Хоменко Олена Вікторівна. Оптимізація структури, властивостей та умов виготовлення Cr-Cu композицій для вакуумних дугогасильних контактів з підвищенною електроерозійною стійкістю

Краткое описание

Хоменко Олена Вікторівна. Оптимізація структури, властивостей та умов виготовлення Cr-Cu композицій для вакуумних дугогасильних контактів з підвищенною електроерозійною стійкістю : Дис... канд. наук: 05.16.06 - 2007.

Хоменко О.В. «Оптимізація структури, властивостей і умов одержання композицій Cr-Cu для вакуумних дугогасильних контактів з підвищеною електроерозійною стійкістю». Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.06 порошкова металургія і композиційні матеріали Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2007.
Дисертація присвячена вивченню особливостей структуро- і фазоутворення та фізико-механічних властивостей порошкових композицій Cu-Cr, а також мікроструктурних змін робочого шару Cr-Cu контактів під впливом дуги. Вивчено морфологію, хімічний та гранулометричний склад вихідних порошків, проведено термодинамічне моделювання хімічної взаємодії хрому і міді з основними домішками, вивчено адгезійні характеристики й особливості структуроутворення при спіканні в присутності рідкої фази в системах CrCu і CrCuFe(Co, Ni) у вакуумі в інтервалі температур 1100...1300оС, досліджено кінетику ущільнення композиції Cr-50 % мас. Сu при нагріванні й ізотермічному спіканні у водні й у вакуумі при 1200оС та вплив гарячого штампування на ущільнення і властивості композиції. Проведено аналіз мікроструктурних змін в робочому шарі контактів CrCu в умовах, наближених до експлуатаційних. На підставі результатів досліджень оптимізовано структуру, властивості та умови виготовлення композиції Cr50 % мас. Cu для вакуумних дугогасильних контактів; розроблено і затверджено технічні умови У3-4312068-20б6-96 на заготовки вакуумних дугогасильних контактів з композиційного матеріалу ХМ50В-КМ и впроваджено технологію їх виробництва на ДП Генератор” (м. Київ).

У дисертації вирішено науково-технічну задачу оптимізації структури, властивостей і умов одержання композицій Cr-Cu для вакуумних дугогасильних контактів з підвищеною ерозійною стійкістю. У процесі виконання роботи отримані наступні результати.
1. Істотне розходження в морфології і гранулометричному складі електролітичної міді із середнім розміром частинок 35 мкм і відновленого хрому із середнім розміром 8 мкм у стані постачання є основною причиною розшарування їх суміші при пресуванні, транспортуванні і збереженні. Попередня підготовка міді (вібророзмелення, відпал) сприяє рівномірному розподілу компонентів у шихті (кульовий млин, 6 год.), що підтверджується відповідністю розподілу концентрації хрому в суміші (за даними хімічного аналізу 50 проб) нормальному.
2.Термодинамічне моделювання хімічної взаємодії хрому і міді з основними домішками, що містяться у складі порошків (O, C, Si, S, Fe), в інтервалі температур 1000...1800 К в різних середовищах показало, що основна частина домішок зв'язується з хромом. Видалення кисню з конденсованої фази можливе при спіканні у водні або у вакуумі при температурах вище 1400 К (~1127оС). Дані термодинамічного аналізу підтерджуються результатами експериментальних досліджень: спікання композиції Cr50 % мас. Cr у водні (із точкою роси - 60оС) при температурі 1200оС дозволяє знизити вміст кисню в 3 рази (до рівня 0,07...0,08 % мас.).
3. Система Cr-Cu характеризується високою роботою адгезії в інтервалі температур 1100...1300оС у вакуумі. Тугоплавка складова композиції в процесі спікання формує каркас, про що свідчить виконання термодинамічної умови каркасности, відповідність розрахункових і експериментальних значень двогранного кута та висока зв'язаність частинок у мікроструктурі композицій. Основним механізмом росту тугоплавких частинок є дифузійна коалесценція, що підтверджується аналізом кінетики росту лінійних розмірів частинок і кінетики зменшення міжфазної питомої поверхні в мікроструктурі композицій. Визначено константи швидкості росту частинок, час початкового періоду коалесценції й оцінено коефіцієнт дифузії хрому в міді при 1200оС.
4.Адгезійні характеристики системи CrCu підвищуються при попередньому введенні одного з елементів ряду заліза в розплав міді. При спіканні потрійних композицій CrCuFe(Co) з електролітичним хромом при температурах 1200 і 1270оС тугоплавкі частинки диспергуються, на їхній поверхні утворюється перехідний шар, склад і морфологія якого визначаються характером взаємодії компонентів та добавки. Дифузія у твердій фазі перехідного шару в мікроструктурі композицій CrCuNi контролює процес росту тугоплавких частинок при спіканні, що підтверджується оцінювальними розрахунками коефіцієнту взаємної дифузії елементів у перехідному шарі по трьох дифузійних рівняннях в рамках моделі двох концентричних сфер.
5. Аналіз кинетики змін пористості композиції Cr50 % мас. Сu при спіканні в вакуумі та водороді вказують на меньшу швидкість ущильнення в порівнянні з теоретичною оцінкою, проведеною в рамках моделі локально-неоднорідної течії пористого тіла (по механізму Ешбі-Вералла). Розбіжність між теоретичною оцінкою та експериментальними даними може бути пояснена формуванням тугоплавкого каркасу, який збільшує ефективну в’язкість композиції і гальмує усадку. Цє підтверджується оцінними розрахунками коефіціенту ефективної в’язкості суспензії твердих частинок у розплаві в залежності від наявністі або відсутності каркасу тугоплавкої складової.
6. Гаряче штампування, що реалізує сдвигові деформації, ущільнює заготовки з композиції складу Cr50 % мас. Cu до 99 % від теор. густини і забезпечує оптимальний рівень міцності, пластичності та питомого електроопору. Розроблено технологічні рекомендації та впроваджено технологію одержання заготівок з матеріалу XM50В-КМ для виробництва вакуумних дугогасильних контактів, що використовуються в вакуумних вимикачах ВБТЭ-10-20/1600.
7. Випробування Cr-Cu контактів в умовах, близьких до експлуатаційних, показали, що через вплив дуги в робочому шарі формується вторинна структура, яка складається з гетерофазних мікрошарів в яких сферичні тугоплавкі частинки (з розмірами 0,1-1 мкм) займають до 50 % об’єму. Моделювання поширення тепла в композиції Cr-Cu показало, що збільшення дисперсності хрому при формуванні вторинної структури сприяє встановленню більш рівномірного температурного режиму контактів, що може бути однією з причин відомого факту поліпшення експлуатаційних характеристик вакуумних контактів після проведення визначеного числа комутацій струму.