТ 4960-75), порошок технического алюминия ПП-1 (ГОСТ 5592-71), углерод в виде порошка карандашного графита ГК-3 (ГОСТ 4404-78) и порошок оксида меди Си0 ЧДА (ГОСТ 16539-79).
Обработка порошковых смесей различных составов производилась в ат-триторе с емкостью рабочей камеры 15 л в течение 60 мин с частотой вращения ротора аттритора 600 об./мин в среде воздуха его рабочей камеры. При этом осуществлялось варьирование содержанием алюминия в пределах 0,25-1,00%масс., углерода - 0,15-0,30%масс., оксида меди - 1,32-3,50%масс. Что касается содержания кислорода (из воздуха рабочей камеры аттритора) в порошковой смеси, то оно при указанных выше режимах ее обработки в аттри-торе может быть принято постоянным - 0,155%масс. [14].
Технологический передел полученных гранул в полуфабрикаты в виде прутков круглого и прямоугольного сечений, размеры которых определялись формой и размерами изготавливаемых из них конкретных разрывных контактов и электродов, в общем случае включал следующие операции:
- термообработка гранул в помещенном в электропечь технологическом контейнере, содержащем углекислый газ;
- холодное двустороннее прессование гранул в цилиндрические брикеты в контейнере гидропресса;
- нагрев брикетов в технологических капсулах, помещенных в электропечь и содержащих углекислый газ, и последующая их экструзия в полуфабрикаты с использованием подогретого контейнера гидропресса.
Конкретные режимы указанных выше операций технологического передела зависели как от химического состава получаемых материалов, так и от формы и размеров изготавливаемых из них полуфабрикатов [12-14].
Полученные материалы различных составов и, соответственно, с различными физико-механическими свойствами подробно исследованы авторами в
их работах [12-14]. Анализ этих материалов позволил выделить из них те, которые в наибольшей степени подходят для изготовления коммутационных контактов современных и перспективных электрических аппаратов и электротехнологических установок. В табл. 1 приведены основные физико-механические свойства этих материалов, имеющих такие условные обозначения, как МАГ 25-15К, МАГ 40-2К, МАГ 50-25К и МАГ 80-15КС, а также для сравнения - электротехнической хромоциркониевой бронзы БрХЦр и зарубежного (США) дисперсно-упрочненного композиционного материала (ДУКМ) системы Си-А1-0 марки АЬ-60 под торговым знаком ОШСор® [9].
Таблица 1
Основные физико-механические свойства различных электроконтактных материалов на основе меди
Электроконтактные материалы Отн. электропровод-ность, % 1ЛС8 Теплопровод-ность, Вт/мхК Температура рекристаллизации, °С Твердость, НВ 5/750/30 Предел прочности при растяжении, МПа Отн. удлинение, %
Разработанные электроконтактные материалы
МАГ 25-15К 92 339 830 128 400 21,0
МАГ-40-20К 87 325 840 140 420 15,0
МАГ 50-25К 85 315 870 140 492 15,0
МАГ 80-15КС 80 309 850 178 496 14,0
Традиционные электроконтактные материалы
БрХ1Цр 75 320 550 155 490 15,0
АЬ-60 ОШСор® 78 287 860 138 513 20,5
Стереологический анализ дисперсных частиц, проведенный на угольных репликах полученных материалов, показал, что примерно 90% этих частиц имеют средний размер до 35 нм. Расшифровка микроэлектронограмм от фольг и рентгеноструктурный анализ анодного осадка материалов системы Си-А1-С-0 позволили установить, что основными дисперсными частицами являются частицы окиси алюминия у-А1203. Стереологический анализ субзерен, проведенный на тонких фольгах из исследуемых материалов, выявил, что их размеры не превышают 100-120 нм.
Сбалансированный химический состав и указанные параметры структурных составляющих разработанных материалов обеспечили им более высокую, чем у традиционных электроконтактных материалов на основе меди, электропроводность (80-92% от электропроводности чистой меди) при практически равных с ними прочностных и пластических свойствах. При этом разработанные материалы имеют такую же, как и дисперсно-упрочненный материал системы Си-А1-0 марки АЬ-60 ОШСор®, высокую температуру рекристаллизации - 830-870оС.
Благодаря приведенным выше параметрам структурных составляющих разработанные материалы относятся к объемным нанострук-турным материалам.
