Właściwości fizyczne i łączeniowe styków z kompozytów Ag-WC-C i Ag-W-C

Transkrypt

1 Krystyna Frydman, Danuta Wójcik-Grzybek, Piotr Borkowski, Eugeniusz Walczuk, Dariusz Zasada Właściwości fizyczne i łączeniowe styków z kompozytów Ag-WC-C i Ag-W-C WPROWADZENIE W czasie pracy zestyków łącznika elektrycznego występują różne zjawiska fizyczne, mechaniczne i elektryczne, które wpływają na parametry pracy. Do najbardziej szkodliwych zalicza się nagrzewanie styków, erozję łukową i sczepianie. Aby przeciwdziałać tym zjawiskom stosuje się różne rozwiązania konstrukcyjne i materiałowe. Jednym z nich jest zastosowanie odpowiedniego materiału stykowego, który będzie odporny na erozję łukową, sczepianie i będzie wykazywał małą i stabilną w czasie pracy łączeniowej rezystancję zestykową. W niskonapięciowych łącznikach elektrycznych główną rolę odgrywają kompozytowe materiały stykowe na bazie srebra. Prowadzone obecnie badania w zakresie zastosowania materiałów na styki do niskonapięciowych łączników powietrznych koncentrują się głównie na doskonaleniu istniejących kompozytów poprzez modyfikację składu chemicznego i struktury, eliminacji substancji toksycznych i rakotwórczych oraz modernizacji stosowanych technologii w celu podwyższenia parametrów technicznych. Do materiałów, które mogą znaleźć zastosowanie w wyłącznikach o dużej trwałości łączeniowej, należą materiały kompozytowe typu srebro węglik wolframu-węgiel i srebro wolfram węgiel [1 3]. Odznaczają się one dużą odpornością na działanie erozyjne łuku elektrycznego oraz na sczepianie, a jednocześnie wykazują niską i stabilną rezystancję zestykową. W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości fizycznych i mikrostruktury kompozytów Ag WC C i Ag W C wykonanych przez autorów z mieszanin otrzymywanych klasyczną metodą mieszania oraz metodą mechanicznej syntezy (mechanical alloying). Przedstawiono również wyniki badań erozji łukowej, rezystancji zestykowej i sczepialności tych kompozytów oraz zaprezentowano analizę stanu powierzchni styków po pracy w łuku elektrycznym. BADANIA WŁASNE Materiały kompozytowe Ag WC C i Ag W C wykonano, stosując metody metalurgii proszków, z mieszanin otrzymanych drogą klasycznego mieszania lub mechanicznej syntezy. Celem badań było wyjaśnienie wpływu sposobu otrzymywania wyjściowej mieszaniny proszków na właściwości fizyczne i łączeniowe styków. Badane kompozyty zawierały węgiel w postaci grafitu. Ze względu na fakt, że niewielkie zanieczyszczenia materiałów wyjściowych mogą zmieniać właściwości łączeniowe styków, do badań użyto materiałów o wysokiej czystości. W celu otrzymania kompozytów Ag WC C i Ag W C przygotowano mieszaniny proszków srebra, wolframu lub węglika wolframu i węgla. Informacje o materiałach użytych do badań przedstawiono w tabeli 1, a morfologię proszków ilustruje rysunek 1. Z proszków wykonano mieszaniny o składzie Ag70%WC29,5%C0,5% i Ag70%W29,5%C0,5% (zawartości składników podano w procentach masowych) stosując klasyczną metodę mieszania i metodę mechanicznej syntezy. Mgr Krystyna Frydman (krystyna.frydman@itme.edu.pl), mgr inż. Danuta