Раздел III
СКОЛЬЗЯЩИЕ КОНТАКТЫ КОМПОЗИТ — МЕТАЛЛ
Глава 5
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ КОНТАКТА КОМПОЗИТ—МЕТАЛЛ
Вопрос о механизме прохождения тока является одним из основных в проблеме обеспечения эффективной работы скользящего электрического контакта. Характер токопрохождения в СК определяет не только его важнейшие электрические характеристики, но и, как будет показано ниже (см. гл. 6), фрикционное поведение, а также механизм изнашивания контактных элементов.
В самом общем случае токопрохождение в СК осуществляется по трем параллельным путям: через зону физического контакта элементов, «пылевую зону» (частицы износа, образующиеся и хаотически перемещающиеся в зоне трения), «зону пробоя» (искро- и дугообразования через воздушные зазоры между контактными поверхностями). Все перечисленные виды проводимости в той или иной мере имеют место в любых типах СК, однако при нормальной работе преобладает первый.
Для описания закономерностей передачи тока через контакт твердых тел выведены аналитические зависимости, позволяющие в ряде случаев прогнозировать поведение электрических характеристик при заданных условиях [38, 298, 353] (см. гл. 3). Однако большинство зависимостей получено применительно к статическим металлическим контактам исходя из предположения об отсутствии между контактными элементами инородных пленок (третьего тела), вследствие чего они не могут применяться для контактных самосмазывающихся материалов. Переходный слой, формирующийся в данном случае на поверхности металлического контртела, обусловливает ряд особенностей поведения электрических характеристик СК:
- обычно не наблюдается корреляции между физико-механическими, электрофизическими свойствами контактного самосмазывающегося материала (модуль упругости, электропроводность и др.) и электрическими характеристиками контакта [68, 135];
- вольтамперные характеристики (ВАХ) контакта, как правило, нелинейны [135, 171, 298, 354, 410];
- существует заметное влияние направления протекания тока на величину падения напряжения в контакте [171, 298, 410].
То, что, помимо свойств собственно контактных материалов, существенное влияние на электрические характеристики СК типа металл — композит оказывает переходный слой, формирующийся на металлической поверхности, общепризнано. Так, еще в 30-е годы было замечено [171], что отсутствие или неоднородность переходного слоя на коллекторе может быть связано с плохой коммутацией электрической машины, искрением, неравномерным распределением тока в параллельных щетках. На практике внешний вид коллекторной пленки и теперь служит одним из критериев качества работы узла токосъема электрической машины. В то же время обнаруживается отсутствие закономерной связи между фазовым составом переходных слоев и электрическими характеристиками СК [35, 36, 409, 415], что затрудняет изучение и описание процессов токопрохождения в контакте. В связи с этим значительное число исследований посвящено изучению электропроводящих свойств переходных слоев и их влияния на характер токопрохождения.
Структура и электрофизические свойства переходных слоев
Большинство работ, касающихся изучения свойств переходных слоев в СК композит — металл, относится к классической паре углеродная щетка — медный коллектор. Первые количественные исследования фазового состава коллекторной пленки [406] показали, что коллекторная пленка включает 65,8 мас. % закиси меди Сu2О, 22,1 мас .% перенесенного материала щетки (ПМ) и 12,1 маc.% примесей. Средняя толщина слоя закиси меди была равна 21 нм, а слоя ПМ — 33 нм. Количественные данные по фазовому составу коллекторных пленок, полученные в дальнейшем для различных типов углеродных щеток, в неодинаковых условиях естественно отличались от данных [406]. Однако было подтверждено, что основными составляющими пленки на медном коллекторе являются слой закиси меди, а также непосредственно над ним расположенный неоднородный слой перенесенного щеточного материала [35, 36, 76, 272, 415]. Толщина слоя закиси меди обычно не превышает 0,1 мкм, а общая толщина коллекторной пленки — 1 мкм. Электронографически установлено [35, 36, 76], что графит в коллекторной пленке находится в мелкокристаллическом и частично в аморфном состоянии, а закись меди — в виде кристаллитов размером 0,01—0,1 мкм. Соотношение между количеством закиси меди и ПМ зависит от материала щетки и условий эксплуатации.