Изготовление плоских разрывных контактов (напаек) электрических аппаратов (рис. 1) осуществлялось путем резки горяче-экструдированных прутков прямоугольного и круглого сечений на мерные заготовки и их последующего шлифования.
Электроды колпачкового типа F16 по ISO 5821:2009 для контактной точечной сварки (рис. 2) изготавливались методом холодной объемной штамповки предварительно нарезанных от прутков мерных заготовок или методом их точения.
Указанные выше разрывные контакты электрических аппаратов и электроды для контактной точечной сварки были подвергнуты стендовым и натурным испытаниям. При этом, для сравнения, таким же испытаниям подвергались аналогичные по форме и размерам коммутационные контакты, изготовленные из традиционных электроконтактных материалов.
Стендовые испытания коммутационных контактов и их результаты. Стендовые испытания коммутационных контактов из полученных ОНМ системы Cu-Al-C-O проводились с целью выявления среди них наиболее подходящих материалов, которые могли бы быть в дальнейшем использованы для проведения натурных испытаний изготовленных из них разрывных контактов и электродов контактной точечной сварки.
Для определения стойкости коммутационных контактов из разработанных материалов к воздействию электрической дуги была использована приведенная в [8] методика испытаний электрических контактов, согласно которой их стойкость к такому воздействию оценивается по скорости изнашивания контакта. При этом скорость изнашивания определяется как отношение изменения объема материала контакта при дуговом воздействии ко времени действия дуги, а изменение объема - как отношение изменения массы к плотности данного материала. Контакт, у которого скорость изнашивания оказывается наименьшей, и является наиболее устойчивым к дуговому воздействию.
Для проведения сравнительных испытаний на стойкость к дуговому воздействию были использованы по три пары одинаковых контактов в форме
Рис. 1. Плоские разрывные контакты из объемных наноструктурных материалов системы Cu-Al-C-O
Рис. 2. Электроды точечной контактной сварки из объемных наноструктурных материалов системы Cu-Al-C-O
диска диаметром 10 мм, изготовленных как из приведенных в табл. 1 медных ОНМ, так и из технической меди М1. Контакты припаивались к медным электрододержателям, соединенным с силовым блоком испытательной установки посредством высоковольтных кабелей. Перед проведением испытаний рабочие поверхности контактов зачищались и затем пара контактов из одного и того же материала выставлялась таким образом, чтобы рабочие поверхности контактов имели между собой зазор, равный 10 мм. По завершении данной операции между этими поверхностями контактов устанавливался «запал» в виде тонкой витой проволоки диаметром не более 0,5 мм для возникновения короткого замыкания. Сгорание «запала» имитировало процесс размыкания электрических контактов, при котором происходит зажигание электрической дуги. Через таким образом закороченный воздушный промежуток между двумя электродами пропускался импульс тока, параметры которого характерны для дугогасительных контактов быстродействующих выключателей, например, подстанций контактной сети железных дорог постоянного тока [1, 8]. В частности, регистрируемый осциллографом импульс тока состоял из трех основных ступеней. Первая ступень характеризовалась полусинусоидальной формой тока с длительностью по основанию 0,03-0,04 с и амплитудой 2,4-2,6 кА. На второй ступени электрический ток был практически постоянным с силой 2,5-2,6 кА при длительности 0,12-0,13 с. На третьей ступени, соответствующей процессу гашения электрической дуги, сила электрического тока за 0,01 с практически линейно падала до нуля.
В результате испытаний было установлено, что наименьшую скорость изнашивания контактов из разработанных материалов имели контакты, изготовленные из медного ОНМ системы Си-А1-С-0 МАГ 80-15КС. При этом средняя скорость изнашивания контакта, выполнявшего роль катода, составила 0,55 см3/с, а контакта, бывшего анодом, - 0,23 см3/с. Скорость же изнашивания таких же контактов из меди составила, соответственно, 1,64 см3/с и 0,76 см3/с.
На основании этих результатов и с учетом того, что стойкость коммутационных контактов к воздействию электрической дуги характеризует их ду-гостойкость [1, 8], можно заключить, что контакты из разработанного ОНМ системы Си-А1-С-0 МАГ 80-15КС обладают дугостойкостью, в 3,0-3,3 раза превышающей дугостойкость медных контактов.
