Влияние фазового состава на электро-теплофизические свойства порошковых сплавов вольфрама для высоконагруженных электроконтактов

4. Бавыкин О.Б. Формирование наименьшего значения шероховатости поверхности деталей машин на основе выбора оптимальных режимов размерной электрохимической обработки / О.Б. Бавыкин, О.Ф. Вячеславова // Известия МГТУ «МАМИ». - 2010. - № 2 (10). - С. 102-107.

5. Вячеславова О.Ф. Современные технологии обработки материалов в свете теории фракталов и ее практического приложения / Вячеславова О.Ф. // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2006. № 2. - С. 34-43.

6. Саушкин Б.П. Перспективы развития и применения физико-химических методов и технологий в производстве двигателей / Б.П. Саушкин, Б.В. Шандров, Ю.А. Моргунов // Известия МГТУ «МАМИ». -2012, - Т. 2. №2 (14), - С. 242-248.

7. Яковлев А.В. Оценка результатов в системе автоматизированного анализа шероховатости поверхности / А.В. Яковлев, А.Н. Миловзорова // Методы и устройства передачи и обработки информации. - 2001, № 1, - С. 202-203.

8. Вячеславова О.Ф. Применение фрактального анализа для описания и оценки стохастически сформированных поверхностей / О.Ф. Вячеславова, О.Б. Бавыкин // Известия МГТУ «МАМИ». - 2012, - Т. 2. №2 (14), - С. 61-63.

9. Потапов А.А. Исследование микрорельефа обработанных поверхностей с помощью методов фрактальных сигнатур / А.А. Потапов, В.В. Булавкин, В.А. Герман, О.Ф. Вячеславова // ЖТФ. - 2005, - Т. 75. № 5.

Влияние фазового состава на электро-теплофизические свойства порошковых сплавов вольфрама для высоконагруженных

электроконтактов

д.т.н. проф. Арзамасов В.Б., к.т.н. доц. Антипенко В.С., Строев А.А., Галкин К.В.

Университет машиностроения

Анотация. В данной статье приведены результаты, исследований удельного электросопротивления (р), коэффициента теплопроводности (X), числа Лоренца (Ц) и работы выхода электрона (ф) вольфрама, легированного YB6, (ВИб15) La2Oз,(ВЛ15) Y2Oз,(ВЛ5,ВИ15) Y2Oз+ НГО2 (вИГМ) в широком температурном интервале.

Ключевые слова: электропроводность, тепло проводность, термоэмиссия контактная поверхность Высоконагруженные электроконтакты (ВЭК) работают в условиях дугообразованния в средах с повышенным содержанием паров бензина, масел и влаги при высоких частотах срабатывания и больших контактных нажатиях.

При разработке новых ВЭК на основе вольфрама большое значение имеют исследования зависимости рабочих характеристик от состава материала. Однако в литературе практически отсутствуют систематические данные по влиянию легирования на электро-теплофизические свойства сложных композиций, а имеющиеся лишь описывают влияние условий эксплуатации электроконтактов на их рабочие характеристики, не раскрывая особенностей механизмов, протекающих внутри контактного материала.

В данной работе приведены результаты исследований удельного электросопротивления (р), коэффициента теплопроводности (X), числа Лоренца (Ц) и работы выхода электрона (ф) вольфрама, легированного YB6, (ВИб15) Ца20з,(ВЛ15) Y2Oз,(ВЛ5,ВИ15) Y2Oз+ НГО2 (ВИГМ) в широком температурном интервале.

Приведенные на рисунке 1 зависимости р=/(Т) свидетельствуют об линейном возрастании этой характеристики в интервале 1200...1800°С, причем с ростом температуры разница между удельным электросопротивлением чистого и легированного вольфрама увеличивается. Значительное увеличение значений электросопротивления при введении в вольфрам различных тугоплавких соединений объясняется тем, что проводимость легирующих добавок существенно ниже проводимости матрицы. Поэтому в первом приближе-

нии возможно говорить об условной объемной пористости в двухфазной системе W-соединение. В этом случае значение электропроводимости пористого материала равно [1]:

о= 00 (1-1,5*П),

где о0 - значение электропроводности компактного материала;

П - величина объемной пористости.