Рис. 5.1. Модели переходного слоя на поверхности окисляющегося металла при работе в паре с самосмазывающимися контактными материалами: 1 — самосмазывающийся контактный материал; 2 — перенесенный материал; 3 — окисная пленка; 4 — металл; 5 — участки с туннельно-проводящей или разрушенной окисной пленкой
Так, повышение температуры или влажности окружающей среды увеличивает относительное содержание закиси меди и уменьшает количество ПМ. [35, 36]. При этом повышаются общая толщина слоя ПМ и коллекторной пленки, а также размер кристаллитов закиси меди. Основным фактором, определяющим среднюю толщину пленки закиси меди, является объемная температура кольца [415].
Продукты износа графита и других углеродных материалов механически закрепляются в микровпадинах поверхности коллектора, не вступая в химическое взаимодействие с медью и ее окислами [341, 342, 357, 379]. Введение в щетку веществ, более активно взаимодействующих с медью, может привести к изменению характера формирования слоя ПМ. Так, по данным работы [97], композиции на основе графита и диселенида ниобия образуют коллекторную пленку, основу которой составляет NbSe2 при незначительном содержании графита. Легко переносится на медную поверхность серебро {193, 396].
При изучении и объяснении поведения контактной пары углеродная щетка — медный коллектор Хольм и его последователи [298, 329, 357, 410] придерживались модели поверхностного слоя (рис. 5.1, а), в которой перенесенный щеточный материал располагается в микровпадинах поверхности коллектора, оставляя свободными вершины микровыступов. С точки зрения авторов работ [348, 423, 424] более вероятно формирование структуры переходного слоя (рис. 5.1, б), при которой толщина слоя ПМ сравнима с высотой микровыступов поверхности контртела. Слой ПМ прерывист долько на вершинах наиболее высоких микронеровностей. Через слой закиси меди на этих участках происходит контакт щетки с металлом коллектора. Контакт щетки с коллектором только через сплошной слой щеточного материала маловероятен. Формирование коллекторной пленки такого типа, по-видимому, возможно на весьма гладких поверхностях при отсутствии абразивного изнашивания. Так, в [380] при работе мягкой графитной щетки по полированному медному диску наблюдалось формирование сплошной перенесенной пленки толщиной более 0,1 мкм, что превышало глубину впадин микронеровностей.
Систематические исследования электропроводящих свойств коллекторных пленок не проводились, что во многом связано с отсутствием необходимого экспериментального оборудования. Известна работа [411], в которой проводимость коллекторных пленок, формируемых электрографитными щетками, изучалась с помощью пробника в виде изогнутой золотой проволочки, перемещающейся по исследуемой поверхности. Было найдено, что пленка в целом обладает изоляционными свойствами при малых напряжениях (—0,01 В), однако обнаруживаются отдельные проводящие участки, число которых возрастает по мере увеличения токовой нагрузки. В работе [357] для тех же целей применялись золотые или угольные стержни (03,2 мм), помещавшиеся на пленку контактного кольца, перпендикулярного оси последнего. Установлено, что большинство участков на пленке, образованной графитной анодно-поляризованной щеткой, проявляли полную изоляцию при малых напряжениях и фриттинг — при некотором критическом напряжении (1—3 В). Напротив, после работы катодно-поляризованной щетки на многих исследуемых участках наблюдалась большая начальная проводимость без предшествующего фриттинга. Электрический пробник в виде петли из тонкой платиновой проволоки, прижимаемой к исследуемой поверхности трения на контактном кольце, использовался в работе [415]. После снятия показаний в достаточно большом количестве участков и статистической обработки результатов авторы получали некоторое усредненное значение толщины окисного слоя.
Недостатком таких устройств является то, что выбор участков для исследования производится фактически «вслепую», без учета топографии поверхности и крайней гетерогенности переходных слоев. В связи с этим авторами работы [109] на базе электромеханического профилографа-профилометра модели «201» разработано устройство ЭП-1, совмещающее в себе возможности упомянутых выше электрических пробников и щуповых приборов для записи профиля поверхности. В данном устройстве (рис. 5.2) образец и игла являются элементами электрической цепи регулируемого источника постоянного или переменного напряжения. Падение напряжения в контакте иглы с образцом, ток в цепи и профиль поверхности одновременно регистрируются с помощью быстродействующего, многоканального самопишущего прибора (например, Н-338-4П или Н-3020-3). Вместо применявшейся алмазной иглы в устройстве используются электропроводящие иглы из золота или нержавеющей стали радиусом закругления r0=30—50 мкм. Коромысло с иглой электрически изолировано от якоря и ножевой опоры.
