Триботехнічні властивості матеріалів на основі дисперсно зміцненої міді

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Триботехнічні властивості матеріалів на основі дисперсно зміцненої міді

А.М. Степанчук, к.т.н, професор

О.С. Богатов, м.н.с.

М.В. Шимків, студент

Національний технічний університет України, ”КПІ”

В роботі досліджено вплив технології виробництва та матеріалу композиційних контактних матеріалів, які працюють в якості контактних пластин пантографів електричного транспорту на їх властивості. Встановлено що контактні матеріали на основі дисперсно-зміцненої міді мають вищі в 2-4 рази експлуатаційні характеристики, ніж у матеріалів серійного виробництва.

Ключові слова: пантограф, струмознімачі, зносостійкість, коефіцієнт тертя, порошки, дисперсне зміцнення.

Степанчук А.Н., Богатов А.С., Шимкив Н.В. Триботехнические свойства материалов на основе дисперсно-упрочненной меди // Проблеми тертя та зношування: Наук.-техн. зб. - К.: Вид-во НАУ «НАУ-друк», 2012. - Вип.. - С. -.

В работе исследовано влияние технологии производства и материала композиционных контактных материалов, работающих в качестве контактных пластин пантографов электрического транспорта на их свойства. Установлено, что контактные материалы на основе дисперсно-упрочненной меди имеют характеристики в 2-4 раза выше по сравнению с серийными материалами.

Stepanchuk A.M., Bogatov O.S., Shimkіv M.V. Tribotechnical properties of materials based on dispersion strengthened copper

The influence of manufacturing technology and material composition of contact materials, which work as contact plates of pantographs in electric transport were studied in this work. Found that contact materials based on dispersion-strengthened copper have the characteristics in 2-4 times higher than with serial materials.

Вступ

мідний контактний антифрикційний пантограф

Тепер досить широке розповсюдження знаходять порошкові матеріали антифрикційного призначення [1-3], які мають ряд суттєвих переваг перед традиційними. Досить широке використання порошкові антифрикційні матеріали мають при виготовлені контактів ковзання і серед них струмознімачів рухомого транспорту [4]. Останні працюють в складних умовах впливу зовнішніх атмосферних явищ та навантажень. Такі матеріали повинні мати поряд з високою тепло- та електропровідністю, низький коефіцієнт тертя, високу зносостійкість, високу електроерозійну стійкість та ряд інших спеціальних властивостей. Таким вимогам у деякій мірі відповідають матеріали на основі графіту, міді, заліза або їх сумішей з легувальними добавками [1-4]. Враховуючи широке розповсюдження контактів ковзання та ускладнення умов їх експлуатації, пов'язаних із збільшенням швидкостей ковзання, підвищення струму, що вони передають через себе, виникає необхідність удосконалення матеріалів, що існують зараз або розробки нових. Так, як відомо [3] з метою покращення властивостей таких матеріалів ведеться розробка нових матеріалів для контактів ковзання та технології виготовлення виробів з них. Вирішення цих проблем тепер є досить актуальною проблемою. Аналіз літературних даних показує, що основною проблемою контактних матеріалів, що працюють в умовах ковзання, є низька механічна міцність міді, що традиційно використовується як матричний матеріал останніх. Одним з шляхів вирішення цієї проблеми є підвищення механічних властивостей матричного матеріалу, яке може бути досягнуто за рахунок використання дисперсно-зміцнених вихідних порошків [5-7].

Мета роботи

У зв'язку з викладеним вище метою роботи було дослідження впливу складових та технології виготовлення матеріалів з них для струмознімачів рухомого транспорту (пантографів) на їх властивості.

Результати експерименту і їх обговорення

Перспективними для створення антифрикційних порошкових виробів електротехнічного призначення можуть бути матеріали на основі міді. При цьому експлуатаційні властивості таких виробів можна покращити за рахунок дисперсного зміцнення вихідних порошків міді [5-7].

В роботі досліджувались два матеріали з вмістом 86% порошку міді, 10% порошку заліза та 4% графіту. У шихті №1 як основу використовували порошок чистої міді. У шихті №2 - порошок міді дисперсно зміцненої хромистим чавуном [7] (ДЗМ). Порошки чистої міді та ДЗМ отримували механічним диспергуванням їх розплавів за методикою викладеною в роботі[8].

Для готування вихідної шихти антифрикційного матеріалу використовували порошок заліза з середнім розміром частинок порошку 100мкм марки ПЖРВ згідно ГОСТ 9849-86. До складу вихідних шихт також вводили порошок графіту марки ГТ-1 згідно з ГОСТ 4596-75.

