Электрофизические методы синтеза и диагностики композиционных контактных материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Введение

1. Выбор состава и метода синтеза матрично - наполненных композитов для материала контактов сильноточных аппаратов

2. Применение метода электросинтеза для термореагирующих смесей порошков №+А

2.1 Особенности выбора дисперсных составляющих.

2.2 Назначение и конструкция стенда.

2.3 Синтез алюминидов никеля стехиометрического состава для случая узкого реакционного канала.

2.4 Синтез алюминидов никеля при прямом электронагреве.

3. Макет прибора неразрушающего контроля

3.1 Факторы, влияющие на выбор схемы макета прибора неразрушающего контроля. Алгоритм работы ИЭНМ-2.

3.2 Дифференциальный вихретоковый преобразователь в режиме "самосравнения". Расчет вносимых напряжений.

3.3Структурная схема макета прибора.

4. Оптимизация режимов синтеза ККМ. Барьерные и жаропрочные покрытия 98 4.1 Газотермическое нанесение покрытий из алюминидов никеля и смесей порошков №+А1 на электропроводящую основу.

4.2.1 Исследование режимов нанесения покрытий из смесей порошков №+А1 на цилиндрическую поверхность из А1.

4.2.2 Нанесение покрытий из смесей порошков №+А1 при электронагреве под давлением.

4.3.1 Защитные покрытия из Сг, карбидов и нитридов Сг, нанесенные на электропроводящую подложку.

4.3.2 Исследование режимов осаждения и свойств барьерных покрытий нанесенных на электропроводящую основу из меди.

4.4 Оптимизация режимов электросинтеза и электрофизических свойств

ККМ на основе меди.

В настоящее время за рубежом и в России активно развиваются новые методы синтеза композиционных материалов. Эти материалы могут быть перспективными для применения в экспериментальной физике и в электротехнической промышленности. В частности, актуальной является задача создания композиционных контактных материалов (ККМ) для особого вида коммутационных устройств - высоковольтной вакуумной аппаратуры [1,2,3]. При разработке новых композиций для материала контактов важнейшей задачей является создание приборов и методов неразрушающего контроля для диагностики электрофизических свойств композитов.

Одна из задач, решение которой существенно влияет на уровень данных технических устройств, - создание специальных контактных материалов и, в частности, разработка ККМ для вакуумных дугогасительных камер (КДВ), которые должны удовлетворять комплексу разнообразных технических требований. Все возрастающее внимание исследователей в последнее время сосредоточено на внедрении новых технологий и совершенствовании материалов контактов (КМ), направлено на повышение долговечности контактов и экономию дефицитных металлов, поиск путей оптимизации морфологических свойств КМ (распределение основных компонент, их формы, дисперсности), снижение дефектности структуры (окислы, порообразование, газы, дислокации, примеси внедрения) согласно условий эксплуатации.

Одним из перспективных жаропрочных материалов, используемых в качестве износостойкой и эрозионностойкой компоненты материала контактов являются алюминиды никеля. Однако материалы электрических контактов, синтезируемые по традиционной порошковой технологии с использованием "термонейтральных" алюминидов никеля, не отвечают предъявляемым к ним требованиям по ряду электрофизических и физико-механических характеристик. В связи с этим актуальной задачей является разработка энергосберегающих методов по созданию и использованию структур с анизотропными свойствами в качестве материала для контактов, так называемых однонаправленных безвольфрамовых композитов волокнистого строения. В частности, весьма перспективными являются контактные материалы, армированные алюминидами никеля.

Решаемая в настоящем исследовании задача реализована для класса контактных материалов, применяемых преимущественно в сильноточных аппаратах.

К настоящему времени в этом классе получены контактные материалы в широком спектре составов. К основным составляющим электроконтактных материалов (КМ) (вольфрам, медь, серебро, золото) добавляют интерметал-лиды, галоген иды, металлоподобные соединения (гидриды, бориды, карбиды, нитриды), металлоиды [4,5,6]. Проведенный анализ разработанных КМ по их составу, физико-механическим и электрофизическим свойствам компонентов, по характеру взаимодействия составляющих позволяет сделать вывод о том, что для получения необходимых параметров предпочтительно использовать многокомпонентные композиции [8,9,10,11,12]. Очевидно то, что более полная реализация свойств каждого из компонентов проявляется при отсутствии или ограниченном взаимодействии их между собой во время эксплуатации КМ.

