Триботехника электрических контактов - Триботехнические характеристики контактных материалов с металлической матрицей

Аналитическое описание и оптимизация технологических параметров процесса формирования материалов на основе металлической матрицы из порошковых систем (см. параграфы 8.1 и 8.2) позволили разработать ряд контактных самосмазывающихся композиций на основе меди, серебра, сплавов металлов с однородным распределением по рабочему объему частиц графита, дихалькогенидов переходных металлов, полимеров и других наполнителей [244].
Как отмечалось в гл. 1, эксплуатационные характеристики контактных самосмазывающихся материалов в слаботочном и сильноточном СК во многом определяются особенностями их фрикционного взаимодействия, в частности процессом формирования пленок переноса. На данный процесс оказывают в свою очередь влияние не только состав, но и структура контактного материала.
Справедливость этого положения, а также возможности и перспективы контактных материалов с металлической матрицей можно показать на двух случаях работы СК, резко отличающихся по характеру эксплуатации: высокоскоростного сильноточного и низкоскоростного слаботочного контактов.
В последние годы вопросам исследования процессов трения и изнашивания в высокоскоростном СК уделяется большое внимание. Для высокоскоростных СК применяют в основном высокоомные щетки графитного и электрографитного классов, имеющие высокую износостойкость вплоть до скоростей 50—80 м/с [136]. Для высокоэлектропроводных щеток металлографитного класса, например марок МТС-7, МГ-2, МГ-4, верхний предел допустимых скоростей скольжения, как правило, не превышает 20—30 м/с при плотностях тока до 20—30 А/см² [136]. При превышении указанных диапазонов скоростей скольжения и плотностей тока происходит резкое возрастание интенсивности изнашивания электрощеток, что приводит к потере работоспособности СК. Следует отметить также, что указанный выше диапазон работоспособности контактных материалов относится к работе СК в стационарном режиме: при постоянной скорости скольжения.

В ряде технических приложений, однако, необходимо обеспечить надежную работу СК как в стационарном, так и в нестационарном режиме, в частности в режиме разгона с постоянным ускорением до скоростей порядка 100 м/с.
Исследовались серийные металлографитные материалы марок МГС-7, МГ-2, М.Г-4, хорошо зарекомендовавшие себя при работе СК со скоростями скольжения до 30 м/с [136]. Испытания контактных материалов проводили на центрифуге типа ЦЛС-31 по диску из стали 45 при удельной нагрузке 0,03 МПа и плотности тока 50 А/см² в следующем режиме: работа при постоянной скорости скольжения 8—10 м/с в течение 15 мин, разгон до скорости 100 м/с в течение 5 мин, последующая стабилизация скорости и работа при скорости скольжения 100 м/с в течение 5 мин.
Испытания показали, что при постоянной скорости скольжения 8—10 м/с серийные материалы, в частности МГС-7, обеспечивают устойчивую и надежную работу СК. Дальнейшие исследования в режиме разгона показали ([154], что работоспособность серийных материалов, в частности МГС-7, при допустимой интенсивности изнашивания 10-7 ограничена диапазоном скорости 45—50 м/с (рис. 8.11). В результате исследования пленок фрикционного переноса, сформированных такими материалами, установлено, что они неоднородны по толщине, составу и структуре.

Таблица 8.4
Средние мгновенные значения поверхностной температуры θ в СК [154]

До этих скоростей образование пленок фрикционного переноса происходит в основном за счет высокой смазывающей способности пленок свинца и/или графита. Однако при увеличении скорости (свыше 50 м/с) поверхностная температура существенно превышает температуру деструкции связующего. Микроскопическое исследование микрошлифа рабочего слоя образца МГС-7 показало, что компоненты этого материала распределены по сечению неравномерно. В результате на отдельных участках возникают локальные механические и тепловые напряжения, вызывающие образование микротрещин и последующее выкрошивание частиц материала. Последнее приводит к резкой интенсификации износа и нестабильности коэффициента трения f и переходного падения напряжения в контакте 2∆U (в 1,6—1,9 и 1,2—1,5 раза соответственно).
Отсюда следует, что повышения износостойкости и стабильности f и 2 ∆U можно добиться путем уменьшения трещинообразования за счет повышения термостойкости материала и более равномерного распределения твердосмазочного компонента в металлической основе. По данным работ [40, 41, 153], были изготовлены образцы опытной композиции на основе меди, содержащей равномерно распределенные по объему свинец (до 7 маc. %) и графит. Испытания показали, что при допустимой интенсивности изнашивания 10-7 диапазон рабочих скоростей расширился до 90—100 м/с. Формируемая опытной композицией на контроле пленка, также как и для материала МГС-7, неоднородна по структуре и толщине. При этом она полностью покрывает дорожку трения на контроле, чего не наблюдалось при испытаниях материала МГС-7.
Фрикционное взаимодействие опытной композиции с перенесенной пленкой проходит, вероятно, при более низких механических и тепловых напряжениях на поверхности контакта. Снижение механических напряжений косвенно подтверждается некоторым уменьшением коэффициента трения (рис. 8.11, кривая 2') и переходного падения напряжения в контакте (2∆U =2,0—2,5 В). Роль тепловых напряжений качественно оценивалась по величине средних мгновенных поверхностных температур θ в СК по выражению, предложенному в работе [402].
Результаты расчета θ приведены в табл. 8.4. Анализ результатов показывает, что основной вклад в повышение поверхностной температуры при разгоне вносит фрикционное тепло. Из таблицы видно, что поверхностные температуры, возникающие при трении опытной композиции, меньше, чем для серийного материала М.ГС-7, и поэтому тепловая нагруженность ее в СК меньше.