Вихідну шихту отримували змішуванням вихідних компонентів протягом 2 години з використанням V- подібного змішувача.

Для встановлення впливу методу виготовлення антифрикційних матеріалів на їх властивості, зразки з вихідної шихти виготовляли двома способами. У першому випадку застосовували метод пресування зразків з наступним їх спіканням. Пресування проводили за тиску 400 МПа, а спікання при температурі 1000⁰С протягом 60 хв. в муфельній печі в середовищі водню. У другому випадку застосовували високоенергетичний метод компактування порошкових виробів - гарячу штамповку. Для цього спресовані зразки в металевій прес-формі за тиску 400 МПа нагрівали в середовищі водню за температури 950⁰С протягом 20 хв. в муфельній печі і потім штампували на дугостаторному пресі ФБ-1730 за енергії 0,160 кДж/см³.

Властивості отриманих матеріалів порівнювали з серійними виробництва Росії (ВЖ3П) та Чехії (МГ-478). Деякі їх характеристики наведені в таблиці 2.

Таблиця 1

Характеристики антифрикційних матеріалів

Структура отриманих матеріалів вивчалась за допомогою оптичного мікроскопу NEOFOT та растрового мікроскопу РЕМ. Типові структури матеріалів приведені на рисунку 1. Як видно з рисунку в зразках практично відсутня пористість. Як фазові структурні складові спостерігаються тільки мідь, залізо та графіт.

Мікроструктури спечених (рис.1-1,3) та гаряче штампованих зразків (рис.1 - 2,4) майже не відрізняються одна від одної. Композити представляють собою мідну матрицю із рівномірно розподіленими в ній графітом та залізом. Графіт виконує функцію твердого мастила, а залізо - антизадирного компоненту. Різним у структурі є тільки форма графітових включень. Для штампованих зразків графітові включення мають більш пласку тарільчасту форму (рис.1 - 2,4), а у зразків отриманих за технологією пресування з наступним спіканням графіт має більш розгалужену форму (рис.1-1,3). Така розгалужена форма може впливати на міцність та твердість композитів через те, що графітові включення впливають на механічні властивості так само, як пори, тобто знижує їх.

1 2

3 4

1,3 - пресування + спікання; 2, 4 - гаряча штамповка

Рис.1. Типові мікроструктури антифрикційних матеріалів, отриманих за різними технологіями

Для встановлення закономірностей формування властивостей матеріалів також були досліджені процеси взаємодії заліза та міді залежно від технології компактування. У всіх випадках має місце взаємна дифузія заліза та міді. При цьому мідь переважно дифундує в залізо. З таблиці 2 видно, що технологія пресування-спікання сприяє збільшенню взаємного дифузійного проникнення заліза і міді одне в одне з утворенням твердих розчинів, як це має місце при виготовленні виробів конструкційного та антифрикційного призначення на основі заліза при легуванні його міддю [2]. Останнє, мабуть, зумовлено більш високою температурою та часом взаємодії при спіканні заготівок.

Дослідження антифрикційних властивостей проводили на машині тертя типу 2070 СМТ-1 за схемою диск-колодка. Навантажень на зразок складало 25, 70 та 100 Н. Для порівняння властивостей отриманих та серійних матеріалів їх коефіцієнт тертя та зносостійкість було досліджено по однаковій методиці.

Таблиця 2

Вміст заліза й міді біля межі поділу фаз, %

Мідне контр тіло, що імітувало контактний провід було виточене з нагартованого осадкою на пласких бійках мідного прутка (із деформацією 70%) і являло собою шайбу з зовнішнім діаметром 50 мм, шириною 12 мм.

Швидкість ковзання становила 4,5 м/с. Зношування визначали по втраті ваги зразків-контактів за одиницю шляху зважуванням на аналітичних вагах ВЛР-200 із точністю 1мг.

Також на машині реєструвався момент тертя, за допомогою якого розраховувався коефіцієнт тертя трібопари за формулою:

,

де - момент тертя; - власний момент тертя машини; - зовнішний діаметр контртіла; - сила притискання зразка.

Власний момент установки M_тр0 визначали шляхом холостого пуска (без притискання до контртіла) на 10 хв.