Известно, что хром и его карбиды используют для снижения электроэрозионного износа и склонности к свариванию. Роль интерметалл идо в определяется их теплофизическими характеристиками, введение таких соединений может повышать электроэрозионную стойкость, а также механический износ материала контактов [13,14,15].

Исследования по разработке новых композиционных материалов (ККМ) связаны в первую очередь с повышением коммутируемой мощности и миниатюризацией аппаратов. Для достижения этого активно применяются технологические операции прокатки, экструзии, направленной кристаллизации для создания ориентированной структуры контактов.

Однако необходимо выбрать критерии оценки, исходя из условий эксплуатации контактов, так как даже самые детальные исследования всех свойств материала не могут полностью характеризовать поведение контактной пары в коммутационных аппаратах. Для разрывных контактов вакуумных выключателей и КДВ такими критериями оценки являются: эрозионная стойкость, контактное сопротивление, усилие сваривания, электропроводность материала.

Таким образом, определен круг проблем, которые необходимо решить при разработке контактного материала.

Целью настоящей работы является исследование методом электросинтеза режимов синтеза композиционных контактных материалов на основе меди и алюминидов никеля с однонаправленной структурой электропроводящей компоненты и разработка приборов контроля свойств и структуры исходных компонент и составляющих материала контактов. При этом поставлены следующие задачи:

1. Создание экспериментальной установки (макета стенда) для оптимизации режимов спекания и проведения испытаний контактных материалов.

2. Проведение электросинтеза композиционных контактных материалов на основе меди, исследование их физико-механических и электрофизических свойств.

3. Синтезирование алюминидов никеля в случае узкого реакционного канала. Исследование влияния параметров спекания на степень очистки конечного продукта от кислорода, пористость, электропроводность, фазовый состав с целью определения оптимальных режимов синтеза жаропрочной компоненты. Проведение исследований свойств барьерных покрытий, нанесенных на электропроводящую компоненту. Экспериментальное определение оптимальных физико-механических характеристик покрытий. Оценка влияния поверхности раздела на характер разрушения.

4. Проведение расчета вносимых напряжений накладного вихретокового преобразователя (ВТП) для случая малого обобщенного параметра, разработка макета прибора неразрушающего контроля с целью экспериментальной оценки величины удельной электрической проводимости композиционного контактного материала.

5. Исследование процессов газовыделения и определение газосодержания на начальных этапах спекания в стандартных порошках N1 и А1 с целью окончательного выбора дисперсных составляющих.

Краткое содержание диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Разработан макет прибора неразрушающего контроля с локальным ВТП накладного типа, предназначенный для электрофизических и структурных исследований материалов электрических контактов.

2. Впервые синтезированы композиционные контактные материалы состава

Шъ А1 + Си + Сг, ША/ + Си + Сг с ориентированной структурой электропроводящей компоненты. На основе разработанной конструкции макета прибора неразрушающего контроля освоено мелкосерийное производство приборов для измерения твердости и электропроводности неферромагнитных материалов.

3. Получены экспериментальные данные по оптимизации режимов спекания однонаправленных композиционных контактных материалов на основе меди. Исследована электропроводность ККМ, измеренная в продольном и поперечном направлениях по отношению к однонаправленным волокнам меди.

4. В результате выполненных исследований по синтезу алюминидов никеля при прямом электронагреве впервые показано, что в интервале Жк р от 2-109 - 3-Ю9 Вт/м3 для смесей порошков №+А1 вблизи стехиометрического состава достигается максимальный рафинирующий эффект при минимальной пористости конечного продукта. Проанализированы причины роста пористости и дерафинирования

9 3 конечного продукта электросинтеза, полученного при >4-10 Вт/м .

