Особенности теплового воздействия электрического тока и его влияния на износ в СК композит — металл.
В СК композит — металл проводимость может обеспечиваться через участки контактирования поверхности композита с чистым металлом; металлом, покрытым проводящими пленками различной природы (адсорбционные, пассивирующие и др.); пленкой фрикционного переноса. В зависимости от формирующейся структуры переходного слоя на металле (см. рис. 5.1) и определяемого ею механизма передачи электрического тока (см. параграф 5.2) один из перечисленных типов контактных пятен обычно является статистически преобладающим, хотя другие типы пятен при этом в той или иной степени также присутствуют. Характер токопрохождения и тепловыделения на чисто металлических и квазиметаллических контактных пятнах (возникновение таких пятен, например, возможно в СК медно- или серебрографитных щеток с медным коллектором) рассмотрен в параграфе 3.3. Качественно другая картина возникает при протекании тока через участки контактирования металла с материалами, обладающими намного меньшей тепло- и электропроводностью, например графитом. В этом случае величины Rк и выделяющегося джоулева тепла определяются графитом, а металл играет роль идеального проводника и теплопоглощателя, предотвращая достижение в контактной поверхности максимальной температуры. Наиболее нагретая область лежит внутри графита и состоит из изотермических поверхностей, окружающих проводящие пятна на расстоянии порядка их среднего радиуса. Распределение температуры в области стягивания контакта с круглой контактной поверхностью и различной проводимостью элементов представлено на рис. 6.15. Расчеты, проведенные Хольмом [298] для контакта металлов с углеродом, показывают, что величина максимального перегрева может заметно превосходить величину перегрева на контактной поверхности.
Рис. 6.14. Факторы, обусловливающие электрический износ в СК композит металл
Так, для меди (удельное сопротивление р=1,76-10-6 Ом-см и удельная теплопроводность λ=3,8 Вт/см-град) и углерода (соответственно р=0,004 Ом-см и λ=0,4 Вт/см-град) при максимальном перегреве внутри углерода ∆Тм = 400°С перегрев на контактной поверхности составляет всего 126 °С, при этом падение напряжения в углероде— 1,845 В, в то время как в меди — всего 1,35-10-3 В.
Рис. 6.15. Прирост температуры в области стягивания несимметричного контакта (металл—углерод): ∆Т — перегрев на контактной поверхности; ∆Тм — максимальный перегрев внутри углерода
Данные обстоятельства, несомненно, облегчают протекание рассмотренных выше процессов в СК металл — композит. Например, окисление связующего, химическая эрозия или термонапряжения вследствие тепловых ударов при возникновении соответствующих условий будут реализованы не на поверхности раздела, а на некоторой глубине, способствуя образованию трещин, частиц, слабо связанных с субстратом, а в конечном счете механическому ослаблению приповерхностного слоя композита и его более быстрому изнашиванию.
Вероятность протекания таких процессов повышается также благодаря тому, что для композитов величины λ и р, входящие в уравнение (3.28) и определяющие соответственно интенсивность генерации и диссипации тепла, зависят от температуры. При этом для графита и многих материалов на его основе р после первоначального уменьшения остается на одном уровне или повышается с увеличением температуры, а λ обычно уменьшается с ростом Т [427]. Следовательно, с увеличением токовой нагрузки возрастает генерация тепла, но его диссипация не ускоряется в той же степени. Как показано в [427], это обусловливает существование для любого данного размера контактного пятна графита с металлом критической величины тока Iкр, выше которой термическое равновесие невозможно. При I>Iкр температура повышается неопределенно и ограничивается только температурой деструкции материала. Последствия термической нестабильности при достижении Iкр усугубляются генерацией экстремально высоких температур только в графите (композите) на некоторой глубине от его поверхности.
В случае металлонаполненных композитов, в частности медно- и серебрографитных, описанные процессы, по мнению авторов работы [427], могут способствовать обеднению металлом контактных поверхностей. Достижение Iкр на участках контактирования графита контактной поверхности щетки с металлом кольца (коллектора) или пленкой фрикционного переноса должно приводить к мгновенному возрастанию температуры выше точки плавления металлического наполнителя. В результате любые частички металла на поверхности щетки, прилегающие к графитным контактным пятнам, могут быть расплавлены и потеряны, что снижает вероятность металлических контактных пятен и увеличивает вероятность прохождения импульсов тока через стягивание графита. Начавшийся такой процесс будет продолжать удаление металлических частиц с поверхности, и ее состояние будет определяться равновесием между термическим удалением и появлением новых частиц по мере изнашивания. С этой точки зрения в работе [427] объяснено наблюдающееся в ряде случаев явление практически полного удаления металла на сбегающем крае металлографитных щеток при работе по сегментным кольцам.
