Глава 8
КОНТАКТНЫЕ САМОСМАЗЫВАЮЩИЕСЯ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ
Как было отмечено в параграфе 2.2, возможность усовершенствования традиционных контактных самосмазывающихся материалов почти исчерпана. В ряде случаев, например в экстремальных условиях эксплуатации, только высокоэффективные контактные материалы могут решить проблемы создания надежных СК. Это относится к СК, функционирующим в вакуумной и космической технике, высокоэнергетических установках (электромашинах со сверхпроводящими обмотками, ядерных реакторах, МГД-системах и др.) и других областях техники [393].
Одним из эффективных путей получения оптимального сочетания основных эксплуатационных характеристик самосмазывающихся контактных материалов при работе СК является равномерное распределение функционального наполнителя по рабочему объему материала. Контактные материалы для работы в экстремальных условиях, в частности при высоких электрических и нагрузочно-скоростных режимах, должны обладать комплексом свойств: высокой механической прочностью, электро- и теплопроводностью, износостойкостью.
Предъявляемым требованиям соответствуют контактные самосмазывающиеся материалы с металлической матрицей и полифункциональным наполнителем (МММ) [40, 244]. Непрерывная металлическая матрица материала служит своеобразным каркасом, воспринимающим основную механическую и электрическую нагрузку, а полифункциональный наполнитель, равномерно расположенный в порах каркаса, обеспечивает комплекс необходимых свойств материала на участках поверхности. В связи с тем, что введение наполнителя в металлическую матрицу сопряжено с рядом трудностей, обусловленных различием в свойствах компонентов,
традиционные методы изготовления контактных материалов не могут быть использованы. Наиболее перспективен для получения данных материалов метод электроразрядного спекания (ЭРС) [180, 259], позволяющий в течение короткого промежутка времени (порядка нескольких секунд) сформировать материал, содержащий резко отличающиеся по свойствам компоненты, например медь, графит, полимер и т. д.
Для создания материалов с металлической матрицей и полифункциональным наполнителем может быть эффективно использована модель структурообразования материала под нагрузкой из дисперсных частиц путем воздействия на них импульсным потоком электромагнитной энергии [40, 41, 153, 244, 328]. Такое воздействие приводит к интенсивному выделению тепла в местах контакта дисперсных частиц и плавлению металла. После кристаллизации материал представляет собой пространственные взаимопроникающие структуры металлических компонентов с равномерно распределенным полифункциональным наполнителем.
Формирование контактных МММ из дисперсных частиц методом электроразрядного спекания требует аналитического определения основных электрофизических характеристик прессуемых дисперсных систем, в частности проводимости.
8.1. Электрофизические аспекты формирования контактных материалов из порошковых систем
Известен ряд работ, в которых предложены методы расчета проводимости дисперсной системы по размерам ее элементов и их физическим свойствам [49, 177, 273]. Обобщенный подход к решению данной задачи предложен в работе [49]. Однако следует отметить, что даже для двухфазных систем, состоящих из однородных сплошных частиц, существуют значительные расхождения между теоретически предсказанной и экспериментально определенной контактной проводимостью, не говоря уже о системах частиц или включений, имеющих сложную структуру, например, непроводящее ядро которых покрыто проводящей оболочкой. Кроме того, во многих практических приложениях требуется учет неравномерности распределения давления в объеме среды, приводящей к изменению ее проводящих свойств.
При расчете по методике работ [167, 422] нами использовалось допущение о том, что размеры частиц порошка равны, форма близка к сфере, а взаимное расположение частиц одинаково во всем объеме. Исследование поведения порошковых систем проводилось в диапазоне давлений, при которых напряжения на контактных площадках не вызывали существенного искажения формы частиц за пределами области контакта или их разрушения. Расчеты показали, что влиянием непроводящего ядра на размер контактных площадок можно пренебречь вследствие малой величины деформации металлической оболочки [280].
Известно, что свободно насыпанные порошки обладают высокой пористостью П, соответствующей рыхлой упаковке частиц в объеме. Приложение давления приводит к относительному перемещению частиц, увеличению числа контактов между ними (повышению координационного числа k) и уменьшению объема пор. В качестве примера «рыхлой» и «плотной» упаковок (при последней сокращение объема пор может происходить уже только за счет деформации самих частиц) можно привести кубическую (k=6, П=47%) и тетраэдрическую упаковки (k=12, П=25%).