Wójcik-Grzybek Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, dr inż. Piotr Borkowski, prof. dr hab. inż. Eugeniusz Walczuk Katedra Aparatów Elektrycznych Politechniki Łódzkiej, dr inż. Dariusz Zasada Wojskowa Akademia Techniczna Metoda klasyczna polegała na mieszaniu proszków na mokro, w młynku tradycyjnym. Czas mieszania wynosił 24 godziny. Po zakończeniu mieszania proszki suszono w suszarce w temperaturze 333 K w atmosferze powietrza. Następnie mieszaniny poddano wyżarzaniu w atmosferze suchego wodoru w temperaturze 973 K, przez 15 minut. Celem wyżarzania było usunięcie z powierzchni proszków tlenu zarówno zaadsorbowanego, jak i związanego [4, 5]. Mechaniczna synteza jest stosunkowo nową metodą otrzymywania proszków kompozytowych. W procesie mechanicznej syntezy mieszanina proszków zasypywana jest do wysokoenergetycznego młynka kulowego, gdzie zachodzi proces zgniatania cząstek proszku przez kule poruszające się z dużą prędkością. W wyniku tego procesu cząsteczki ulegają odkształceniu plastycznemu [6, 7]. Mechaniczna synteza jest procesem prowadzonym w stanie stałym i pozwala uzyskać dyspersję nierozpuszczalnych faz, takich jak wolfram, węglik wolframu, srebro i węgiel. Podstawowymi zjawiskami zachodzącymi w trakcie procesu są zgrzewanie na zimno oraz łamanie się swobodnych ziaren proszku. Rozdrabnianie ziarna jest zależne od twardości składników poddanych procesowi mielenia oraz warunków procesu (prędkość i czas mielenia, bpr ball to powder ratio). Proces otrzymania mieszanin Ag70%WC29,5%C0,5% i Ag70%W29,5%C0,5% prowadzono w wysokoenergetycznym młynku Pulverisette 6 firmy Fritsch. Wykładzina naczynia mielącego i kule wykonane były z węglika wolframu. Ilość zastosowanych kul zależała od ilości proszku stosunek masy kul do masy mielonego proszku wynosił 1:1. Zastosowano szybkość mieszania 200 obr/min, a całkowity czas mieszania wynosił 4 godziny. Po zakończeniu procesu mielenia mieszaniny wyżarzano w atmosferze suchego wodoru w temperaturze 973 K przez 15 minut. Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono morfologię mieszanin proszków wykonanych różnymi metodami. Badanie morfologii zostało wykonane na elektronowym mikroskopie skaningowym typu DSM-950. Z otrzymanych mieszanin proszków prasowano kształtki o średnicy 11 mm i wysokości 3 mm. Wszystkie próbki przeznaczone do badań elektrycznych wykonane były z warstwą srebra o grubości 0,2 mm, umożliwiającą ich lutowanie. Wypraski spiekano w atmosferze suchego wodoru w temperaturze 1173 K (poniżej temperatury topnienia srebra spiekanie w fazie stałej). Czas spiekania wynosił 60 minut. Po spiekaniu Tabela 1. Rodzaje proszków wyjściowych Table 1. Sorts of initial powders Materiał Proszek srebra Ag LCP1 Proszek wolframu HC 500 Proszek węglika wolframu HC 250 Średnia wielkość ziarna, µm Czystość, % Producent 1,2 99,9 Handy&Harman 5,0 99,9 Starck 2,5 99,9 Starck Proszek grafitu 3,1 99,5 Aldrich 32 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXX

2 c) d) Rys. 1. Morfologia proszków: srebra, wolframu, c) węglika wolframu, d) grafitu Fig. 1. Morphology of powders: silver, tungsten, c) tungsten carbide, d) graphite Rys. 2. Morfologia mieszanin proszków Ag70%WC29,5%C0,5%: klasyczna metoda mieszania, mechaniczna synteza Fig. 2. Morphology of Ag70%WC29.5%C0.5% mixture of powders: conventional method of mixing, mechanical alloying próbki były dogęszczane z zastosowaniem ciśnienia 883 MPa. Dla każdej partii próbek z kompozytów Ag WC C i Ag-W-C przeprowadzono pomiary gęstości, twardości oraz badania mikrostruktury. W celu zbadania mikrostruktury próbek wykonano zgłady metalograficzne na powierzchni przekroju prostopadłej do powierzchni roboczej styku. Zgłady poddano obserwacji na optycznym mikroskopie metalograficznym Axiovert 40MAT. Właściwości fizyczne styków przedstawia tabela 2, a mikrostruktury styków zilustrowane są na rysunkach 4 i 5. Wszystkie rodzaje badanych kompozytów charakteryzują się jednorodną mikrostrukturą. Na podstawie analizy wyników badań właściwości fizycznych można stwierdzić, że niezależnie od sposobu otrzymywania mieszanin, gęstości kompozytów były zbliżone do gęstości teoretycznej. Porównywalne były też wartości ich twardości HV10. NR 1/2009 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 33

3 Tabela 2. Właściwości fizyczne styków Ag-WC-C i Ag W C Table 2. Physical properties of Ag WC C and Ag W C contact tips Rodzaj materiału Sposób mieszania Gęstość po prasowaniu γ 1 g/cm 3 Gęstość po spiekaniu γ 2 g/cm 3 Gęstość po dogęszczaniu γ 3 g/cm 3 Gęstość teoretyczna γ 3 γ /γ 0 0 % g/cm 3 Twardość HV10 Ag70WC29,5C0,5 MK 8,52 8,51 10,87 11,39 95,4 87,6 Ag70WC29,5C0,5 MS 8,54 8,67 10,88 11,39 95,5 91,6 Ag70W29,5C0,5 MK 9,33 9,88 11,86 11,88 99,8 95,8 Ag70W29,5C0,5 MS 9,47 9,89 11,84 11,88 99,7 95,8 MK klasyczna metoda mieszania, MS mechaniczna synteza Rys. 3. Morfologia mieszanin proszków Ag70%W29,5%C0,5%: klasyczna metoda mieszania, mechaniczna synteza Fig. 3. Morphology of Ag70%W29.5%C0.5% mixture of powders: conventional method of mixing, mechanical alloying Rys. 4. Mikrostruktura styków Ag70WC29,5C0,5: klasyczna metoda mieszania, mechaniczna synteza Fig. 4. Microstructure of Ag70WC29.5C0.5 contact tips: conventional method of mixing, mechanical alloying właściwości łączeniowe styków ag wc c i ag w c Badania elektryczne obejmowały pomiary erozji łukowej, rezystancji zestykowej oraz odporności styków na sczepianie w warunkach probierczych modelowych. Badania erozji polegają na pomiarach ubytków masy styków, natomiast znacznie trudniejsze jest wyjaśnienie i zrozumienie mechanizmów erozji. Należy podkreślić dynamiczny i nierównowagowy charakter zjawisk zachodzących podczas wyładowania łukowego. Odnajdywanie i identyfikacja śladów zjawisk wywołujących degradację i erozję materiału możliwe są na podstawie analizy mikrostruktury i powierzchni styków po pracy w łuku elektrycznym. W celu obserwacji i poznania dynamiki wyładowania łukowego oraz potwierdzenia migracji materiału stykowego przeprowadzono rejestrację otwierających się styków szybką kamerą firmy Photron, przy prędkości fotografowania klatek na sekundę. Rysunek 6 przedstawia przykładową serię zdjęć wykonanych dla styków symetrycznych dokumentującą dynamikę rozwijania się stóp łuku [8]. Badania elektryczne prowadzono w układzie probierczym ze sterowaniem komputerowym, w warunkach modelowych. Element podstawowy układu urządzenie probiercze, stanowi model wyłącznika jednobiegunowego, w którym testowane styki usytuowane 34 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXX

4 są symetrycznie pionowo, przy czym styk dolny jest stykiem ruchomym. W urządzeniu zapewniona jest regulacja parametrów mechanicznych zestyku. Uproszczony schemat blokowy układu probierczego przedstawia rysunek 7. W skład obwodu probierczego wchodzi stycznik C1, rezystor obciążenia R, łącznik tyrystorowy TS1, bocznik pomiarowy S i testowane styki urządzenia probierczego TD. Urządzenie probiercze zawiera łatwo wymienne podstawy stykowe z badanymi stykami, pneumatyczny napęd do zamykania styków PD, kulowy zamek mechaniczny MBL oraz wyzwalacz elektrodynamiczny ETD zasilany z baterii kondensatorów CB poprzez łącznik tyrystorowy TS2. Komputerowy system pomiarowo-kontrolny składa się z komputera PC z kartą pomiarową typu PCL 818, bloku układów wejściowych ID, urządzenia sterującego CD, woltomierza cyfrowego V, źródła prądu stałego do pomiaru rezystancji zestykowej DC2, tranzystora kluczującego T oraz wielu innych elementów współpracujących. Łącznik tyrystorowy TS1 powoduje przepływ przez zestyk testowany tylko jednej półfali prądu 50 Hz o nastawionej amplitudzie (regulacja rezystorem R). Rys. 5. Mikrostruktura styków Ag70W29,5C0,5: klasyczna metoda mieszania, mechaniczna synteza Fig. 5. Microstructure of Ag70W29.5C0.5 contact tips: conventional method of mixing, mechanical alloying e) f) c) g) d) h) Rys. 6. Fragmenty filmu wykonanego kamerą Photron przedstawiające wyładowanie łukowe w otwierających się stykach symetrycznych. Prędkość fotografowania klatek/s; t = 0,35 ms, t = 2,35 ms, c) t = 4,35 ms, d) t = 5,70 ms, e) t = 7,35 ms, f) t = 7,70 ms, g) t = 8,40 ms, h) t = 8,50 ms Fig. 6. High speed photographs (fragments) taken with the Photron camera. Symmetrical contacts, frames per second; t = 0.35 ms, t = 2.35 ms, c) t = 4.35 ms, d) t = 5.70 ms, e) t = 7.35 ms, f) t = 7.70 ms, g) t = 8.40 ms, h) t = 8.50 ms NR 1/2009 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 35

5 220V C1 R DC1 TS1 TD TS TT AS I=6 ka idt=34 As S TT CD ID START TSC ETD MBL LD DL DS US V PD BS DC2 CB T TS2 C2 B PC MC Rys. 7. Schemat blokowy układu probierczego [10] Fig. 7. Block diagram of computer-controlled testing system [10] Wyzwalacz elektrodynamiczny wraz z wymienionym łącznikiem tyrystorowym zapewnia otwieranie styków badanych przy określonym kącie fazowym fali prądu. Czas palenia się łuku zależy od kąta fazowego i nie przekracza 10 ms [10]. Badania elektryczne styków z kompozytów Ag70WC29,5C0,5 i Ag70W29,5C0,5 prowadzono dla prądu o amplitudzie 6 ka i całki prądu 34 As dla spolaryzowanych styków, przy czym styk górny był anodą. Wyniki badań erozji łukowej i rezystancji przedstawione są na rysunkach 8 i 9. Pomiary rezystancji zestykowej wykonane w trakcie badań łączeniowych kompozytów Ag70WC29,5C0,5 i Ag70W29,5C0,5 wykazały, że dla większości próbek największe zarejestrowane wartości nie przekroczyły 0,1 mω. Badania wykazały również, że pierwsza, lub