Испытания электрических контактов на «залипание» проводились на стенде, обеспечивающем периодическое соприкосновение испытуемого контакта в виде диска с цилиндрическим вольфрамовым электродом диаметром 1 мм, подпружиненно установленными на расстоянии 5 мм друг от друга, со скоростью замыкания-размыкания примерно 50 мм/с, частотой коммутаций тока (числом циклов включений-выключений), равной 1 Гц (60 коммутаций в минуту), и продолжительностью включений - 80%. Использовался постоянный ток напряжением 380 В. Максимальный коммутируемый заряд составлял 0,1 Кл. Вероятность наступления данного вида отказа рассчитывалась как отношение числа испытаний, в которых наблюдалось «залипание», к общему числу испытаний.
Испытаниям были подвергнуты по пять контактов из разработанного медного наноструктурного материала МАГ 80-15КС и технической меди М1.
В результате испытаний было установлено, что вероятность «залипания» контактов из меди составила 0,7, тогда как этот параметр для контактов из медного материала МАГ 80-15КС был равен 0,1.
На основании данных результатов можно заключить, что вероятность «залипания» электрических контактов из разработанного ОНМ системы Cu-Al-C-O МАГ 80-15КС в 7 раз меньше, чем у медных контактов.
Для того, чтобы можно было максимально выявить преимущества разработанных материалов по сравнению с традиционными электроконтактными медными материалами, необходимо было их испытать в таких контактах, которые во время эксплуатации испытывают сильный нагрев и одновременное воздействие значительной силовой нагрузки. Безусловно, к таким контактам относятся электроды точечной контактной сварки, особенно осуществляемой в роботизированных сварочных комплексах, где темп сварки достигает 1 сварная точка в секунду и даже больше.
Испытания электродов точечной контактной сварки проводились по разработанной в Институте электросварки имени Е.О. Патона НАН Украины методике ускоренных испытаний [4], предусматривающей использование в качестве объекта сварки листовой низкоуглеродистой стали, покрытой цинком, толщина которого в 2-3 раза превышает толщину цинкового покрытия на стандартных листах горячеоцинкованной стали. Поскольку большая толщина цинкового покрытия приводит к снижению стойкости электродов [5, 15], обеспечивается возможность получения результата за достаточно короткий промежуток времени. Для еще большего ужесточения условий работы электродов сварка на первом этапе испытаний производится при отсутствии их охлаждения, что обеспечивает сильный электродов. На втором этапе испытания электроды охлаждаются.
Испытания электродов проводились в указанном выше институте на машине для контактной точечной сварки модели МТ-22. Испытаниям были подвергнуты электроды колпачкового типа F16 (диаметром 16 мм) по ISO 5821:2009 (см. рис. 2), изготовленные из разработанного ОНМ системы Cu-Al-C-O МАГ 80-15КС, а также такие же электроды из медного сплава системы Cu-Cr-Zr (хромоциркониевой бронзы) производства предприятий Германии, Кореи и России (ОАО «Красный выборжец») и из ДУКМ системы Cu-Al-O марки AL-60 GlidCop® производства США. Содержание циркония в хромоциркониевых бронзах, произведенных в Германии и Корее, составляло около 0,1%масс., а в произведенной в России бронзе БрХЦр -0,06%масс.
Сварке подвергались пакеты, которые состояли из двух одинаковых пластин шириной 40 мм, нарезанных из горячеоцинкованных (с толщиной покрытия 5) листов малоуглеродистой стали толщиной S (табл. 2). Их сварка осуществлялась при сварочном токе силой /св, времени сварки давлении сжатия электродовp и темпе сварки T (см. табл. 2).
