Исследование относительной эрозионной стойкости электродов-инструментов из композиционных порошковых материалов на основе меди

электрофизические и электрохимические методы обработки

УДК 621.762-621.923.74

Исследование относительной эрозионной стойкости электродов-инструментов из композиционных порошковых материалов на основе меди

С. А. Оглезнева, А. М. Ханов, Н. Д. Оглезнев

Целью исследований было изучение физико-механических и эксплуатационных свойств электродов-инструментов из композиционных материалов на основе меди с добавлением молибдена и хрома в сравнении с известными материалами из чистой меди и меди с добавлением вольфрама при электроэрозионной прошивке инструментальной стали.

Композиционные материалы на основе меди с различным содержанием тугоплавкой фазы были изготовлены методом порошковой металлургии. Установлено, что при увеличении концентрации тугоплавкого металла от 25 до 80 об. % повышаются твердость и прочность композиционных материалов, а также удельное электросопротивление. При прошивке инструментальной стали на черновых режимах установлено, что эрозионный износ электродов «медь — хром» ввиду более высокой жаростойкости хрома значительно меньше, чем износ хорошо известных и промышленно выпускаемых систем электродов-инструментов «медь — вольфрам» и «медь — молибден».

Ключевые слова: электроэрозионная обработка, электрод-инструмент, композиционный материал, медь, тугоплавкий металл, прочность, твердость, электросопротивление, эрозионная стойкость.

Введение

Материалы на основе меди составляют основную часть применяемых электродных материалов. Анализ литературы показал, что для разработанного ряда композиционных материалов для электродов-инструментов сведения о механизмах износа и улучшения износостойкости материалов для электроэрозионной обработки весьма ограничены.

Условия работы электродов-инструментов для прошивки сходны с условиями работы электроконтактных материалов, более подробно изученных, поэтому многие закономерности формирования структуры и механизмы работы подобных материалов могут быть справедливы и для электродов-инструментов. Исходя из анализа условий работы электрода-инстру-

мента наиболее предпочтительными для удовлетворения требований к ЭИ могут быть композиционные материалы типа псевдосплавов.

Микроструктура контактных псевдосплавов представляет собой тонкую равномерную смесь двух или более фаз, из которых одна обладает значительно большей тугоплавкостью, чем другая. При переходе в такой гетерогенной структуре одной из фаз в жидкое состояние она силами поверхностного натяжения удерживается в порах тугоплавкой фазы, образующей капилляры. При выборе компонентов псевдосплавов требуется соблюдение следующих основных условий: одна из фаз должна иметь высокую электропроводность, так как она несет токовую нагрузку; вторая фаза должна быть механически прочной и значительно более тугоплавкой, чем первая,

WiinOOK

ее электропроводность играет второстепенную роль; тугоплавкая и легкоплавкая фазы не должны взаимодействовать между собой в интервале рабочих температур; легкоплавкая фаза должна смачивать тугоплавкую фазу. Вследствие того что псевдосплав представляет собой механическую смесь, физические свойства компонентов складываются аддитивно [1]. При кристаллизации псевдосплава, легированного металлом с высоким давлением паров, вначале кристаллизуется более тугоплавкая составляющая, легкоплавкая составляющая кристаллизуется намного позже по границам зерен более тугоплавкой. Типичными составами электроконтактных материалов, получаемых методом порошковой металлургии, являются системы W—Си, W—А§, Мо—Си, Мо—А§, А§—С, А§—№, А§—СаО, Ag—ZnO, А§—8пО, А12О3, Cu—WC, Cu—Zr2Oз, Си—ТЮ2 и др. [2]. В настоящее время для электроконтактов с высокой стойкостью к выгоранию наибольшее применение находят материалы на основе W, Мо. Типичные соотношения WCu 70/30, МоСи 70/30 или WAg 60/40 [3]. Аналогичные системы промышленно выпускаются и для изготовления прошивочных электродов-инструментов [4].