Формирование на поверхности металла пленки фрикционного переноса с преобладающей передачей через нее электрического тока сказывается на характере тепловыделения и фрикционного взаимодействия и оказывает двоякое влияние на износ композита. С одной стороны, образование пленки снижает трение и межмолекулярное взаимодействие между материалами контактных элементов, способствуя снижению интенсивности изнашивания, с другой — сопротивление стягивания на участках контакта композита с пленкой переноса вследствие ее высокого удельного сопротивления фактически более чем вдвое превышает Rс контактных пятен композита с металлом (разумеется, при их одинаковом размере). В результате увеличиваются контактное сопротивление, количество выделяющегося тепла и соответственно тепловое воздействие на поверхность композиционного контактного материала. В то же время вдвое должна снизиться для таких контактных пятен критическая величина тока, приводящая к нарушению термического равновесия [427].
Интенсификация термического воздействия на поверхность композита, безусловно, способствует проявлению факторов (см. рис. 6.14), приводящих к усилению интенсивности изнашивания.
Важным для процессов изнашивания под действием тока является размер зон приповерхностного слоя композита, подвергающихся тепловому воздействию электрического тока.
Рис. 6.16. Схема передачи электрического тока через воспринимающее механическую нагрузку пятно контакта металла с композитом
В обесточенном состоянии механическое воздействие на поверхностные слои контактных элементов обусловлено процессами в зонах фактического касания, в частности возникновением тангенциальных и касательных напряжений. Максимальные тангенциальные напряжения возникают на заданной глубине h (от единиц до сотен микрометров), сравнимой по величине с размерами пятен фактического касания (рис. 6.16), причем величина h определяет толщину ослабляемого слоя и размер продуктов износа. Как уже отмечалось, измельчение структуры материала в поверхностном слое ведет к ослаблению связи его частиц с субстратом и их легкому удалению.
Как известно [298], электрический ток в СК практически всегда проходит не через всю площадь реального контакта, воспринимающую механическую нагрузку, а только через некоторую его часть (см. рис. 1.2), причем даже площадки контакта, проводящие ток, нагружены всегда неодинаково. Сравним, например, сопротивления двух одинаковых пятен контакта радиуса а=10-3 см, образованных при контактировании графита
в одном случае с участком чистой меди
, а в другом — с участком меди, покрытым очень тонкой
туннельно-проводящей пленкой. В первом случае контактное сопротивление равно сопротивлению стягивания
Ом. Во втором случае к Rc добавляется туннельное сопротивление σ/πa2, где σ — удельное туннельное сопротивление. Согласно [298], при h'=l нм и напряжении в контакте ~1 В (типично для многих видов СК композит — металл) σ изменяется от 1СМ до 10-4 Ом-см2. Тогда σ/πа2 может достигать 30—3-104 Ом. Это означает, что какую бы малую долю от ФПК ни составлял контакт графита (композита) с чистым металлом, именно эти участки будут воспринимать основную долю токовой нагрузки.
Таким образом, только некоторая часть ФПК подвергается дополнительному тепловому воздействию, а процессы, показанные на рис. 6.14, протекают в микрообъемах материала композита, намного меньших микрообъемов, подвергающихся механическим воздействиям и фрикционному нагреванию. Схематично это представлено на рис. 6.16. Очевидно, поэтому размер продуктов изнашивания, причиной образования которых явилось действие тока, должен быть меньше размера продуктов механического изнашивания. На практике такая закономерность всегда наблюдается. Согласно [152], частички износа электрографитных щеток при пропускании тока имеют размеры до 1 мкм, в то время как в обесточенном состоянии — несколько десятков микрометров, что сравнимо с размером частиц исходных компонентов щеточных материалов. По данным [388], частицы, выделяемые в результате механического и электрического износа, достигают порядка 20—50 и 0,5— 1,5 мкм соответственно. В работе [96] найдено, что продукты износа электрощеток находятся в тонкодисперсном состоянии, подтверждающемся возникновением сигналов ЭПР. При этом интенсивность сигнала и асимметрия линии поглощения наибольшие при работе под токовой нагрузкой при более высокой дисперсности продуктов изнашивания. Аналогичный эффект изменения фракционного состава продуктов износа при воздействии на контакт электрического тока отмечался также другими авторами, и то, что он имеет общий характер для СК композит — металл, не вызывает сомнений.