Таблица 2
Геометрические параметры свариваемых образцов и режимы их точечной сварки
Этап Геометрические параметры свариваемых образцов Режимы контактной точечной сварки при испытаниях электродов
в, 8, ^св., P, Т,
мм мкм кА цикл. МПа точек/мин
1 0,5 20... 30 4,5.5,0 5.6 200 35
2 0,8 30...60 8,8.9,5 8.9 280.300 35
После выполнения каждых 20 сваренных точек этими же электродами выполнялась контрольная точка на таком же пакете, после чего одна пластина отрывалась от другой и производился замер диаметра литого ядра сваренной точки. Далее для электродов из всех указанных выше материалов строились графики зависимости диаметра литого ядра с1я от количества сваренных точек N. Исходя из того, что согласно стандарту [15] диаметр а?я при указанной толщине стальных полос должен быть не менее 3 мм, по этим графикам определялось количество сваренных точек, соответствующее указанному значению диаметра литого ядра, которое принималось за ресурс электродов Яэ. Поскольку увеличение диаметра контактной поверхности электрода на 20% приводит к возникновению опасности «непровара» сварного соединения [5], электроды с увеличенным до такого значения диаметром подвергались переточке.
В табл. 3 приведены результаты проведенных испытаний электродов из указанных выше материалов до первой переточки.
Как следует из табл. 3, наибольшим ресурсом на каждом этапе проведенных испытаний обладали электроды из разработанного объемного нано-структурного материала системы Си-А1-С-0 МАГ 80-15КС. Их ресурс оказался в 1,5-1,7 раза выше ресурса электродов из лучшей среди испытанных хромоциркониевой бронзы, произведенной в Германии, и на 5% выше ресурса электродов, изготовленных из ДУКМ системы Си-А1-0 марки АЬ-60 ОШСор®, произведенного в США.
Таблица 3
Ресурс электродов колпачкового типа F16 при испытаниях до первой переточки
Материалы электродов Хромоциркониевая бронза, произведенная ДУКМ ОНМ
в Германии в Корее в России AL-60 GlidCop® (США) МАГ 80-15КС
1-й этап испытаний 280 275 150 - 425
2-й этап испытаний 600 - 600 950 1000
Натурные испытания коммутационных контактов и их результаты.
На железнодорожном транспорте в качестве материалов для изготовления электрических контактов часто используется такой дорогостоящий металл, как серебро [1, 8]. В частности, серебряные контакты, способные работать в условиях возникновения умеренной электрической дуги (до 1 кА), широко применяются в различных электрических аппаратах тягового подвижного состава.
Для выявления возможности замены серебра в электрических контактах на более экономичный и долговечный материал совместно с ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» на Воронежском тепловозоремонтном заводе были проведены сравнительные эксплуатационные испытания разрывных контактов с напайками (см. рис. 1) из разработанного ОНМ системы Cu-Al-С-O МАГ 25-15К (см. табл. 1) и аналогичных контактов с напайками из серебра Ср.999. Было испытано по 200 шт. контактов из каждого из указанных материалов, которые были установлены на контакторы МК1-10УЗ, МК1-20УЗ, МК3-10УЭ, ТКПД-114, КМ-2334, ТКПМ-111, ТКПМ-121 и ЧКГ-566 нескольких тепловозов 2ТЭ-116.
Результаты испытаний показали, что линейный износ контактов из разработанного материала МАГ 25-15К при номинальном токе 100 А составил 0,22-0,25 мм на 100 тыс. км пробега тепловоза, тогда как линейный износ таких же контактов из материала Ср.999 при тех же токовых нагрузках составил 1,75-3,75 мм на 100 тыс. км пробега. Таким образом, средняя интенсивность изнашивания контактов из нового материала оказалась почти в 6 раз меньшей по сравнению с той же характеристикой для серебряных контактов.
Из рис. 3, а видно, что электрические контакты из разработанного материала МАГ 25-15К при пробеге тепловоза 41 тыс. км претерпели лишь несущественные изменения, в то время как у серебряных контактов наблюдалось выдавливание расплавленного серебра из их рабочей области (рис. 3, б).
а б
Рис. 3. Рабочая поверхность разрывных контактов из объемного наноструктурного материала МАГ 25-15К (а) и серебра Ср.999 (б) после 41 тыс. км пробега тепловоза
Изложенное выше позволяет заключить, что электрические контакты из разработанного ОНМ системы Cu-Al-С-O МАГ 25-15К могут служить безусловной альтернативой серебряным контактам, обеспечивая при этом помимо высокого технического эффекта также значительный экономический эффект.
Для проведения натурных сравнительных испытаний электродов контактной точечной сварки была использована одна из роботизированных ли-
ний для точечной сварки кузовных элементов легковых автомобилей завода FORD в городе Детройте (США). Эти сварные элементы изготавливались из листов и полос оцинкованной малоуглеродистой стали марки G60 (аналога российской стали 08КП) толщиной 0,8 мм.