Із рисунків 2, 3 можна побачити, що серійні матеріали мають дещо гірші показники по коефіцієнту тертя та інтенсивності зношення (~2 рази для композитів чеського виробництва та більш ніж 4-5 разів для композитів російського виробництва), як самого антифрикційного матеріалу, так і матеріалу контр-тіла. Велика інтенсивність зношення контр-тіла композитом марки ВЖ3П є причиною його великої твердості. Адже відомо [4], що умовою малого зношення контактного проводу, який при наших дослідженнях імітувало контр-тіло, твердість матеріалу контакту повинна бути меншою або рівною твердості контр-тіла і не повинна перевищувати її. На відміну від російського композиту ВЖ3П запропоновані нами матеріали виготовлені за обома технологіями та матеріал чеського виробництва мають твердість меншу за твердість контр-тіла на 300-500 МПа (30-50 НВ), чим і викликане їх мале зношування, гарне припрацювання і нижчі коефіцієнти тертя порівняно із матеріалом ВЖ3П.

Якщо ж порівняти антифрикційні властивості, інтенсивність зношування та коефіцієнт тертя, антифрикційних матеріалів з дисперсно-зміцненою матрицею виготовлених за технологією пресування-спікання та гарячого штампування (рис. 2, 3), то видно, що останні зразки мають менший коефіцієнт тертя та інтенсивність зношування, як зразка композиту, так і самого контр-тіла.

1 - МГ (Чехія); 2 - ВЖ3П (Росія); 3,4 - Виготовлені пресуванням-спіканням на основі міді зміцненої (3) та незміцненою FeCrC(4);

5 - Матеріал виготовлений за технологією гарячого штампування із матрицею зміцненою FeCrC.

Рис. 2. Залежність коефіцієнту тертя від матеріалу контактних пластин.

1 - МГ-478 (Чехія); 2 - ВЖ3П (Росія); 3,4 - Виготовлені по технології пресування-спікання, із матеріалу на основі ДЗМ та незміцненою матрицею відповідно; 5 - Матеріал на основі ДЗМ, виготовлений за технологією гарячої штамповки.

Рис. 3. Зношування зразків та контр тіла порошкових матеріалів у порівнянні з серійними матеріалами

Дослідження впливу навантаження на коефіцієнт тертя та зношування матеріалів та контр-тіла показало наступне. Коефіцієнт тертя збільшується зі збільшенням навантаження для всіх досліджених матеріалів (рис. 4). В той же час залежність величини зносу від навантаження немонотонна (рис.5).

1,2,3 - матеріал на основі ДЗМ виготовлений по технології гарячого штампування, навантаження на зразок 25, 70, 100 Н відповідно; 4,5,6 - матеріал на основі ДЗМ виготовлений по технології пресування-спікання, навантаження на зразок 25, 70, 100 Н відповідно

Рис. 4. Залежність коефіцієнта тертя від навантаження

1,2,3 - матеріали виготовлені гарячим штампуванням при навантаженні 25, 70, 100 Н відповідно; 4,5,6 - матеріали виготовлені по технології пресування-спікання при навантаженні 25, 70, 100 Н відповідно.

Рис. 5. Залежність зношування матеріалів та контр-тіла від технології виготовлення та навантаження

На рисунку 6 приведено мікроструктури поверхонь зношення в результаті випробувань антифрикційних властивостей матеріалу. Характер поверхонь збігається із даними коефіцієнту тертя та інтенсивності зношування. Так ми бачимо, що поверхня штампованих зразків має більш гладку поверхню зношування (тертя) (рис. 7).

Аналіз отриманих результатів, отриманих при дослідженні зносостійкості та коефіцієнту тертя досліджених матеріалів, дозволяє стверджувати, що ці характеристики залежать від складу матеріалу, технології їх отримання та умов випробування.

Встановлено, що менший знос та коефіцієнт тертя мають матеріали на основі порошку міді, особливо дисперсно зміцненої. Це зумовлено тим, що при дисперсному зміцненні дещо збільшуються характеристики міцності матеріалів, які, як відомо [4,10] сприяють зменшенню коефіцієнту тертя та збільшенню зносостійкості. В той же час у матеріалів на основі міді зберігається певна пластичність, що сприяє припрацьовуваності матеріалу при терті і, тим самим, зменшенню коефіцієнту тертя.

1 - гаряче штамповані; 2 - спечені

Рис. 6. Поверхні тертя дисперсно-зміцненого матеріалу хромистим чавуном

Із досліджених матеріалів найменший коефіцієнт тертя має матеріал на основі порошку міді дисперсно-зміцненої хромистим чавуном, що отриманий за технологією гарячого штампування. У такому матеріалі дисперсно-зміцююча фаза розміщується по всьому об'єму матриці [7] і збільшує її міцність в цілому. Також відбувається взаємне розчинення заліза та міді (табл.2,3) з утворенням твердих розчинів з більш високою твердістю. Останнє сприяє зменшенню коефіцієнта тертя.