Рис. 8.12. Зависимость интенсивности изнашивания Ih и переходного падения напряжения в контакте 2 ∆U от скорости скольжения v: 1 — опытная композиция; 2 — серийный материал марки МГС-7

Кинетику процесса формирования пленки переноса опытной композицией в СК в режиме разгона от 10 до 100 м/с можно представить следующим образом. В начальный момент трения закрепление частиц композиции на контртеле осуществляется лишь на отдельных участках. С повышением скорости вследствие пластической деформации поверхностных слоев осуществляется как перенос частиц композиции на свободные участки контртела, так и перенос мельчайших частиц контртела на поверхность композиции. При дальнейшем увеличении скорости скольжения (свыше 50—55 м/с) поверхностные температуры в СК достигают величин, близких к температуре плавления металлической основы композиции. Это способствует активизации процесса переноса частиц композиции на контртело, адгезионному закреплению их на поверхности и образованию сплошной пленки. Сформированная пленка переноса вызывает снижение механических и тепловых напряжений в контакте вплоть до скоростей 90—100 м/с. Последующая работа опытной композиции при стабильной скорости вплоть до 100±5 м/с в течение 5 мин показала высокую стойкость пленки против истирания (рис. 8.12) при стабильности коэффициента трения и переходного падения напряжения в контакте.

Таблица 8.5
Сравнительные электрофизические и триботехнические характеристики серийного материала марки МГ-5 и опытной композиции за 3000 ч непрерывной работы на двигателе ДП-1,5—2

Таким образом, триботехнические характеристики контактных материалов металлической матрицей в жестких динамических условиях разгона, высоких скоростей скольжения и повышенных плотностей тока существенно улучшаются для материалов с упорядоченной структурой. Преимущества таких материалов сказываются и в слаботочных СК, резко отличающихся по условиям работы от рассмотренных высокоскоростных сильноточных контактов.
При эксплуатации слаботочных контактов наиболее важно выполнить требование стабильности электрофизических и триботехнических характеристик.
Испытаниям в слаботочных СК подвергались серийные материалы МГ-1, МГ-5 и модельные композиции на основе медной матрицы, содержащие коллоидный графит, дисульфид молибдена и фторопласт общим содержанием до 25 об. %, изготовленные в соответствии с рекомендациями, приведенными в параграфе 8.2. Триботехнические исследования материалов проводили на воздухе и в вакууме при остаточном давлении 0,1 мПа, температуре 293±5 К на микроэлектродвигателе типа ДП-1,5—2 с интегральным ротором, представляющим собой медное печатное плато (скорость скольжения 0,5 м/с, удельное давление 0,02 МПа, плотность тока 10 А/см²). Оценка стабильности СК производилась по регистрации пульсаций тока в контакте.
Было установлено, что в процессе приработки стабильность характеристик контакта (интенсивность изнашивания, коэффициент трения, переходное падение напряжения) определяется главным образом физико-механическими свойствами электроконтактных материалов. В частности, материалы с меньшей твердостью и меньшей величиной разрушающего напряжения при сжатии имели тенденцию к большей стабильности контактных характеристик.

Рис. 8.13. Интегральный уровень коллекторных пульсаций в скользящем электрическом контакте в микроэлектродвигателе постоянного тока типа ДП-1, 5-2: а — серийный материал МГ-5; б — опытная композиция

Кроме того, установлено, что при трении в вакууме серийные материалы, содержащие хаотически распределенный в матрице антифрикционный наполнитель, склонны к схватыванию и задиру с поверхностью контртела. Они обладают высоким и нестабильным коэффициентом трения (более 0,25) и низкой износостойкостью.

Рис. 8.14. Временная зависимость величины линейного износа И (1, 2, 3) и полосы пульсаций тока холостого хода ∆ZXX (заштрихованная область для кривой 2) модельных композиций на основе медной матрицы, наполненной коллоидно-графитовым препаратом (1), дисульфидом молибдена и фторопластом (2), дисульфидом молибдена (3)

Электронно-микроскопическое исследование пленок фрикционного переноса показало, что они содержат хаотически расположенные крупные наросты из частиц антифрикционного наполнителя. Такое распределение частиц наполнителя на контактной поверхности явилось следствием неравномерного распределения антифрикционного наполнителя по объему материала и низкой адгезии его к матрице. Вероятно, это было одной из главных причин нестабильности величин коэффициента трения и переходного падения напряжения серийных материалов.
В то же время испытания модельных контактных композиций показали, что они обладают более стабильными электрофизическими и триботехническими характеристиками в течение длительного времени (табл. 8.5) не только в нормальных климатических условиях (рис. 8.13 и 8.14), но и в вакууме до 10-5 торр [327].
Таким образом, из анализа приведенных выше результатов следует, что как в жестких динамических условиях, так и при низких скоростях скольжения, нагрузок и плотностей тока на воздухе и в вакууме важным фактором, определяющим триботехнические характеристики контактных материалов, являются процессы фрикционного переноса. Для контактных материалов с металлической матрицей с регулярной структурой этот процесс протекает более интенсивно, локализуясь в более тонком поверхностном слое, что приводит к оптимизации фрикционных и электромеханических характеристик контактной пары.
Описанные выше преимущества разработанных контактных самосмазывающихся материалов с металлической матрицей позволяют рекомендовать их для повышения надежности и долговечности ответственных узлов токосъема изделий новой техники, функционирующих в сложных климатических и специфических условиях.