Рис. 5.2. Схема установки ЭП-1: 1 — образец; 2 — игла; 3 — источник напряжения; 4 — дополнительное сопротивление (R~1МОм) для обеспечения постоянства тока в цепи; 5 — калибровочное сопротивление для измерения силы тока; 6 —многоканальный самописец; 7, 8, 13 — усилители; 9 — якорь; 10 — Ш-образный сердечник; 11 — катушки; 12 — дифференциальный трансформатор
Нажатие иглы на испытуемую поверхность путем компенсации неуравновешенности плеч установлено не более 2-10-4 Н. Выбор силовых параметров обусловлен необходимостью создания условий для минимального механического воздействия на исследуемую поверхность. Расчет по формулам для пластической деформации полупространства сферическим индентором [160] показывает, что максимальная глубина внедрения иглы в поверхность, имеющую НВ 1,0—1,3 ГПа (типично для закиси меди), не превышает 2— 2,5 нм. Варьирование электрических схем испытаний, а также одновременная запись профиля и микроскопическое наблюдение (используется оптический микроскоп с длиннофокусным объективом, например МБС-2) дают возможность определять ряд характеристик (контактное сопротивление, вольт-амперная характеристика, напряжение фриттинга и др.) в любой заданной точке исследуемой поверхности. Описанное устройство использовалось для получения разнообразной информации об электрических свойствах и структуре переходных слоев, формируемых на металлическом контртеле самосмазывающимися контактными материалами различных классов [66, 67, 113, 114, 261, 326].
Электропроводящие свойства слоев фрикционного переноса изучены (рис. 5.3) при работе электрощеточных материалов по серебряным контактным кольцам (исключается окисная составляющая переходного слоя). С помощью установки ЭП-1 моделировался процесс прохождения тока через контакт единичной неровности щетки с различными участками поверхности трения на кольце. Золотая игла помещалась на типичные участки поверхности кольца (контроль осуществлялся микроскопически) и снимались ВАХ при разном направлении тока.
Рис. 5.3. ВАХ электрощеток на серебряном контактном кольце (0 = 40 мм, р = 300 гПа, υ= 1,5 м/с): а — опытные щетки на основе графита и свинца (1 — свежезачищенное неподвижное кольцо; 2, 3, 4 — соответственно через 5, 300 с, 5,4 кс после начала работы; 5 — неподвижное кольцо после работы в течение 5,4 кс); 6 — щетки МГС-7 (Л 1') и ЭГ-2А (2, 2') при анодной (1', 2') и катодной (1, 2) поляризации щетки
При положении иглы на неследовой части кольца или участках поверхности трения, не покрытых слоем перенесенного щеточного материала, ВАХ линейна, Rк весьма низко (<0,1 Ом), полярных различий не наблюдается. Если игла расположена на слое ПМ, то значение Rк изменяется от точки к точке в пределах 1—100 Ом.
Высокое сопротивление прохождению электрического тока через слои фрикционного переноса, по-видимому, связано с их крайней неоднородностью. Кроме того, необходимо иметь в виду, что в пленке, формируемой графитсодержащими материалами на металлическом контртеле, рядом авторов найдена ориентация пластин графита параллельно плоскости скольжения [341, 400]. В то же время известно [94], что в плоскости слоев графит обладает металлической проводимостью, однако в перпендикулярном направлении графит — полупроводник большого сопротивления.
Другой существенной особенностью пленок фрикционного переноса являются их детекторные свойства. При положении иглы на одном и том же участке пленки, образованной металлосодержащими щетками, ВАХ, снятые при направлении тока от иглы к кольцу, идут выше, чем ВАХ, снятые при противоположном направлении тока. Так, при токе 0,1 мА различия в значениях при изменении полярности иглы для меднографитных щеток МГС-7 составляют 20—30%.
Таким образом, при отсутствии окисных пленок на металлическом контртеле слои фрикционного переноса являются фактором, способствующим увеличению контактного сопротивления интенсификации тепловыделения в контактной зоне, проявлению полярных эффектов. Об этом свидетельствуют также данные о работе множественного контакта щетка — серебряное кольцо (рис. 5.3). При неподвижном положении щетки-образца на свежезащищенном кольце вольтамперная характеристика практически линейна при низком значении контактного сопротивления Rк.