Материал на основе псевдосплавов системы Си—Сг был разработан для электроконтактов относительно недавно, но показал ряд преимуществ по сравнению с известными [5, 6]. В порошковой системе «медь — хром» формируется матричный тип структуры — медная матрица с фрагментированными частицами хрома [7].

Уменьшение прочности связи на межфазной границе приводит к понижению электропроводности и снижению уровня механических свойств материалов [1, 8].

При исследовании окисления сплавов «медь — 25-50 % хрома» [9, 10] установлено, что в процессе охлаждения после спекания в медной матрице выделяются мелкодисперсные частицы хрома, которые наряду с твердо-растворным хромом обеспечивают благоприятные условия горения дуги.

Таким образом, оптимизация состава материала может быть связана с повышением электропроводности и жаростойкости тугоплавкой фазы. Наиболее перспективной металлической тугоплавкой добавкой к меди может быть хром.

Целью исследований было изучение физико-механических и эксплуатационных свойств электродов-инструментов из композиционных материалов на основе меди с добавлением молибдена и хрома в сравнении с известными материалами из чистой меди и меди с добавлением вольфрама при электроэрозионной прошивке инструментальной стали.

Методика эксперимента

Для изготовления электродов из композиционных материалов использованы порошки электролитической меди ПМС-1 (ГОСТ 49-60-75), вольфрама ПВ-0 (ТУ 48-19-101-84), хрома ПХ-1С (ГОСТ 14-1-1474-75), молибдена МПЧ (ТУ 48-19-69-80). Порошок меди смешивали с порошками хрома, вольфрама и молибдена в смесителе со смещенной осью вращения, из смесей прессовали образцы, затем образцы отжигали в вакуумной печи и проводили повторное прессование, прессовки окончательно спекали в вакуумной печи при температуре 1070 ± 10 °С в течение 2 ч.

Плотность композиционных материалов определяли по стандартной методике (ГОСТ 18898-89). Электросопротивление измеряли на цифровом программируемом мил-лиомметре G0M-802. Твердость спеченных образцов измеряли с помощью пресса Бринелля в соответствии с ГОСТ 9012-59. Испытания на прочность при трехточечном изгибе образцов без трещины производили на машине FP 10/1 по ГОСТ 18227-85.

Испытания эксплуатационных свойств электродов проводили при электроэрозионной прошивке листа стали Х12Ф толщиной 5,5 мм с твердостью 58 HRC на станке Electrónica Smart CNC на черновых режимах обработки. В качестве рабочей жидкости использовали масло EDM Oil — IPOL SEO 450.

Относительный износ электрода определяли по отношению глубины прошитого в стали отверстия к линейному износу электрода [4]. Производительность определяли как отношение времени работы инструмента к объему выработанного материала, мм3/мин.

Шероховатость обработанной поверхности измеряли на профилометре Mahr Perthometer S2 по ГОСТ 2789-73.

Результаты и обсуждение

При повышении концентрации тугоплавкой фазы у образцов композиционных материалов увеличивалась пористость, так как отсутствует химическое взаимодействие при спекании меди с металлическими тугоплавкими фазами [11] и сокращается площадь металлического контакта. Увеличение пористости при увеличении объема тугоплавкой фазы понижает прочность материалов (табл. 1).

Наиболее низкими значениями прочности обладали системы, содержащие молибден и вольфрам, так как они не взаимодействуют с медью. Незначительная растворимость хрома в меди (около 1 %) обеспечивает формирование более прочного межчастичного контакта [11], обусловливая высокие плотность и прочность.

Увеличение количества добавок с высоким электросопротивлением (хром, вольфрам, молибден) и одновременно рост пористости привели к увеличению удельного электросопротивления композиционного материала пропорционально количеству добавки тугоплавкого металла (удельное электросопротивление хрома, молибдена, вольфрама составляет соответственно 1,3 • 10-7, 5,2 • 10-8, 5,5 • 10-8 Ом • м) [12] (рис. 1).