Испытаниям были подвергнуты электроды колпачкового типа F16 диаметром 16 мм, изготовленные из разработанных объемных наноструктурных материалов МАГ 40-2К, МАГ 50-25К и МАГ 80-15КС, а также для сравнения - из циркониевой бронзы марки CuZr328 и ДУКМ системы Cu-Al-O марки GlidCop® AL-60, применяемых на данном заводе.
Сварка производилась в штатных для этой сварочной линии режимах. Внутренняя полость электродов интенсивно охлаждалась водой, но по мере увеличения их контактной поверхности на 20% они повергались автоматической заточке фрезерными головками.
На рис. 4 приведена циклограмма процесса сварки электродами из указанных материалов.
Колнчество сваренных точек, шт.
Рис. 4. Циклограмма сравнительных испытаний электродов из разных материалов на основе меди при точечной контактной сварке листовой оцинкованной стали
Из анализа циклограммы на рис. 4 следует, что применяемые на заводе электроды из бронзы Си2г 328 обеспечивают не более 3400 сваренных точек, а электродами из материала ОШСор® АЬ-60 можно обеспечить 5920 сваренных точек, однако сварка этими электродами ведется при большей, чем другими электродами, силе сварочного тока - от 12,3 кА до 17,5 кА.
Электроды из разработанного материала МАГ 40-20К выполнили всего 1800 сваренных точек, из материала МАГ 40-20К - 4200 точек. Однако электродами из материала МАГ 80-15КС удалось обеспечить уже 5720 сваренных точек, что практически соответствует ресурсу электродов из материала ОШСор® АЬ-60. Вместе с тем необходимо отметить, что сварка электродами из материала МАГ 80-15КС велась при силе потребляемого ими тока от 9 кА до16,0 кА, что по сравнению со сваркой электродами из материала ОШСор® АЬ-60 обеспечило сокращение почти на 30% потребления электроэнергии сварочной линии.
Причиной меньшего потребления электроэнергии является малое переходное сопротивление разработанных медных наноструктурных материалов. В приведенных в [8] исследованиях было обнаружено, что окисная пленка, образующаяся на поверхности медных порошковых ДУКМ (к которым также относится материал марки AL-60 GlidCop®), полученных с использованием метода внутреннего окисления, имеет непрочную связь с основным металлом и при воздействии на нее высоких температур и деформаций достаточно легко отслаивается от него. В разработанных ОНМ эта связь еще более слабая, что обусловливается более неоднородной макроструктурой этих материалов, состоящей из экструдированных в дискретные микроволокна гранул, наличием в них микропор и включений остаточного графита [11]. Это явление приводит к эффекту «самозаточки» электродов из материала МАГ 80-15КС [6], в связи с чем при сварке электродами из этого материала они подвергались значительно меньшему количеству заточек, чем электроды из ДУКМ марки AL-60 GlidCop®, что существенно повышало производительность сварочного процесса.
Благодаря наличию в материале МАГ 80-15КС также остаточного графита в ультрадисперсной форме случаев адгезии («залипания») электродов из этого материала к поверхности свариваемых изделий не наблюдалось.
Изложенное выше позволяет заключить, что электроды из разработанного ОНМ системы Cu-Al-C-O МАГ 80-15КС по сравнению с электродами из циркониевой бронзы CuZr328 обладают в 1,7 раза более высоким ресурсом при контактной точечной сварке оцинкованной стали, обеспечивают повышенную производительность сварочного процесса и по сравнению с электродами из ДУКМ марки AL-60 GlidCop® значительно экономят электроэнергию сварочного производства.
Выводы. Получены коммутационные контакты, в частности разрывные, и электроды для точечной контактной сварки для современных и перспективных, соответственно, электрических аппаратов и электротехнологических установок, отличающиеся от аналогичных контактов из традиционных электроконтактных материалов более высоким ресурсом и способностью к энергосбережению. Эти преимущества обусловлены применением в них разработанных объемных наноструктурных материалов на основе порошковой меди системы Cu-Al-C-O, обладающих благодаря сбалансированному химическому составу и использованию для их получения технологии реакционного механического легирования комплексом взаимоувязанных физико-механических и эксплуатационных свойств.