5. Экспериментально обнаружена и исследована зависимость времени индукции и характерной скорости горения для смесей порошков №+А1 от объемной критической мощности.

6. Впервые получены экспериментальные данные по характерной скорости инфильтрации жидкого алюминия в порошковую смесь №+А1 при электронагреве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Буткевич Г.В., Белкин Г.С., Ведешенков H.A., Жаворонков М.А. Электрическая эрозия сильноточных контактов и электродов. М.: Энергия, 1978. 256 с.

2. Левченко Г.В., Раховский В.И., Теодорович O.K. Разрывные контакты электрических аппаратов. М.: Энергия, 1966. 293 с.

3. Спечённые материалы для электротехники электроники / Под ред. Г.Г. Гнесина. М.: Металлургия, 1981. 343 с.

4. Thomas В., Walter К. V., Saeger К.Е. On the application of W/Cu materials in the fields of power energetics and plasma technology // IEEE Trans. Compon. Hybrids, and Manuf. Technology, 1991. V. 14. №1. P. 8-13.

5. Теодорович O.K. Материалы для контактных высоковольтных тяжелона-груженных аппаратов // Электрические контакты и электроды. Киев: Наукова думка, 1977. С. 5-10.

6. Kothari N.C. Factors affecting tungsten-copper and tungsten-silver electrical contact materials//Powder Met. Int. 1982. V.14. №3. P. 1397143.

7. Заявка 2024257 (Великобритания). Contact for vacuum interrupter. Опубл. 09.01.80.

8. Beige H. Verbundwerkstoffe fur die Elektrotechnik//Wiss. Beitr.M.-Luther-Univ. Halle Wittenberg. 1986. R. O. V.21. P. 172-187.

9. Минакова P.B., Кресанова А.П., Костенецкая Л.И., Кухтиков В.А. О структурных факторах, влияющих на работу W-Ni-Cu порошковых контактов // Электр, контакты и электроды. Пути повышения качества и надёжности. Киев, 1989. С. 37-44.

10. Des Forges С. D. Sintered materials for electrical contacts // Powder Metallurgy. 1979. V. 22. №3. P. 138-144.

11. Францевич И.Н. Электрические контакты, получаемые методами порошковой металлургии // Порошковая металлургия. 1980. №8. С. 36-47.

12. Правоверов Н.Л., Афонин М.П., Дорошкин А.К., Лобынцева И.М. Особенности эрозии и структура электроконтактных материалов серебро-интерметаллид//Порошковя металлургия. 1980. №9. С. 28-34.

13. Bohmeier H., Kunert W., Raschke M. Legierungen auf Cu-Basis als kon-tactwerkstoffe fur Vakuumleistungsshalter // Wiss. techn. Mit. Inst. Prüffeld elek. Hochleistungstechn. 1980. №22.11-20, II, III, IV.

14. Schnabl R. Massnahmen zur Einsparung von Gold fur elektrische Kontakte //"Bull. Schweiz, elektrotechn. Ver". 1986. V. 77. №23. P. 1476-1479.

15. Ерошенкова И.Г., Захаров A.M., Оленичева В.Г. Диаграммы состояния металлических систем // Итоги науки и техники. Вып. 24 /ВИНИТИ. М., 1980. 279 с.

16. Ерошенкова И.Г., Захаров A.M., Оленичева В.Г. Диаграммы состояния металлических систем. // Итоги науки и техники Вып. 27 /ВИНИТИ. М., 1983.300 с.

17. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. М.: Металлургиздат, 1962. 1488 с.

18. Заявка 2066298 (Великобритания). Способ получения материалов для контактных элементов. Опубл. 08.07.81.

19. Taubitz G. Neue Werstoffe in der Diskussion // Eler. Anz. 1982. V. 35. №1/2. P. 22-24.

20. Заявка 1510176 (Великобритания). Electrically conductive composite materials. Опубл. 10. 05.78

21. Игнатко В.П., Кухтиков B.A. Исследование эрозионных процессов в условиях сильноточной квазистационарной дуги // Сильноточные электрические контакты и электроды. Киев: ИПМ АН УССР, 1972. С. 28-36.