Относительный износ электрода из чистой меди при прошивке на режимах Е81 и Е92 (характеристики режимов представлены

р, Ом • м 0,12

0,08

0,06

0,04

0,02

^ I

20 40 60

Объем тугоплавкой фазы, %

80

Рис. 1. Удельное электросопротивление композиционных материалов «медь — тугоплавкий металл» в зависимости от содержания тугоплавкой фазы в сравнении с медью

в табл. 2) составил соответственно 5,6 и 6,9 %. (рис. 2), относительный износ всех электродов из композиционных материалов был меньше. Наименьшее значение износа было в системах «медь — хром» и «медь — вольфрам».

Относительный износ систем, содержащих молибден, был самым высоким, возможно ввиду окисления молибдена (оксид молибдена образуется при 600 °С и способен к испарению

Таблица 1

Физико-механические свойства композиционных материалов

Система Содержание тугоплавкой фазы, об. % Пористость, %, после спекания Предел прочности на изгиб, МПа Твердость НВ, МПа

25 4 400 ± 40 720 ± 30

Си—Сг 35 8 400 ± 40 710 ± 30

50 7 400 ± 40 810 ± 30

25 11 110 ± 10 590 ± 20

Си—Мо 35 12 — 650 ± 20

50 16 — 790 ± 30

80 24 90 ± 20 850 ± 30

25 15 200 ± 20 340 ± 15

Си—' 35 11 120 ± 20 450 ± 20

50 13 150 ± 30 510 ± 20

80 22 50 ± 10 620 ± 20

а) 6

5 -

о

и

и

н я

и

3 -

б)

8 -

о

и

и

н я

и

6

5

4 -

т

20 40 60

Объем тугоплавкой фазы, %

80

"Г

20 40 60

Объем тугоплавкой фазы, %

80

Рис. 2. Относительный износ электрода в зависимости от содержания тугоплавкой фазы в системах «медь — тугоплавкий металл»: а — при режиме Е81; б — при режиме Е92

[13]). В отличие от молибдена взаимодействие хрома с кислородом протекает сначала довольно активно, затем резко замедляется благодаря образованию на поверхности металла оксидной пленки, которая разрушается при 1200 °С [11].

При исследовании относительного износа ЭИ на разных режимах было установлено, что высокой износостойкостью на обоих режимах (Е81 и Е92) обладают электроды системы Си—Сг, так как относительный износ был меньше в 2 раза, чем у меди (рис. 2, табл. 3).

Производительность электродов, содержащих вольфрам, при прошивке стали Х12Ф на обоих режимах прошивки была больше,

Режимы ЭЭО

Таблица 2

Параметр Режим Е81 Режим Е92

Напряжение, В 50 50

Сила тока, А 15 20

Скважность 1,32 1,82

Частота, Гц 10 6,67

Производительность электродов на основе меди при прошивке стали Х12Ф

Таблица 3

7

4

3

2

0

0

Тугоплавкая фаза Объем тугоплавкой фазы, % Относительный износ ЭИ, % Отклонение на сторону, мкм, режим Е81 Ва, мкм, режим Е81 Производительность, мм3/мин

Режим Е81 Режим Е92 Режим Е81 Режим Е92

Сг 35 2,7 3,4 0,15 11,5 27,6 36,2

50 2,0 3,4 0,15 10,5 26,1 33,5

W 25 3,6 3,4 0,2 11,5 15,6 63,18

35 4,1 4,0 0,15 10,5 38,1 42,8

50 4,0 4,0 0,1 10 33,6 36,6

80 3,6 — 0,2 6 — —

Мо 25 5,6 4,0 0,15 17 27,6 43,5

35 4,3 5,9 0,15 16 34,8 29,3

50 5,1 8,0 0,2 15,5 10 11,3

М1 без добавок 0 5,6 6,9 0,15 14,0 34,7 49,7

№ 5(95)/2016

19

чем производительность электрода из чистой меди (табл. 3).

Производительность электродов, содержащих хром, была примерно равна производительности электрода из меди М1; производительность электродов, содержащих молибден, была ниже производительности электрода из меди.

Поскольку высокая эрозионная стойкость электродов обеспечивает более высокую точность обработки, хорошим комплексом эксплуатационных свойств обладают составы, содержащие хром и вольфрам.