В частности, контакты из ОНМ с условным обозначением МАГ 25-15К могут служить безусловной альтернативой серебряным контактам, обеспечивая помимо высокого технического эффекта также значительный экономический эффект. Электроды точечной контактной сварки из ОНМ МАГ 80-15КС могут быть эффективной заменой электродам из циркониевых, хромоцирко-ниевых бронз и дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе меди AL-60 GlidCop®.
Литература
1. Берент В.Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта. М.: Интекст, 2005. 408 с.
2. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. 398 с.
3. Иванова И.И., Крылова Н.А., Евлаш С.И. Дисперснотвердеющие порошковые бронзы для электродов контактной сварки // Электрические контакты и электроды: труды ИПМ им. И.Н. Францевича НАН Украины. 2014. Вып. 12. С. 90-96.
4. Исследования структуры, свойств и сравнительные испытания токоподводящих наконечников и электродов контактной сварки из жаропрочных наноструктурных материалов на медной основе / А.Л. Матросов, Е.П. Шалунов, Д.В. Казаков и др. // Современные технологии в машиностроении и литейном производстве: материалы 1-й междунар. науч.-практ. конф. (Чебоксары, 22-24 октября 2015 г.). Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2015. С. 366-373.
5. Николаев А.К., Розенберг В.М. Сплавы для электродов контактной сварки. М.: Металлургия, 1978. 96 с.
6. Пат. 2398656 РФ. Способ изготовления композиционного материала для электрических контактов на медной основе / Е.П. Шалунов, И.С. Гершман; патентотообладатель ООО «Российские железные дороги». № 2009128500/02; заявл. 23.07.2009 г.; опубл. 10.09.2010 г., бюл. № 25.
7. Портной К.И., Бабич Б.Н. Дисперсно-упрочненные материалы. М.: Металлургия, 1974. 199 с.
8. Харитонов Е.О. Разработка материалов для силовых разрывных и дугостойких электрических контактов с повышенными эксплуатационными характеристиками, используемых на железнодорожном транспорте: дис. ... канд. техн. наук. М., 2007. 192 с.
9. Шалунов Е.П. Жаро- и износостойкие медные гранулированные композиционные материалы с механохимически синтезированными упрочняющими наночастицами ДИСКОМ® и высокоресурсная продукция из них // Нанотехника. 2007. № 1(9). С. 69-78.
10. Шалунов Е.П. Наноструктурные материалы на основе порошковой меди // Литейщик России. 2016. № 2. С. 37-40.
11. Шалунов Е.П., Матросов А.Л., Казаков Д.В. Влияние степени вытяжки при горячем прессовании прутков из дисперсно-упрочненного композиционного материала Cu-Al-C-O на их структуру и свойства // Материаловедение и металлургия: труды Нижегород. гос. техн. унта. 2006. Т. 57. С. 163-169.
12. Шалунов Е.П., Смирнов В.М. О механизмах формирования структуры и свойств композиционных материалов системы Cu-Al-C-O, получаемых на основе метода реакционного механического легирования // Вестник Чувашского университета. 2013. № 3. С. 314-322.
13. Шалунов Е.П., Смирнов В.М. Особенности формирования объемных наноструктур-ных материалов на основе меди методом реакционного механического легирования // Вестник Чувашского университета. 2009. № 2. С. 291-299.
14. Шалунов Е.П., Смирнов В.М., Матросов А.Л. Реакционное механическое легирование порошковой меди кислородом и углеродом // Вестник Чувашского университета. 2012. № 3. С. 252-259.
15. Shalunov E.P., Matrosov A.L., Chen L. Development, production and application of DIS-COM® copper nanocomposites as highly resource electrode and electric contact materials: Proc. of Int. Powder Metallurgy Congress «EURO PM2008» (Mannheim, 2008, sept. 29 - oct. 1). Shrewsbury, EPMA, 2008, vol. 1, pp. 113-119.
16. Österreich.-Patent 400.580. Kupferwerkstoff für elektrisch leitende Verschleissteile / Schalunov E, Jangg G., Walther H. u.a. ÖA 1341/93 von 08.07.1993.
17. Slesar M., Jangg G., Besterci M. Festigkeit und Bruch dispersionsgehärteter Cu-Al2O3 Werkstoffe. Z. für Metallkunde, 1981, Band 72, Heft 6, S. 423-427.