22. Nassou К., Shiever Z.W. Cupric oxide-molibdenum oxide phase diagram in air and in oxygen // J. Amer. Cer. Soc. 1969. V. 52. №1. P.36-40.

23. Заявка 2066298 (Великобритания). Способ получения материалов для контактных элементов. Опубл. 08.07.81.

24. Wyrwich. Z. angew. Phys. 1963. Bd. V.15. P. 256-263.

25. Gessinger G.N., Melton K.N. Burn-off W-Cu contact materials in an electrical arc//Powder Metallurgy Intern. 1977. V. 9. №2. P. 67-72.

26. Игнатко В.П., Кухтиков B.A., Минакова P.B., Флис А.А. Влияние условий возбуждения разряда на дуговую эрозию контактов // Электрические контакты и электроды. Киев: Наукова думка, 1977. С. 79-84.

27. Kippenberg Horst, Kuhl Wilfried, Schlenk Wolfgang. Kontaktmaterial fur Vakuumschalter // Energ. und Automat. 1985. V. 7. №2. P. 76-79.

28. Hirayama Takashi, Hara Noriyuki. Effect of particle size of tungsten on some properties of sintered silver-tungsten and cupper-tungsten composite materials // Nippon Tungsten Rev. 1977. №10. P. 15-24.

29. Kunert W., Haubler S., Markscheffel F. Die Entwicklung von Mehrkompo nentenwerkstaffen auf Silberbasis fur Kontaktzwecke und ihr Abbrandverhalten // Stahlberatund. 1981. V. 8. № 1. P. 7 11. •

30. Chrost К., Wojcilchowski S., Walezuk E. Schalteigen-Schaften von Kontakten einer AgCn Legierung mit gerichteter Faserstruktur // Metall (W. Berlin). 1982. V. 36. №1. P. 4~47.

31. Murrle U., Exner H.E., Stockei D. Gefugein Stabiiitat von Silber - Nickel -Faserverbund - Werkstaffen. //Ibid. 1980. V. 34. №7. P. 617-621.

32. Electrical contact material. Пат.4292078 США. Опубл. 29. 09. 81.

33. Заявка 57~2781 (Япония). Материал для электроконтактов. Опубл. 18.01.82.

34. Заявка 55-91952 (Япония). Хонда М., Комура Т., Окабэ М. и др. Жаростойкий материал для электрических контактов. Опубл. 11.07.80.

35. Janitzki A.S., Schaefer В. The influence of the quality of brasing on the erosion of contacts // Elect. Contacts. 1978. Proc. 9th Int. Conf. Met jointly With 24th Annu Holm. Conf. Chicago 1. 1978. P. 389-394.

36. ГОСТ 19725—74. Аппараты электрические коммутационные. Введ. 01.07.75.

37. Ну des P.C. Electrodeposited ruthenium as an electrical contact material // Platinum Metals Rev. 1980. V. 24. №2. P. 50-55.

38. Заявка 55-138040 (Япония). Hapa Т., Мацун С., Нисидзима М. Композиционный материал для электрических контактов. Опубл. 28.10.80.

39. Заявка 2069005 (Великобритания). Waine С.А., Souter J.W., Pedder D.J. Intermetallic connector contact finishes. Опубл. 19.08.81.

40. McKee Boddy D., Nakagawa Alvin H. Anisotropic resistivity material and method of making same. Пат. 4940878 США, МКИ5 В23К26/00/ West-inghouse Electric Corp. №284881. 15.12.88. Опубл. 10.07.90. НКИ 219//121. 64.

41. Schoder K.H. Elektrische kontakte in der Energiettechnik (1)//Elektro-techn. Z. 1979. A. 100. №20. P. 109&-1099.

42. Федянин В.Я., Плотников В.А., Кандауров В.П., Дмитриев С.Ф. Особенности структуры и физико-химические свойства УДА// Тез. докл. научн-тех. конф. Бийск, 1988. С. 30-32.

43. Тананаев А.И., Федоров В.Б., Мамокова JI.B. и др. Характерные особенности ультрадисперсных сред // ДАН СССР. 1985. Т. 283. №6. С. 64.