Выше 1800°С в исследуемых сплавах наблюдается нарушение линейности зависимости р=/(Т), что может быть объяснено процессами первичной рекристаллизации, причем снижение значений электросопротивления у разных сплавов происходит в различных температурных интервалах. Практически отсутствующее снижение значений электросопротивления в сплаве W-1,5%YB6 объясняется одновременным протеканием процессов рекристаллизации при 1800...1900°С и растворения компонентов второй фазы в матрице. Диссоциация НЮ2 и растворения гафния в интервале температур 2000....2200°С приводит в сплаве ВИГМ 15-2-5 к образованию соединения ^,Н£)2О3, что обусловливает снижение степени легирования матрицы и, следовательно, уменьшение роста зависимости электросопротивления. Существенное увеличение степени взаимодействия в сплаве W-La2О3 при температуре выше 20000С вызывает соответствующий рост р. Характер зависимости р=/(Т) сплавов ВИ-5 и ВИ-15 отражает начало процессов рекристаллизации (1800 и 20000С, соответственно) и последующее укрупнение частиц Y2O3.

Приведение зависимости Х=/(Т) хорошо согласуются с вышеизложенными соображениями, т. к. для всех сплавов наблюдается падение коэффициента теплопроводности. Линейность зависимости Х=/(Т) на протяжении всего температурного интервала исследований свидетельствует о том, что теплопроводность не является структурно-чувствительным свойством материала.

Экспериментально определенные значения числа Лоренца, зависимость изменения которого с ростом температуры практически не ощущается, составляют в среднем 2,9...3,0-

8 2 2 8 2 2

В /град и отличаются от теоретического L =2,45*10" В /град , что связано с не учетом вклада кристаллической решетки.

Однако ошибка в оценке теплопроводности по результатам измерения электросопротивления не превышает 0,3...0,5%.

На рисунке 2 представлены измеренные методом полного тока значения работы выхода сплавов в зависимости от температуры и испытания. Анализируя полученные зависимости можно сказать, что интервал образования минимума, все более проявляющийся с повышением температуры, зависит от легирующих компонентов сплава и связан с образованием на поверхности вольфрама адсорбированной из его внутреннего объема пленки атомов соответствующего легирующего металла. Косвенным подтверждением наличия покрытия РЗМ на поверхности вольфрама может являться возрастание работы выхода сплавов W-YB6, W-La2O3 и W-Y2O3 при температурах, близких к 2000°С, т.е. при температурах десорб-

Рисунок 1. Удельное электросопротивление р, число Лоренца L и коэффициент теплопроводности ^ легированного вольфрама в зависимости от температуры: ВИ 5

Таким образом, среди двухфазных сплавов системы W-МexНy максимальные значения Ф и рост этой характеристики при повышении температуры наблюдается у сплава W-YB6, затем следует W-La2O3 и W-Y2O3, минимальные значения вакуумной работы выхода, а вместе с тем и более пологая зависимость ф=/(Т) наблюдались у многокомпонентного сплава ВИГМ 15-2.

Полученные данные хорошо объясняются с позиции термической стабильности легирующих добавок [2,3]. Так, YB6 наименее устойчиво, что приводит к более активной диссоциации этого соединения, диффузии и последующей десорбции иттрия с поверхности вольфрама. Затем следует La2O3 и, наконец, наиболее термодинамически стабильные соединения в славах вольфрама с Y2О3 и ^2О3+ ЖО2).

Проведенные обобщения результатов исследования состава на комплекс электро-теплофизичечсиких свойств были подтверждены результатами сравнительных испытаний в электротехнической лаборатории ОГК завода АТЭ-2 на стенде порошковых сплавов. Исследуемые сплавы применяли в качестве материалов для высоконагруженных разрывных электроконтактов. Испытания показали, что после 1100 час. работы контакты, изготовленные из сплавов W-(0,5 +1,5)% Y2О3 и W-(1,5%Y2О3 + 0,2% HfO2), существенных поверхностей изменений не претерпели, но потеряли характерный металлический блеск из-за окислительных процессов на контактной поверхности. Более грубая контактная поверхность наблюдалась у сплавов вольфрама с Ьа203 и УВб, что указывало на эрозионные процессы.

Рисунок 2. Влияние температуры испытания на работу выхода электрона легированного вольфрама: ВИб15

И наконец, вольфрамовые контакты имели ярко выраженные эрозионные разрушения, заключающиеся в переносе материала с подвижного контакта на неподвижный. На поверхности подвижного контакта образовался кратер диаметром 1,2 мм, а на поверхности неподвижного контакта - наплыв высотой 0,5 мм, при этом контактное пятно составляет 90% площади контактной поверхности.

Таким образом, дисперсное упрочнение вольфрама замедляет эрозионные процессы, приводящие к выходу контакта из строя.

Литература

1. Арзамасов В.Б. "Материалы для высокотемпературных электродов различного назначения". Справочник по конструкционным материалам. Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, М., 2005, 551-554.

2. "Термодинамические свойства неорганических веществ". Справочник под ред. Зефирова А.П., М., "Атомиздат", 1966, 463 с.с. ил.

3. Фоменко В.С. "Эмиссионные свойства материалов". Справочник., К., "Наукова думка", 1981., 339 с.с. ил.