ШАЛУНОВ ЕВГЕНИИ ПЕТРОВИЧ - кандидат технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения, научный руководитель Объединенной научно-исследовательской лаборатории качества, обрабатываемости и композиционных материалов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
СМИРНОВ ВАЛЕНТИН МИХАЙЛОВИЧ - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры технологии машиностроения, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
E. SHALUNOV, V. SMIRNOV HIGH-RESOURCE AND ENERGY SAVING SWITCHING CONTACTS FROM VOLUMETRIC NANOSTRUCTURED MATERIALS ON THE BASIS OF POWDER COPPER FOR ELECTRIC DEVICES AND ELECTROTECHNOLOGICAL INSTALLATIONS Key words: switching contacts, explosive contacts, electrodes of resistance welding, reactionary mechanical alloying, volumetric nanostructured materials, arc resistance, stickslip of contacts, resource.
Switching contacts from the developed volumetric nanostructured materials (VNSM) on the basis of powder copper of the Cu-Al-C-O system and the results of their comparative bench and field tests are given. These tests showed that the explosive contacts from the VNSM with the symbol MAG 25-15K can serve as an unconditional alternative to silver contacts, providing, besides high technical, also a considerable economic effect. Electrodes of resistance welding from the VNSM with the symbol MAG 80-15KC are the effective replacement of the zirconium bronze electrodes, chrom-zirconium bronze and dispersion-strengthened composite material based on Copper AL-60 GlidCop®.
References
1. Berent V.Ya. Materialy i svoistva elektricheskikh kontaktov v ustroistvakh zheleznodorozh-nogo transporta [Materials and properties of electric contacts in devices of a rail transport]. Moscow, Intext Publ., 2005, 408 p.
2. Valiyev R.Z., Alexandrov I.V. Ob"emnye nanostrukturnye metallicheskie materialy: polu-chenie, struktura i svoistva [Volumetric nanostructured metal materials: obtaining, structure and properties], Moscow, IKTs Akademkniga Publ., 2007, 398 p.
3. Ivanova I.I., Krylova N.A., Evlash S.I. Dispersnotverdeyushchieporoshkovye bronzy dlya elek-trodov kontaktnoi svarki [Age-hardening powder bronze for electrodes of resistance welding]. Elektri-cheskie kontakty i elektrody: trudy IPM im. I.N. Frantsevicha NAN Ukrainy [Proc. of I.N. Frantsevich IPMS of NAS of Ukraine «Electric contacts and electrodes»], 2014, issue 12, pp. 90-96.
4. Matrosov A.L., Shalunov E.P., Kazakov D.V. et al. Issledovaniya struktury, svoistv i sravni-tel'nye ispytaniya tokopodvodyashchikh nakonechnikov i elektrodov kontaktnoi svarki iz zharoprochnykh nanostrukturnykh materialov na mednoi osnove [Study of structure, properties, and comparative testing of the contact tips and electrodes of resistance welding from heat-resistant nanostructured materials on a copper basis]. Sovremennye tekhnologii v mashinostroenii i liteinom proizvodstve: materialy 1-i mezh-dunar. nauch.-prakt. konf (Cheboksary, 22-24 okt. 2015 g.) [Proc. of the 1st Intern. Scientific and Practical Conf. «Modern technologies in mechanical engineering and foundry production», Cheboksary, 2015, Oct. 22-24]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 2015, pp. 366-373.
5. Nikolaev A. K., Rosenberg V.M Splavy dlya elektrodov kontaktnoi svarki [Alloys for electrodes of resistance welding]. Moscow, Metallurgy Publ., 1978, 96 p.
6. Shalunov E.P., Gershman I.S. Sposob izgotovlenija kompozitsionnogo materiala dlja 'elek-tricheskih kontaktov na mednoj osnove [The method of production of composite material for electric contacts on a copper basis]. Patent RF, no. 2398656, 2010.
7. Portnoi K.I., Babich B.N. Dispersno-uprochnennye materialy [The dispersion strengthened materials]. Moscow, Metallurgy Publ., 1974, 199 p.