Величина проводящих площадок, их размер, а следовательно, глубина и интенсивность теплового воздействия тока на поверхность, размер продуктов «электрического» износа зависят от установившегося механизма токопередачи и многих других факторов, часто совершенно не связанных с формированием ФПК. Например, если основным механизмом токопередачи является фриттинг изоляционных пленок (контакты углеродная щетка — медный коллектор), то площадь проводящих α-пятен увеличивается при возрастании величины тока (в результате так называемого В-фриттинга [298]). Так как для фриттинга требуется некоторое время, то проводящая способность а-пятен также зависит от скорости скольжения.
Можно привести ряд данных, косвенно свидетельствующих о том, что «электрический» износ — это прежде всего результат ужесточения теплового режима именно на отдельных проводящих площадках, а не результат, например, повышения средней температуры в поверхности раздела. Так, известно [290], что при подразделении щеток на элементарные с индивидуальным нажатием (удельная нагрузка остается постоянной) их суммарное контактное сопротивление снижается при одновременном снижении интенсивности изнашивания. В сильноточных СК при использовании щеток с разной номинальной площадью контакта Аа износ в большей степени зависит от величины тока I, чем от его плотности, определяемой отношением 1/Аа [71, 346]. Приведенные результаты можно объяснить, если учесть, что при одной и той же нагрузке площадь реального контакта относительно мало изменяется при изменении номинальной площади контакта. В первом случае подразделение щетки увеличивает ФПК (кроме снижения Rk, об этом свидетельствует также увеличение коэффициента трения [122]), а во втором при неизменных величинах механической нагрузки и тока изменение Аа (соответственно величины j) мало изменяет ФПК и, надо полагать, проводящую площадь. В обоих случаях увеличению интенсивности изнашивания соответствует возрастание тепловой напряженности на участках проводимости.
«Электрический» износ при искро- и дугообразовании.
Рассмотренные факторы влияния электрического тока на износ относятся к случаю так называемой темной коммутации, т. е. отсутствие визуально наблюдаемого искрения или дугообразования. Однако на практике добиться полного отсутствия электрических разрядов в СК практически невозможно. Скользящий контакт по своей природе не является стабильным: пути прохождения тока между контактными элементами непрерывно изменяются за счет количественного и качественного изменения контактных пятен и поверхностных пленок. Поэтому, например, в СК электрических машин проводимость через искры и дуги в той или иной степени имеет место даже при коммутации в зоне безыскровой работы. Искрение может вызываться как плохой коммутацией, так и механической неустойчивостью, изоляционными слоями на металлическом контртеле, любыми другими причинами, приводящими к невозможности передачи тока (полностью или частично) через участки физического контакта элементов.
Практикой эксплуатации, специальными экспериментами в лабораторных условиях установлено, что возникновение искрения или дугообразования в СК всегда ведет к дополнительному возрастанию износа. Хольм [298] пришел к выводу, что при искрении увеличение износа углеродных щеток происходит двумя путями: эрозией в результате термического действия дуги и увеличением механического износа вследствие повышения шероховатости медной поверхности. Эти две составляющие износа предполагаются пропорциональными заряду, рассеивающемуся в дуге и нагрузке соответственно. В экспериментах с нормальным разделением поверхностей определена константа для эрозии, а коэффициент добавочного механического износа был вычислен из измерений общего износа без искрения. Учитывая эти данные, Хольм предложил формулу для износа щеток И при наличии искрения:
где γ — константа материала, характеризующая его дугостойкость; Q — количество электричества, рассеивающегося в дуге; s — путь скольжения; И0 — механический износ; И0 — электрический износ при величине тока I — 10 А без искрения; g — константа материала, характеризующая его добавочный износ при возрастании шероховатости.
В работе [378] вклад эрозии и механического износа при искрении измерен непосредственно. Две щетки изнашивались на одном и том же следе на медном диске, включающем изоляционную вставку. Ведущая щетка подвергалась периодическому искрению, в то время как другая была изолирована и использовалась для определения влияния поверхностной шероховатости, формирующейся на меди при искрении. Полученные соотношения между зарядом на дугу, эрозионным и механическим вкладом (рис. 6.17) в основном подтвердили результаты Хольма. Было установлено, что соотношение эрозионной и механической составляющих электрического износа при искрении зависит от условий скольжения и полярности щетки.