Точность обработки при прошивке инструментальной стали Х12Ф на режиме Е81 из составов с металлической тугоплавкой фазой была более высокой на составах с вольфрамом (оптимальное содержание вольфрама 35 %) (табл. 3).

Параметр шероховатости поверхности Яа был наименьшим в системах с вольфрамом.

Выводы

1. В системах на основе меди с добавлением хрома прочность и твердость были выше в 1,2 раза по сравнению с чистой медью и материалами «медь — вольфрам или молибден», а удельное электросопротивление «медь— хром» было меньше в 1,5 раза, чем в системах с вольфрамом и медью.

2. При исследовании относительного износа ЭИ при прошивке инструментальной стали на черновых режимах было установлено, что наилучшей износостойкостью обладают системы Си—Сг благодаря химическому взаимодействию с медью и более высокой жаростойкости хрома при температуре обработки. Износ электродов из материала «медь — хром» был меньше, чем у традиционно применяемых составов — чистой меди М1 и материала «медь — вольфрам».

3. Использование хрома вместо вольфрама или молибдена в качестве тугоплавкой добавки к материалу электрода-инструмента на основе меди перспективно ввиду более высокой износостойкости и существенно более низкой стоимости.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ по государственной поддержке молодых российских ученых-кандидатов наук № МК-5310.2016.8.

Литература

1. Аврамов Ю. С., Шляпин А. Д. Новые композиционные материалы на основе несмешивающихся компонентов: получение, структура, свойства. М.: МГИУ, 1999. 206 с.

2. Бабич Б. Н., Вершинина Е. В., Глебов В. А. [и др.]. Металлические порошки и порошковые материалы: справ. / Под ред. Ю. В. Левинского. М.: Экомет, 2005. 520 с.

3. Temborius S., Lindmayer M., Gentsch D. Switching behavior of different contact materials for vacuum interrupters under load switching conditions // XlXth. International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. 2000. Vol. 2. P. 519-523.

4. Елисеев Ю. С., Саушкин Б. П. Электроэрозионная обработка изделий авиационно-космической техники / Под ред. Б. П. Саушкина. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. 437 с.

5. Gentsch D. Contact Material for Vacuum Interrupters based on CuCr with a Specific High Short Circuit Interruption Ability // XXIInd International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. 2006. Vol. 2. P. 437-442.

6. Miao B., Zhang Y., Liu G. Current Status and Developing Trends of Cu-Cr Contact Materials for VCB // XXIth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. 2004. Vol. 2. P. 311-314.

7. Lesnik N. D., Minakova R. V., Kresanova A. P., Homenko E. V. Adhesive interaction and microstructure of composite materials of W, Mo, Cr-Cu system // High temperature capillarity. Cracow: Foundry Research Institute, 1998. P. 277-282.

8. Li W. P., Thomas R. L., Smith R. K. Effects of Cr content on the interruption ability of CuCr contact materials W.P. / / XIXth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. 2000. Vol. 2. P. 380-383.

9. Yan Fu Chang, Yan Niu, Wei-tao Wu. High temperature oxidation of powder metallurgy two-phase Cu— Cr alloys under low oxygen pressure // Trans Nonferrous Metals Soc. China. 2000. Vol. 10, N 3. P. 353-357.

10. Гнюсов С. Ф., Дураков В. Г., Дехонова С. З, Бе-люк С. И. Формирование бимодальной структуры контактного материала вакуумных выключателей // Перспективные материалы. 2004. № 2. С. 65-70.

11. Шухардин С. В. Двойные и многокомпонентные системы меди / Под ред. С. В. Шухардина. М.: Наука, 1979. 248 с.

12. Шматко Ю. А., Усов Ю. В. Электрические и магнитные свойства металлов и сплавов. Киев: Наукова думка, 1987. 582 с.

13. Ивенсон В. А. Феноменология спекания и некоторые вопросы теории. М.: Металлургия, 1985. 247 с.

[20

№ 5(95)/2016