Контактная проводимость дисперсной системы зависит от числа контактов между частицами и размера единичного контакта. Для двух контактирующих сфер равного радиуса из одного материала из решения уравнения Лапласа проводимость будет равна [298]:
где а, r0 — соответственно радиус пятна контакта и сферы.
Выражение для определения проводимости контактирующих частиц с проводящей оболочкой можно записать из следующих соображений. Пусть проводимость наружного слоя намного больше проводимости ядра. Общая проводимость системы частиц с проводящей оболочкой обусловливается стягиванием линий тока в области непосредственного контакта и искривлением их в сферической оболочке за счет влияния непроводящего ядра. Вклад первого фактора может быть учтен по формулам Хольма [298] для области короткого стягивания линий тока, представляющей собой полусферу с радиусом, равным толщине проводящего слоя. Вклад второго фактора при малой относительной толщине слоя δ (распределение потенциала одинаково по его толщине) может быть оценен по формуле Смайта [274], выведенной для тонкой проводящей пленки на поверхности изолированной сферы. Погрешностью, возникающей за счет того, что не учитывается проводимость в переходной области (сшивка линий тока от области стягивания к оболочке), в первом приближении можно пренебречь. Контактная проводимость частиц с проводящей оболочкой может быть выражена в виде 
где т и п — число столбцов и слоев; Ка — число пар контактов, проводящих ток.
Размер контактной площадки будет определяться количеством частиц в каждом слое, числом контактов между ними, углами наклона нормалей контактов к вертикальной оси, силами межчастичного трения и видом деформаций на контакте. В случае плотной упаковки, когда на одну частицу приходится более чем одна пара противолежащих контактов, через которые проходит поток, строгое решение задачи требует учета взаимовлияния соседних пар контактов. Однако в случае, когда радиусы контактных площадок малы по сравнению с расстояниями между ними (что имеет место в рассматриваемом диапазоне давлений для порошковых систем), взаимодействием можно пренебречь.
Число частиц в слое при различной упаковке можно найти из простых геометрических соотношений, связывающих площадь максимального сечения частицы и общую площадь прессовки: 
где р — плотность заполнения сечения S прессовки частицами
Рис. 8.1. Схемы замещения элементарных ячеек эквивалентными электрическими схемами в кубической (а) и тетраэдрической (б) упаковках; в — зона контакта частиц с проводящей оболочкой
где Кт — число контактов, несущих нагрузку (индексы 1 и 2 относятся к кубической и тетраэдрической упаковкам частиц; один и два штриха — к упругой и пластической деформациям на контакте соответственно).
Анализ полученных формул показывает, что при использованных допущениях основное влияние на контактную проводимость системы оказывают физико-механические свойства материала частиц, которые определяют площадь контактных площадок, а также геометрические размеры всей системы. Форма частиц не влияет непосредственно на общую проводимость, и, в связи с этим возможно применение формул для частиц несферической формы, если различие в размерах по координатным осям не слишком велико. Размер частиц также не является определяющим фактором, если выполняется условие
, что согласуется с выводами других авторов [49].
Величины межчастичного коэффициента трения f, связанного с ним и с порядком расположения частиц коэффициента бокового распора ξ, примерно одинаковы для широкого класса металлических порошков [91]. В частности, с достаточной точностью можно положить f = 0,45, а произведение
Расчетные формулы для проводимости системы с произвольной пористостью могут быть получены аналогичным образом из выражений (8.1), (8.2), (8.5), (8.6). При этом необходимо отметить следующие особенности. Выражение (cosφ +
., входящее в формулы (8.5), (8.6) при неизменном f, меняется в диапазоне возможных углов для различных упаковок от 1 до 1,04, и его изменением можно пренебречь. Число пар контактов, через которые проходит ток - Ка, так же как и координационное число [85], линейно зависит от пористости системы, и его значение для данной пористости может быть найдено на прямой, соединяющей точки, соответствующие кубической и тетраэдрической упаковкам (
=
=3). Аналогичным образом при расчете, очевидно, можно пользоваться и линейной зависимостью коэффициентов β и р' от пористости, тем более что относительное изменение того и другого в указанном диапазоне пористостей не превышает 25%.
Для плотноупакованных прессовок из частиц с проводящей оболочкой, находящихся под высокими нагрузками, применимость формул (8.13) и (8.14) ограничена условием а<δ, и требуется специальный анализ, учитывающий деформацию непроводящего ядра частицы.