8. Kharitonov E.O. Razrabotka materialov dlya silovykh razryvnykh i dugostoikikh elektricheskikh kontaktov s povyshennymi ekspluatatsionnymi kharakteristikami, ispol'zuemykh na zhelez-nodorozhnom transporte: dis. ... kand. tehn. nauk. [Development of materials for the power explosive and arc-resistant electric contacts with the raised operational characteristics used on a rail transport. Diss.]. Moscow, 2007, 192 p.
9. Shalunov E.P. Nanostrukturnye materialy na osnove poroshkovoi medi [Nanostructured materials on the basis of powder copper]. LitejschikRossii [The Founder of Russia], 2016, no. 2, pp. 37-40.
10. Shalunov E.P. Zharo- i iznosostoikie mednye granulirovannye kompozitsionnye materialy s mekhanokhimicheski sintezirovannymi uprochnyayushchimi nanochastitsami DISKOM® i vysokore-sursnaya produktsiya iz nikh [Heat-and wear resistant copper granulated composite materials DIS-COM® with hardening of mechanochemically synthesized particles and high-resource products from them]. Nanotekhnika [Nanoequipment], 2007, no. 1 (9), pp. 69-78.
11. Shalunov E.P., Matrosov A.L., Kazakov D.V. Vliyanie stepeni vytyazhki pri goryachem pressovanii prutkov iz dispersno-uprochnennogo kompozitsionnogo materiala Cu-Al-C-O na ikh strukturu i svoistva [Influence of degree of an extract in case of hot pressing of bars from the dispersion strengthened composite material Cu-Al-C-O on their structure and properties]. Materialovedenie i metallurgiya: trudy Nizhegorod. gos. tekhn. un-ta [Proc. of State Technological University Nizhny Novgorod «Materials Science and Metallurgy»], 2006, vol. 57, pp. 163-169.
12. Shalunov E.P., Smirnov V.M. O mekhanizmakh formirovaniya struktury i svoistv kompozit-sionnykh materialov sistemy Cu-Al-C-O, poluchaemykh na osnove metoda reaktsionnogo mekhani-cheskogo legirovaniya [About mechanisms of forming of structure and properties of the composite materials of the Cu-Al-C-O system received on the basis of a method of a reactionary mechanical alloying]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2013, no. 3, pp. 314-322.
13. Shalunov E.P., Smirnov V.M. Osobennosti formirovaniya ob"emnykh nanostrukturnykh materialov na osnove medi metodom reaktsionnogo mekhanicheskogo legirovaniya [Features of forming of volumetric nanostructured materials on the basis of copper by method of a reactionary mechanical alloying]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2009, no. 2, рр. 291-299.
14. Shalunov E.P., Smirnov V.M., Matrosov A.L. Reaktsionnoe mekhanicheskoe legirovanie poroshkovoi medi kislorodom i uglerodom [Reactionary mechanical alloying of powder copper by oxygen and carbon]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2012, no. 3, pp. 252-259.
15. Shalunov E.P., Matrosov A.L., Chen L. Development, production and application of DIS-COM® copper nanocomposites as highly resource electrode and electric contact materials: Proc. of Int. Powder Metallurgy Congress (EURO PM2008, Mannheim, 2008, Sept. 29 - Oct. 1). Shrewsbury, EPMA, 2008, vol. 1, pp. 113-119.
16. Österreich.-Patent 400.580. Kupferwerkstoff für elektrisch leitende Verschleissteile / Schalunov E., Jangg G., Walther H, Matrosov A. ÖA 1341/93 von 08.07.1993 (in German).
17. Slesar M., Jangg G., Besterci M. Festigkeit und Bruch dispersionsgehärteter Cu-Al2O3 Werkstoffe. Z. für Metallkunde, 1981, Band 72, Heft 6, S. 423-427 (in German).
SHALUNOV EVGENY - Candidate of Technical Sciences, Professor of Mechanical Engineering Technology Department; Scientific Leader of the Joint Research and Development Laboratories of Composite Materials, their Technology and Quality, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
SMIRNOV VALENTIN - Candidate of Physics and Mathematical Sciences, Associate Professor of Mechanical Engineering Technology Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
Ссылка на статью: Шалунов Е.П., Смирнов В.М. Высокоресурсные и энергосберегающие коммутационные контакты из объемных наноструктурных материалов на основе порошковой меди для электрических аппаратов и электротехнологических установок // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 1. - С. 185-199.