Більш низькі значення коефіцієнта тертя у матеріалу на основі порошків міді дисперсно зміцненої хромистим чавуном отриманого гарячим штампуванням (рис. 2) може бути пояснене більш високою його щільністю та твердістю. У цьому випадку, за інших рівних умов, зменшується вірогідність адгезійного зчеплення у парі тертя. Останнє підтверджується топографією поверхні тертя контр-тіла, показаній на рисунку 7. З нього видно, що при терті матеріалу отриманого гарячим штампуванням на ньому практично відсутні сліди адгезійного зчеплення (рис.7 - а) у противагу поверхні при терті в парі з матеріалом отриманим за технологією пресування-спікання.

а б

а - у парі з матеріалом отриманим пресуванням + спікання;

б - у парі з матеріалом отриманим гарячим штампуванням

Рис. 7. Топографія поверхні тертя контр-тіла

Аналізуючи результати, отримані при вивченні зношування досліджених матеріалів при терті, можна відмітити наступне. Зношування матеріалів, за інших рівних умов, пов'язане з їх характеристиками міцності та щільності. Так зношування матеріалів зменшується зі збільшенням їх твердості та щільності.

Щодо зношування матеріалу контр-тіла, то у цьому випадку його зношування у прямому залежить від твердості матеріалу. При збільшенні твердості матеріалу зношування контр-тіла збільшується (рис.5), що узгоджується з сучасними уявленнями про зношування матеріалів при терті.

Результати дослідження впливу навантаження на коефіцієнт тертя показують, що зі збільшенням його у всіх випадках має місце збільшення коефіцієнту тертя. Але слід зазначити, що зношування контр тіла залежно від навантаження на пару тертя не має лінійної залежності. При навантаженнях 50 та 100 Н зношування більше ніж при навантаженні 75 Н. Останнє може бути зумовлене утворенням найбільш сприятливих для тертя вторинних структур. При низьких навантаженнях продукти зношування не утримуються у парі тертя і не утворюють змащувальних плівок, які складаються з продуктів руйнування та окиснення антифрикційних матеріалів [2, 4, 9]. Високі навантаження також не сприяють утворенню змащувальних плівок вторинних структур при терті, руйнуючи їх. Тому у нашому випадку тиск 75 Н є, мабуть, найбільш сприятливим для створення необхідних умов для зниження зношування контр-тіла.

Висновки

Досліджені триботехнічні властивості антифрикційних матеріалів на основі міді різного походження. Встановлено, що коефіцієнт тертя залежать від складу матеріалу, технології їх отримання та умов випробування. Менший знос та коефіцієнт тертя мають матеріали на основі порошку дисперсно зміцненої міді. Це зумовлено тим, що при дисперсному зміцненні має місце підвищення характеристики міцності матеріалів, які сприяють зменшенню коефіцієнту тертя та збільшенню зносостійкості.

Література

1. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: (Справ.) / Под ред. И.М. Федорченко, И.Н. Францевича, И.Д. Радомысельского. - К., 1985. - 624 с.

2. Степанчук А.Н. Технология порошковой металургии /А.Н. Степанчук, И.И. Билык, П.А. Бойко. - К.: Выща шк., 1989. - 415 с.

3. Берент В.Я..Токосъемные элементы для полозов токоприемни-ков из композиционных металлоуглеродных материалов с высокими электроконтактными свойствами /В.Я. Берент, П.П. Смазнов //Тез. конф. «Актуальные проблемы развития ж.д. транспорта» Москва, 1994. - С.129.

4. Берент В. Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта / В.Я. Берент. - М.: Интекст, 2005. - 408 с.

5. Берент В. Я. Перспективы улучшения работы сильноточного скользящего контакта «контактный провод - токосъемный элемент полоза токоприемника» /В.Я. Берент //Железные дороги мира. - 2002. - № 10. - С. 46-52.

6. Портной К.И. Дисперсноупрочненные материалы /К.И. Портной, Б.Н. Бабич. - М: Металлургия, 1974. - 200 с.

7. Степанчук А.М. Одержання порошків дисперсно зміцненої міді /А.М. Степанчук, О.С. Богатов, М.Б. Шевчук, Н.Ф. Пашковець //Луцьк: Ж-л “Наукові нотатки” ЛДТУ, 2010.- Випуск 29, - С. 188-195

8. Найда Ю.И. Промышленное производство порошков сплавов меди методом ударного дробления струи расплава / Ю.И. Найда, А.Н. Степанчук, А.Ю., Найда // Порошковая металлургия, 2006. - №1/2. - С. 112

9. Кончиц В. В. Триботехника электрических контактов. /В.В.Кончиц, В.В. Мешков, Н.К. Мышкин. - Минск: Наука и техника, 1986. - 256 с.

Размещено на Allbest.ru