Рис. 5.4. Типичный вид потенциограмм, снятых при скольжении щупа по дорожке трения на медном кольце после работы в паре со щетками разных классов: а, б — графитные ВТ-3; в, г — меднографитные МГС-7; е, з — серебрографитные СГ-3; д, ж — опытные металлополимерные МП-6С на основе серебряной фольги и адгезива, наполненного коллоидным серебром; а, д, е — мВ; б, в, г, ж, з — E'= IB; А — неследовая часть кольца; Б — следовая часть кольца
В процессе скольжения по мере наработки на кольце пленки перенесенного материала значение Rк возрастает, а ВАХ смещаются вверх, стремясь к некоторому предельному положению (рис. 5.3, кривые 2—4). При неподвижном кольце с наработанной пленкой ВАХ (кривая 5) располагается выше, чем в случае кольца без пленки (кривая 1). Характерно, что при появлении между контактирующими элементами пленки переноса вольтамперная характеристика становится нелинейной, а также проявляется зависимость величины Rк от направления протекания тока (рис. 5.3, б).
Более сложная картина возникает при формировании переходных слоев на окисляющихся металлах [66, 67, 113, 326]. Изучались пленки, образованные на медных контактных кольцах графитными, меднографитными, серебрографитными и металлополимерными щетками, при работе в нормальных условиях. Исследования с помощью установки ЭП-1 показали, что на большинстве участков пленок с явно выраженными слоями фрикционного переноса, образуемых графитными и меднографитными щетками при э. д. с. источника, исключающих фриттинг (E'=10 мВ), проводимость отсутствует (рис. 5.4, а). Это говорит о наличии изоляционного слоя закиси меди между перенесенным материалом и металлом кольца. При E'=1 В напряженность поля в некоторых участках слоя закиси меди превышает значение его электрической прочности (~108 В/м [298]) и имеет место фриттинг, проявляющийся на потенциограммах в виде отдельных участков высокой проводимости (рис. 5.4, б). Для участков пленок с менее выраженными слоями фрикционного переноса характерны относительно плохая проводимость при E'=10 мВ и очень резкие колебания Uк при E'=1 В (рис. 5.4, в). При этом на участке протяженностью лишь в несколько микрометров происходит чередование точек, в которых наблюдаются фриттинг и полная изоляция.
При исследовании пленок в отдельных точках при неподвижном положении щупа были получены ВАХ, отличающиеся наличием большого первоначального сопротивления и фриттинга при достижении некоторого предельного напряжения Uf (рис. 5.5, б, д). Отмечена следующая особенность, присущая участкам пленок с отложениями перенесенного щеточного материала: ВАХ, снятые в точках, близких к месту происшедшего фриттинга (иногда на расстоянии до 15— 20 мкм), обычно характеризуются относительно низким значением сопротивления Rк (102—103 Ом), что свидетельствует о происхождении электронов по ранее образованному токопроводящему мостику.
Из данных результатов следует, что структура переходного слоя, формирующегося на кольце при работе графитных и меднографитных щеток, соответствует представлениям авторов работ [298, 329, 348, 410, 423, 424] (см. рис. 5.1, а, б). Действительно, например, для графитных щеток ВТ-3 при снятии ВАХ на склонах микровыступов фриттинг наблюдается даже в точках, находящихся друг от друга на расстоянии 2—3 мкм. Характер записи Uк при Е'=1 В (см. рис. 5.4, б) также свидетельствует об отсутствии электропроводной пленки, которая могла бы соединить ранее образованный токопроводящий мостик с близлежащим исследуемым участком. Таким образом, структура переходного слоя в данном случае может быть описана моделью, представленной на рис. 5.1, а.
Результаты исследований слоев, образуемых на контртеле щетками МГС-7, можно объяснить, если допустить, что их структура соответствует модели, показанной на рис. 5.1, б. В этом случае относительно высокая проводимость в небольших областях размером 5—20 мкм (см. рис. 5.4, г) и поведение ВАХ при снятии в отдельных точках могут соответствовать прохождению щупа по некоторым изолированным друг от друга впадинам, заполненным электропроводным материалом.
Рис. 5.5. Типичный вид потенциограмм при скольжении золотого щупа (υ=3,3 мкм/с, N=2x10-4 Н, r0=50 мкм) по поверхности кольца (медь M1) после работы в паре со щетками ЭГ-74 (а), МГС-7 (г) при э. д. с. источника 1 В; ВАХ в точках контактирования щупа с пленкой, образованной на кольце щетками ЭГ-74 (б) и МГС-7 (д); типичные ВАХ щеток ЭГ-74 (в) и МГС-7 (е) на медном кольце
Однако результаты исследований пленок, образованных серебросодержащими щетками, оказалось невозможно объяснить с помощью моделей переходного слоя, представленных на рис. 5.1, а, б. При движении щупа по поверхности трения на кольце в подавляющем большинстве точек, в том числе на участках с четко выраженными слоями фрикционного переноса, независимо от Э.Д.С., источника наблюдается высокая проводимость и лишь отдельные участки имеют повышенное электросопротивление (см. рис. 5.4, д—з).
