Металлокерамические сплавы для высоконагруженных электроконтактов системы зажигания ДВС

Таким условиям удовлетворяют двух-четырехрезцовые "плавающие" блоки с оппозит-ным расположением резцов с одной степенью свободы в плоскости размерообразования [4].

Из анализа результатов расчета деформации (рисунок 5) следует, что «плавание» резцового блока целесообразно обеспечить в тангенциальном направлении, при этом на резцах стабилизируется сила резания, а деформации как всего инструмента, так и режущего модуля будут минимизированы.

Выполненные расчеты показали, что режущий модуль технологически устойчив при обработке на скоростях 80-150 м/мин при подаче 1,0-1,5 мм/об. Наибольшие значения деформации, перемещения и напряжения имеют в месте приложения сил резания и составляют: деформации - 6,12 мкм/м, перемещение - 6,12 мкм, напряжение 1,42 Мпа, что позволяет достигать заданных параметров качества обработки.

Литература

1. Азаревич Г.М. и др. Совмещение процессов резания и ППД при автоматизированной токарной обработке валов. "Вестник машиностроения", 1985, № 1, с. 46-52.

2. Максимов Ю.В., Анкин A.B., Ветрова Е.А. Колебания поперечного сечения нежесткой детали типа полый цилиндр при комбинированной обработке резанием и поверхностным пластическим деформированием. Реферируемый журнал «Известия МГТУ «МАМИ», № 1 (7), 2009, с. 124-127.

3. Максимов Ю.В., Анкин A.B. Образование погрешности при комбинированной обработке нежестких валов. - "Автомобильная промышленность", № 9, 1995. с. 28-31.

4. Максимов Ю.В., Логинов Р.В. Моделирование комбинированной обработки нежестких валов. "Химическое и нефтегазовое машиностроение", 1998, № 9-10, с. 61-63.

Металлокерамические сплавы для высоконагруженных электроконтактов

системы зажигания ДВС

д.т.н. проф. Арзамасов В.Б., к.т.н. доц. Смирнова Э.Е., Рыков Д.Е., Рябчик Т.А.

Университет машиностроения 8(495)223-05-23, доб. 1387

Аннотация. Приводятся экспериментальные исследования влияния легирования и структуры на физико-механические свойства металлокерамических сплавов вольфрама с добавками тугоплавких соединений редкоземельных металлов. Показана перспективность применения сплавов вольфрама с оксидом иттрия в качестве материала для высоконагруженных контактов системы зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Ключевые слова: электроконтактные материалы, металлокерамические сплавы, редкоземельные металлы, термоэмиссия, система зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Введение

Эффективность, а во многих случаях и безопасность эксплуатации транспортных средств зависит от надежности электроконтактов, работоспособность которых обеспечивается, прежде всего, видом контактного материала и способом его обработки.

Хотя в настоящее время и существует относительно большой выбор электроконтактных материалов (ЭКМ), необходимость в совершенствовании их свойств продолжает оставаться, что особенно ощутимо на фоне неуклонного роста парка транспортных средств и оборудования для их диагностики и ремонта, обусловливающего увеличения выпуска электроконтак-

И все же проблема создания новых и совершенствования уже имеющихся материалов для контактов различного назначения еще далеко не решена. Особо остро эта задача стоит при создании высоконагруженных ЭКМ, предназначенных для работы в условиях дугообра-зования в среде с повышенным содержанием паров бензина, масел и влаги, при больших

контактных нажатиях и высоких частотах срабатывания.

Постановка задачи

В настоящее время основным материалом для высоконагруженных электроконтактов (ВЭКМ) двигателей внутреннего сгорания является вольфрам, который уже не удовлетворяет возросшим требования. В этой связи представляет интерес металлокерамические сплавы вольфрама с добавками тугоплавких соединений редкоземельных и переходных материалов [1]. В настоящей работе приведены результаты исследований влияния легирования и структурного состояния на физико-механические свойства дисперсно-упрочненного вольфрама как перспективного материала для высоконагруженных коммутирующих электроконтактов системы зажигания ДВС.

Результаты

Маркировка и химический состав исследованных сплавов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Маркировка, состав и физико-химические свойства спеченных металлокерамических

сплавов вольфрама

Марка сплавов

Объемная доля включений, f

Плотность, г/см3

Теор.

Эксп.

Пористость

%

Удельное электро Сопротивление мк Ом-см

Теор.

Эксп.