Проверка соответствия модели и аналитических выражений свойствам реальных порошковых систем проводилась для близких к сферическим частиц графита, покрытых пленкой серебра (r0=20 мкм, 6=2,55 мкм; размеры прессовок:
) и порошка серебра марки ПС-1 с частицами овальной формы с максимальным размером 56 мкм. Регистрация проводящих и физико-механических свойств порошковых систем осуществлялась на установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 8.2. Экспериментально полученные величины нагрузок, соответствующих кубической и тетраэдрической упаковкам, подставлялись в формулы для расчета проводимости (8.7) — (8.15). Измерения контактной проводимости прессуемых порошковых систем производили в кварцевой ячейке с помощью полуавтоматического потенциометра Р 363-1 постоянного тока класса 0,001 четырехзондовым методом.
Рис. 8.2. Принципиальная схема установки для регистрации физико-механических и электропроводящих свойств порошковой системы: 1 — образец; 2, 3 — пуансоны; 4 — втулка; 5 — матрица; 6 — источник электрических импульсов типа МТПП-75-1 (мощность 75 кВА); 7 — шлейфовый осциллограф; 8 — шунт; 9 — регистрирующий прибор; 10 — эталонное сопротивление; 11 — микровольт-микроамперметр типа Ф116/2; 12 — потенциометр типа Р363-1 класса точности 0,001; 13 — источник стабилизированного постоянного тока; 14 — эталонное сопротивление; 15 — регулируемое сопротивление; 16 — нормальный электрод; 17, 18 — батареи питания
Результаты экспериментов (рис. 8.3) показали, что известная [85, 91] логарифмическая зависимость высоты прессовки (пористости) от приложенного давления в общем случае справедлива не только для сплошных частиц порошков металлов (кривые 1, 2) и их смесей (кривая 3), но и для частиц с проводящей оболочкой. Для металлизированных частиц графита (кривые 2') указанная зависимость удовлетворительно (коэффициент корреляции 0,97) описывается эмпирическим уравнением
(8.16)
где Н0, р0 — начальные величины высоты и давления; А — постоянная. Из выражения (8.16) определяем давление р2, соответствующее переходу рыхлой кубической упаковки порошка в плотную тетраэдрическую:
(8.17)
Сопоставление величин проводимости, рассчитанных по формулам (8.7) — (8.15), и экспериментальных данных показало, что различие между ними незначительное (табл. 8.1, 8.2).
Результаты экспериментального измерения общей проводимости и расчетов по выражениям (8.7) — (8.15), формулам Римана—Вебера [60] и Сигаловой [267], а также экспериментальные данные по проводимости прессуемых порошков железа [252] приведены на рис. 8.4.
Рис. 8.3. Зависимость пористости П порошковой системы от давления Р: 1, 2, 3 — порошки меди, серебра и смеси медь — серебро (25 мас. % меди); 1', 2' — омедненный и посеребренный графит соответственно
Из рисунка видно, что расчет по предложенным формулам удовлетворительно описывает поведение системы как сплошных металлических частиц, так и частиц с проводящей оболочкой, и его данные наиболее близки к экспериментальным в широком диапазоне давлений для различных по физико-механическим свойствам систем. Эмпирическая зависимость прессуемых порошковых систем от их пористости П в общем виде представляет собой линейную зависимость (коэффициент корреляции 0,98):
lgG=А+ВП, (8.18)
где А и В — постоянные.
Таблица 8.1
Физико-механические и электропроводящие свойства порошковых систем
Таблица 8.2
Проводимость порошков серебра и посеребренного графита
Таким образом, результаты аналитического определения основных электрофизических характеристик, находящихся под давлением порошковых систем, и их экспериментальная проверка свидетельствуют о том, что основное влияние на общую контактную проводимость системы гомогенных частиц оказывают физико-механические свойства металла частиц. Общая контактная проводимость и физико-механические свойства системы из частиц, непроводящее ядро которых покрыто проводящей оболочкой, в используемом на практике диапазоне давлений мало отличается от аналогичных характеристик сплошных частиц. Это открывает широкие возможности для направленного регулирования состава из структуры и технологии получения материала из частиц с проводящей оболочкой и позволяет получить решение тепловой задачи электроразрядного спекания частиц.
Рис. 8.4. Зависимость экспериментальных (--------------- ) и расчетных (_____)
значений контактной проводимости G от пористости П порошковых систем: 1 — для порошков серебра; 2 — посеребренного графита; 3 — для порошков серебра по формуле Римана—Вебера [60]; 4 — для порошков серебра по формуле Сигаловой [267]; 5 — для порошка железа по экспериментальным данным работы [252]