Рис. 6.17. Добавочный электроэрозионный (а) и добавочный механический (б) износ электрографитных щеток ЭГ-11 в зависимости от величины рассеивающегося заряда при искрении (медный диск, I—10 A, v = 18 м/с) [378]
Для углеродных щеток потери материала вследствие эрозии пропорциональны величине рассеивающегося заряда, причем для катодно-поляризованных щеток возрастание менее быстрое, чем для анодно-поляризованных. Механический износ изменяется приблизительно пропорционально корню квадратному от величины заряда для обеих поверхностей. Характерно, что эрозионный износ почти не зависит от механической нагрузки на щетку, а вклад механической составляющей электрического износа возрастает с уменьшением нагрузки, особенно при высоких скоростях скольжения. Обе составляющие электрического износа при искрении наибольшие для катодно-поляризованной щетки. Отсутствие пропорциональности между скоростью изнашивания и нагрузкой вызывается следующими обстоятельствами: при снижении нагрузки уменьшается число и размер областей действительного контакта, возрастает механическая неустойчивость контакта (увеличивается число «подпрыгиваний» щетки), снижается скорость формирования пленки фрикционного переноса, в результате чего большая часть механической нагрузки воспринимается медью.
Процесс электроэрозии в целом носит термическую природу, и вопрос в том, каков результат теплового воздействия на поверхность композита или металла и каковы его последствия. По мнению Ланкастера [378], электрические разряды, обусловливая рассеивание значительных порций энергии на малых участках поверхности щетки, приводят в прилегающих к ним микрообъемах к возрастанию температуры до значений, когда скорость окисления становится сравнимой со скоростью потери щеточного материала от других факторов. При этом не все потери щеточного материала обязательно являются результатом удаления газообразных продуктов окисления. Преимущественное окисление связующего может ослаблять структуру поверхностных слоев щетки, облегчая механический износ аналогично описанному выше случаю теплового действия тока при непосредственном контакте микрошероховатостей. Поэтому характеристики окисления щеточного материала могут играть важную роль в определении их скорости износа при искрении.
Оценка электроэрозионной стойкости электрощеточных материалов по импульсно-дуговому методу (определялась потеря массы исследуемых материалов после воздействия на него электродуговых разрядов) произведена в работе [73]. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод о том, что потери массы могут являться следствием «теплового удара», вызывающего термоупругие напряжения и выброс материала с поверхностного слоя; испарения материала под действием высоких температур, развиваемых в локальных участках поверхностного слоя; капельного выброса материала под воздействием высоких температур, развиваемых в локальных участках поверхностного слоя у материалов с высокой теплопроводностью.
Сублимация углеродистых материалов при нормальных условиях имеет место при температурах 3500—4000 °С. Тем не менее предполагается [73], что вследствие высокой локализации разрядов и низких теплопроводящих свойств углерода, еще более снижающихся с повышением температуры, возможно взрывное испарение таких материалов. В случае металлосодержащих композиций более высокие теплопроводящие свойства обеспечивают лучший отвод энергии в глубь материала. При этом часть металла плавится и выбрасывается в виде мельчайших капель из лунки.
Низкую электроэрозионную устойчивость имеют металлографитные композиции, включающие низкоплавкие свинец и олово (МГСО и др.). Выделяющегося в локальном участке тепла достаточно для достижения температуры их кипения.
Эрозионный вклад в электрический износ становится более важным при высоких скоростях скольжения. В работе [378] это объясняется возрастанием скорости окисления щеточного материала. Энергия, рассеиваемая в единицу времени при искрении, увеличивается со скоростью, и, как следствие, возрастает средняя поверхностная температура. Большие объемы материала, окружающие пятна воздействия разрядов, могут приобретать температуру, достаточную для окисления. В то же время очевидно, что в каждодневной практике увеличение скорости скольжения СК ведет прежде всего к уменьшению механической устойчивости контакта, интенсификации искрения вследствие более частых «отскоков» контактных элементов.
Помимо непосредственного воздействия на контактирующие элементы, искры и дуги могут вызывать диссоциацию воздуха в зазоре и формирование реакционноспособных веществ, таких, как атомарный азот, кислород, озон, которые ускоряют химическую эрозию композиционного материала. Диссоциация водяных пленок электрическими разрядами способствует протеканию процессов электролиза, результатом которых может быть окисление металла при анодной поляризации и, напротив, восстановление выделяющимся водородом окисных пленок на металлической поверхности при ее катодной поляризации.