Микротвердость Н100

ВИ 5

1.9

19,03

18,27

4,0

5,94

5,95

340

ВИ 10

3,7

18,77

17,91

4,5

6,16

6,20

344

ВИ 15

5,5

18,52

17,65

4,7

6,38

6,42

346

ВИ 20

18,20

17,26

5,2

6,74

6,80

351

ВИ 25

9,0

18,02

16,71

6,3

7,01

7,25

360

визо

11,4

17,37

16,05

7,6

7,49

7,70

365

ВЛ 15

18,75

17,57

6,2

6,42

6,79

366

ВИб 15

7,3

18,16

18,72

15,02

17,58

9,1

6,1

7,15

6,47

;,01

6,74

392

380

ВЦн 15

а б в г

Рисунок 1 - Микроструктура дисперсно-упрочненного вольфрама в спеченном состоянии, 340х: а - Виб-15; б - ВЛ-15; в - ВЦн-115; г - ВИ-15

Анализ результатов металлографических исследований сплавов вольфрама, представленных на рисунке 1 показал, что исследуемые сплавы системы \У - МехНу имеют характерную дисперсно-агрегатную структуру. Зёрна матрицы полиэдрической формы имеют извилистые, плохо протравляющиеся границы. Результаты пикнометрического анализа (таблица 1) показывают, что плотность исходных образцов отличается от теоретической, что говорит о

наличии пористости. Так, в сплаве W - 1,5%YB6 наблюдаются крупные сообщающиеся поры (рисунок 1а), при этом удельное электросопротивление и микротвердость имеют максимальные значения, что свидетельствует о диссоциации легирующей добавки YB6 уже на стадии спекания. Поэтому термодинамическая нестабильность YBr, ведет к повышенной растворимости частиц и значительной пористости. Для остальных сплавов характерна мелкая, рассеянная пористость (рисунки 16, 1в и 1г), обусловленная технологическими особенностями спекания.

Таким образом, проведенные совместно исследования микроструктуры, плотности, электросопротивления и микротвердости позволяют сделать вывод о термодинамической устойчивости вводимых добавок, которые (в порядке возрастания стабильности) можно расположить в следующий ряд: УВб - ZrN - ЬагОз - Y2O3.

Исследования влияния степени деформации на твердость, плотность электропроводность и температуру рекристаллизации проводились на иттрированном вольфраме, с содержанием 0,5 и 1,5 масс.% Y203. Для этого при температурах 1500... 1600°С спеченные прутки были подвергнуты ковке в отжимках со степенью деформации 10% и прессованию на 30...50%. Оказалось, что все образцы, изготовленные из сплава ВИ-15, разрушаются в процессе прессования, т.е. пластическая деформация этого сплава более чем на 55% невозможна в связи с повышенной хрупкостью металлокерамического вольфрама с большим содержанием второй фазы. Поэтому лишь образцы из сплава ВИ-5 удалось продеформировать на 90% продольной прокаткой с промежуточными отжигами. Исследования микроструктуры деформированных сплавов показали, что структура сплава ВИ-15 при степени деформации 10% (рисунок 2а) характеризуется незначительной ориентированностью, присущей для малых степеней деформации. С ростом степени деформации образцов ориентированность зерен увеличивается вместе с коэффициентом ассиметрии их формы (рисунки 26, 2в). Одновременно снижается выход годного материала, составляющего 95...97% при Е=30...35%, а при Е=55% все образцы разрушаются в процессе деформации, даже проводимой при температурах максимальной пластичности вольфрама 1400... 1600°С [2]. Образцы из сплава ВИ-5, которые удалось продеформировать на 90%, имеют волокнистую структуру, характерную для высоких степеней деформации (рисунок 2г).

а б в г

Рисунок 2 - Микроструктура иттрированного вольфрама в зависимости от степени деформации, 200х: а - Виб-15 Е = 10%; б - ВЛ-15 Е = 35%; в - ВИ-15 Е = 55%;

г - ВИ-5 Е = 90%

Результаты исследований твердости, плотности, электропроводности и температуры начала рекристаллизации, представленные на рисунке 3, позволили установить некоторые закономерности влияния степени деформации на комплекс физико-механических характеристик металлокерамического вольфрама. В частности, было замечено, что с ростом степени деформации возрастает плотность сплава, которая для сплава ВИ - 5 при Е = 90% приближается к теоретической. Аналогичная зависимость наблюдается и для микротвердости, растущей с увеличением степени деформации и искаженности кристаллической решетки матрицы. Однако подобные изменения влияют на значительное снижение электропроводности, причем это снижение не компенсируется некоторым увеличением электропроводности за счет большей компактности и ориентации вытянутых зерен вдоль оси контакта. Рост степени дефор-

мации ведет также к закономерному снижению температуры начала рекристаллизации сплавов, что обусловлено увеличением накопленной внутренней энергии, и если в сплаве ВИ-15, деформированном на 10%, рекристаллизация начинается лишь при температуре 2000°С, то в сплаве ВИ-5 (Е=90%) - уже при температуре 1400°С, т.е. близка к таковой для нелегированного вольфрама по данным [2].