Данный результат, а также линейность соответствующих ВАХ (рис. 5.6, б) свидетельствуют об отсутствии сплошного изолирующего слоя закиси меди на рабочей поверхности кольца. Перенесенный электропроводный материал имеет непосредственный электрический контакт с металлом кольца. Формирование переходного слоя такого типа (см. рис. 5.1, в) можно представить следующим образом. Щеточный материал может переноситься как на участки кольца с достаточной толстой окисной пленкой, так и на участки, полностью обнаженные (за счет микрорезания, пластической деформации и т. д.) или покрытые тонкой (туннельнопроводящей) пленкой окиси.
Рис. 5.6. Потенциограммы при скольжении золотого щупа по поверхности медного кольца (медь M1), работавшего в паре со щетками МП-6С (а) и МП-6БФ; ВАХ щеток МП-6С (б) и МП-6БФ (а, кривая 1 и МП-6А, кривая 2) при работе по медному кольцу
Перенесенный слой коррозионностойкого щеточного материала с большим содержанием серебра предохраняет такие участки от дальнейшего окисления, что позволяет длительное время сохранять стабильный электрический контакт между этим слоем и матричной медью.
Электропроводящие свойства и структура переходного слоя могут заметно изменяться при изменении условий эксплуатации (нагрузка, скорость скольжения, плотность и направление тока, состояние окружающей среды) [66, 67, 113, 135, 261]. Например, при работе многих марок меднографитных щеток по раздельным дорожкам электропроводящие свойства переходного слоя под анодно-поляризованной щеткой характеризуются потенциограммой, представленной на рис. 5.4, г при значительных отложениях щеточного материала. Однако для катодно-поляризованной щетки свойствен переходной слой без заметных отложений ПМ, причем потенциограммы аналогичны представленным на рис. 5.4, б (отличие состоит в значительно большем количестве фриттингов), что соответствует модели на рис. 5.1, а [114]. На рис. 5.7 представлены типичные потенциограммы для коллекторных пленок, образованных графитными щетками ВТ-3 на воздухе (рис. 5.7, а) и в вакууме 6,65-10-3 Па (рис. 5.7, б). Очевидно, при отсутствии окисляющей среды слой закиси меди в коллекторной пленке разрушается, в результате чего образуется структура переходного слоя со стабильным электрическим контактом между ПМ и металлом коллектора (см. рис. 5.1, в).
Рис. 5.7. Вольт-амперные характеристики графитных щеток ВТ-3 при работе по контактному кольцу из меди M1 (Ø=8,5 мм, р=700 гПа, ω= 200 π рад/с) на воздухе (1) и в вакууме 10-4 торр (2); потенциограммы при скольжении золотого щупа (υ=3,3 мкм/с, N = 2-10-4 Н, r0=50 мкм) по поверхности кольца, работавшего на воздухе (а) и в вакууме (б)
Однако многочисленные исследования коллекторных пленок, наработанных в нормальных условиях, показывают, что при применяемых на практике нагрузочно-скоростных параметрах СК электрических машин пленки у однотипных щеток существенно не отличаются. Например, щетки электрографитного класса (ЭГ-74, ЭГ-51 и др.) дают светло-коричневую пленку без значительных отложений ПМ со сплошным слоем закиси меди. Структура и электропроводящие свойства таких пленок принципиально не изменяются при изменении нажатия на щетки в пределах 100—1000 гПа, скорости скольжения до 5 м/с, плотности тока до 25 А/см2'. Металлополимерные щетки с высоким содержанием серебряной фольги формируют серебристую высокоэлектропроводную, коррозионностойкую коллекторную пленку независимо от состояния окружающей среды [67,261].
Таким образом, для каждой группы однотипных щеточных материалов, работающих в нормальных условиях, типична своя определенная структура и электропроводящие свойства переходного слоя на металлическом контртеле.
При одном и том же материале контртела структура и свойства формирующегося на нем переходного слоя в зависимости от типа щетки могут коренным образом различаться. Представления же авторов работ [298, 329, 348, 424] о структуре переходных слоев (коллекторных пленок) можно применять в случае углеродных материалов, однако их нельзя распространять на другие типы контактных материалов. Естественно ожидать поэтому, что характер токопрохождения в СК композит — металл в зависимости от типа композиционного материала и свойств образуемого им переходного слоя может быть принципиально различным.