44. Старостенков М.Д., Федянин В Я., Дмитриев С.Ф. О механизме порообразования при спекании смесей Ni и AI // Тез. докл. Всесоюзн. научн. конф. "Роль дефектов в физико-механических свойствах твердых тел". Барнаул: Изд-во АЛИ, 1985. 4.1. С. 95.

45. Дмитриев С.Ф. Особенности транспорта при средне- и сильноточном воздействии на смеси порошков Ni+Al на подложке из AI // Проблемы гидродинамики и тепломассообмена: Сб. научн. статей / Институт теплофизики СО РАН, АТУ. 1999. С. 146-153.

46. Joseph I. Goldstein, Dale E. Newbury, Patrick Echlin. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. New York&London.: Plenum Press. 1981. P. 630

47. Быковский Ю.А., Неволин B.H. Лазерная масс-спектрометрия. М.: Энер-гоатомиздат, 1985. 129 с.

48. Мержанов, А.Г.,Боровинская И.ГТ. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений // Докл. АН СССР. 1972. 204. №2. С. 366.

49. Мержанов А.Г. Физическая химия. Современные проблемы. М.: Химия, 1983. 173 с.

50. Александров В.В., Корчагин М.А. О механизме и макрокинетике реакций при горении СВС- систем // Физика горения и взрыва. 1987. №5. С. 18-26.

51. Бучнев Л.М., Смыслов А.И. Дмитриев И.А. Оптимизация теплового режима процесса горячего прессования // Порошковая металлургия. 1986. №3. С. 35-38.

52. А. С. 1420069 СССР. Способ получения покрытий на основе соединения никеля с алюминием / В.Я. Федянин, С.Ф. Дмитриев // Открытия. Изобретения. 1988. №32.

53. А.С. 1603803 СССР. Спеченный материал для электроконтактов / В.Я. Федянин, С.Ф. Дмитриев, Г.С. Белкин, М.П. Леонов, Р.А. Червоненкис // Открытия. Изобретения. 1990. №37.

54. Дмитриев С.Ф. О некоторых транспортных особенностях при сильноточном воздействии на смеси порошков // Алтайский университет науке: Сб. тр. юб. научн. конф. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 1993. С. 32-36.

55. Белоусов В.Я., Пилипченко А.В., Луцак Л.Д. Некоторые закономерности инициирования св-синтеза при прямом электронагреве // Порошковая металлургия. 1988. №10. С. 65-68.

56. Буренков Г.Л., Райченко А.И., Сураева A.M. Макроскопический механизм образования межчастичного контакта при спекании порошков электрическим током // Порошковая металлургия. 1989. №3. С. 33-39.

57. Буренков ГЛ., Райченко А.И., Сураева A.M. Динамика межчастичных взаимодействий сферических порошков при электроспекании // Порошковая металлургия. 1987. №9. С. 25-29.

58. Буренков Г.Л., Райченко А.И., Сураева A.M. Уплотнение при спекании непрессованных металлических порошковых частиц электрическим током // Порошковая металлургия. 1992. №1. С. 23-27.

59. Кузьменко П.П. Электроперенос, термоперенос и диффузия в металлах. Киев: Высшая школа, 1983. 151 с.

60. Медведенко М.Ф., Кольчшський М.З., Скороход В.В. // Докл. АН УССР. 1977. Сер. А. №6. С. 562-566.

61. Гаспарян А.Г., Штейнберг A.C. Макрокинетика взаимодействия и тепловой взрыв в смесях порошков Ni и AI // Физика горения и взрыва. 1988. №3. С. 67-74.

62. Цитрин А.И., Белоусов В .Я., Пилипченко A.B., Хомченко А.Н., Луцак Л.Д. Нестационарная конечно-элементная модель температурного поля при прямом электронагреве порошковой смеси // Порошковая металлургия. 1988. №3. С. 5-11.

63. Райченко А.И., Черникова Е.С. Математическая модель электрического нагрева пористой среды совместно с подводящими ток электродами-пуансонами // Порошковая металлургия. 1989. №5. С. 34-41.