Рисунок 3 - Влияние степени деформации на микротвердость (1,5), плотность (2,6), электропроводность (3,7) и температуру начала рекристаллизации (4,8) иттрированного вольфрама: ВИ-15 ВИ-5

Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что увеличение степени деформации металлокерамического вольфрама более 10%, т.е. превышающую деформацию, необходимую для стабилизации размеров и некоторого увеличения компактности, нежелательно, т.к. ведет к ухудшению теплофизических свойств сплавов и снижению термической стабильности структуры и свойств, определяющих работоспособность электроконтактных материалов.

Влияние количества легирующей добавки на физико-механические свойства металлокерамического вольфрама, проводимые на сплавах с наиболее термодинамически стабильной добавкой УгОз.

Анализ полученных результатов, представленных на рисунке 4 в виде графиков, показал, что с увеличением количества легирующей добавки наблюдается закономерное изменение свойств сплавов. Увеличение содержания в сплаве второй фазы, имеющей плотность 5,03 г/см3, т.е. почти в 4 раза меньшую, чем у вольфрама (19,3 г/см3), естественно ведет к снижению плотности сплава. Однако одновременно ухудшается спекаемость и возрастает пористость, что вызывает более резкий рост удельного электросопротивления по сравнению с рассчитанным для компактного материала, причем особенно резкое увеличение пористости отмечается начиная с 2% УгОз, что ведет к более значительному увеличению измеренного удельного сопротивления по сравнению с рассчитанным. В соответствии с законом Видема-на-Франца [3] это должно вызвать одновременное снижение теплопроводности, играющей существенную роль в тепловом балансе высоконагруженных коммутирующих электроконтактов, нарушение которого приведет к снижению работоспособности.

Меньшее влияние количества введенной дисперсной фазы оказывает на значение работы выхода электрона сплавов. Однако необходимо отметить, что начиная с 1% УгОз наблюдается существенное снижение ф (менее 4эВ при 2200°С). Увеличение легированности сплавов до 3 масс.% значительного влияния на термоэмиссионные свойства материала не оказывает.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что увеличение количества легирующей добавки ведет к снижению как работы выхода электрона, так и ухудшает теплофи-зические свойства.

в, а %

э &

4.0

в.о

ггоа'с ¡зооо "с

1 >- -

,2200 "С

--

100 я,

нк Он-см 90

?о

О

0,$ 1,0 1£

Рисунок 4 - Влияние количества

Поэтому допустимыми пределами изменения активной фазы являются 0,5... 1,5%, причем меньшее значение содержания легирующей добавки допустимо для контактов, работающих в цепи с силой тока менее 10А (магнето, контакты прерывателей зажигания ДВС), а большие значения - для контактов, коммутирующих токи свыше 10А, особенно в условиях горения затяжных дуг (контакты мощных, тяжелонагруженных трансформаторов, контакты с высокими токами короткого замыкания).

Выводы

Таким образом, проведенные исследования влияния легирования и структурности состояния на физико-механические свойства дисперсно-упрочненного вольфрама показали следующее:

• структура исследуемых сплавов в спеченном состоянии не может считаться удовлетворительной без применения последующей деформации;

• увеличение степени деформации, необходимое для увеличения компактности сплавов и ориентации зерен более 10% негативно сказывается на термической стабильности и тепло-электрофизических свойствах сплавов;

• оптимальное содержание в вольфраме наиболее стабильной легирующей добавки УгОз составляет 0,5... 1,5 масс%;

В целом проведенные исследования показали перспективность применения металлоке-рамических сплавов ВИ-5 и ВИ-15 для контактов системы зажигания ДВС.

Литература

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

2. Савицкий Е.М., Поварова К.Б., Макаров П.В. Материаловедение вольфрама. - М., «Металлургия», 1978, 223 с.

3. Пелецкий В.Э., Тимрот Д.Л. Высокотемпературные исследования тепо- и электропроводности твердых тел. - М., «Энергия», 1971, 192 с.

Статистическое моделирование выходных параметров в процессе обработки керамических композиционных материалов связанным абразивом

к.т.н. доц. Бахарев В.П., Кнутова Е.Е.

Филиал МГИУ в г. Канешме 8 (49331) 5-82-50, 5-32-43, ктезИта. тзтЩ'атЫег. г и

Аннотация. Изложены теоретические и экспериментальные результаты статистического моделирования процессов доводки керамики связанным абразивом