64. Мешков В.В., Мышкин Н.К., Свириденко А.И. О методе расчета технологических параметров процесса электроспекания проводящих порошков // Порошковая металлургия. 1984. №3. С. 36—39.

65. Белкин Г.С., Червоненкис P.A., Дмитриев С.Ф. Структурные особенности системы Cu-Cr-W при ЭЛП // Тез. докл. научн.-тех. конф. "Порошковые материалы и плазменные покрытия". Барнаул: Изд-во АТУ, 1988. С. 4648.

66. Токарева Г.Г., Антимонов А.Ф., Малкина Е.Б., Дмитриев С.Ф., Федянин В.Я. Неразрушающий контроль качества модифицирования алюминиевых сплавов // Тез. докл. научн.-тех. конф. "Порошковые материалы и плазменные покрытия". Барнаул: Изд-во АТУ, 1988. С. 84.

67. Ханина Т.М., Дмитриев С.Ф. Модель расчета отклика вихретокового преобразователя для случая малого обобщенного параметра // Алтайский университет науке: Сб. тр. юб. научн. конф. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 1993. С. 40-45.

68. Герасимов В.Г., Клюев В.В., Шатерников В.Е. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий. М.: Энергоатомиздат. 1983. 271 с.

69. Vernon S.N. A single-sided eddy current method to measure electrical resistivity. // Mater. Eval. 1988. 46,№12. P.1581-1587.

70. Соболев B.C., Шкарлет Ю.М. Накладные и экранные датчики. Новосибирск: Наука, 1967. 144 с.

71. Локальные вихретоковые преобразователи для контроля некоторых изделий сложной формы // Дефектоскопия. 1979. №12. С. 72-79.

72. Денисов В. А., Шатерников В.Е., Шарков В.А. Локальные вихретоковые преобразователи // Известия вузов. Приборостроение. 1974. №12. С. 5-10.

73. Герасимов В.Г. Неразрушающий контроль качества изделий электромагнитными методами. М: Энергия, 1978. 216 с.

74. Дмитриев С.Ф. Исследование режимов нанесения покрытий из смесей порошков Ni+Al на цилиндрическую поверхность из алюминия / Алт. ун-т. Барнаул, 1997. 11 с. Деп. в ВИНИТИ 17.09.97, №2867-В97.

75. Рыкалин Н.Н. Теория нагрева стержней током при сварке встык сопротивлением // Сб. тр. лаб. сварки металлов: Тепловые процессы при контактной сварке. М.: АН СССР, 1959. С. 6-53.

76. Бойко Ю.И., Гегузин Я.Е. и др. Экспериментальное обнаружение увлечения дислокаций электронным ветром в металлах // Письма в ЖЭТФ. М.: Наука, 1979. Т. 30. Вып. 3. С. 168-172.

77. Александров В.В., Корчагин М.А. О механизме и макрокинетике реакций при горении СВС-систем // Физика горения и взрыва. 1987. №5. С. 55-62.

78. Пинес Б.Я. Очерки по металлофизике. Харьков: Изд-во Харьков, ун-та, 1961. 315 с.

79. Федянин В.Я., Двойное A.C., Свинаренко В.Г., Дмитриев С.Ф., Попов Г.В. О возможности повышения адгезионных свойств пленок NxCrix // Тез. докл. научн.-тех. конф. "Новые технологии защитных и упрочняющих покрытий". Барнаул : Изд-во АГУ, 1986. С. 26-28.

80. Дмитриев С.Ф., Сагалаков A.M. Электрофизические методы исследования неоднородных сред // Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред: Сб. научн. трудов II Межд. на-учн.-тех. конф. Барнаул: Изд-во АГУ, 2001. 47 с.

81. Рис. 1. Схема принципиальная электрическая блока МВТ макетаприбора ИЭНМ-21. УГЗ.

82. Рис. 2. Схема принципиальная электрическая блока МВТприбора ИЭДМ-7.ксдлш?о5щ,ицмакетачь9 £>¡0/0 1МНМ —- №г:—оТ слТ зг+тКСОЗА1. V э