jedna z pierwszych, pomierzonych rezystancji jest zawsze najmniejsza. Wraz ze wzrostem liczby łączeń wzrasta wartość rezystancji zestykowej, a wartość największa występuje najczęściej po wielu łączeniach. Taki klasyczny obraz wyników pomiaru otrzymano dla kompozytów Ag70WC29,5C0,5 i Ag70W29,5C0,5 niezależnie od rodzaju mieszaniny wyjściowej. Badania erozji łukowej wykazały, że niezależnie od rodzaju kompozytu przebiegi charakterystyk erozyjnych (w funkcji kolejnego numeru łączeni wyglądają podobnie, a ubytki masy są wprost proporcjonalne do liczby wykonanych łączeń, przy czym katoda i anoda zużywają się praktyczne jednakowo. Z przeprowadzonych badań wynika, że dla kompozytu Ag70WC29,5C0,5, ubytek masy styków (łączny anody i katody) wykonanych z mieszaniny otrzymanej drogą mechanicznej syntezy wynosił po 10 łączeniach Δm A+K = 1,68 g i był mniejszy od ubytku masy styków z kompozytu o identycznym składzie, ale wykonanych z mieszaniny otrzymanej metodą klasyczną: Δm A+K = 2,7 g (rys. 8). Podobna sytuacja występuje w przypadku kompozytu Ag70W29,5C0,5. Kompozyt wykonany z mieszaniny otrzymanej drogą mechanicznej syntezy wykazywał wyższą odporność na erozję łukową wytrzymywał większą liczbę łączeń, a łączne ubytki masy styków (Δm A+K = 1,7 g) były mniejsze niż dla kompozytu wykonanego z mieszaniny klasycznej (Δm A+K = 2,16 g). Obok dużej odporności na erozję łukową i związanej z nią niskiej i stabilnej rezystancji zestykowej, materiał stykowy powinien wykazywać dużą odporność na sczepianie. W czasie pracy stycznika, podczas procesu łączenia, istnieje tendencja do sczepiania się styków, co powoduje duże zagrożenia dla układów elektroenergetycznych i urządzeń elektrycznych pracujących w tych obwodach (w ekstremalnych warunkach może dojść do zwarcia w obwodzie elektrycznym). Badania sczepiania zostały wykonane w układzie probierczym opisanym w pracach [12 14], przy prądzie 6 ka. Pomiary siły sczepiania przeprowadzono w warunkach modelowych dla zestyku zamkniętego, przy obciążeniu zestyku sinusoidalnym impulsem prądu o czasie trwania 10 ms i różnych amplitudach przy docisku 50 N. Przedstawione na rysunku 10 wyniki pomiarów średniej i maksymalnej siły sczepiania pokazują dużą odporność na Rys. 8. Wyniki badań erozji styków: 1 Ag70WC29,5C0,5 (MK), 2 Ag70WC29,5C0,5 (MS), 3 Ag70W29,5C0,5 (MK), 4 Ag70W29,5C0,5 (MS) Fig. 8. Arc erosion of contact tips: 1 Ag70WC29.5C0.5 (MK), 2 Ag70WC29.5C0.5 (MS), 3 Ag70W29.5C0.5 (MK), 4 Ag70W29.5C0.5 (MS) I=6 ka idt=34 As Rys. 9. Wartości rezystancji zestykowej zmierzonej w czasie badań erozji styków: 1 Ag70WC29,5C0,5 (MK), 2 Ag70WC29,5C0,5 (MS), 3 Ag70W29,5C0,5 (MK), 4 Ag70W29,5C0,5 (MS) Fig. 9. Contact resistance values of contact tips mesured during arc erosion research: 1 Ag70WC29.5C0.5 (MK), 2 Ag70WC29.5C0.5 (MS), 3 Ag70W29.5C0.5 (MK), 4 Ag70W29.5C0.5 (MS) Rys. 10. Wartości siły sczepiania mierzone w czasie badań erozji styków: 1 Ag70WC29,5C0,5 (MK), 2 Ag70WC29,5C0,5 (MS), 3 Ag70W29,5C0,5 (MK), 4 Ag70W29,5C0,5 (MS) Fig. 10. Welding forces values of contact tips mesured during arc erosion research: 1 Ag70WC29.5C0.5 (MK), 2 Ag70WC29.5C0.5 (MS), 3 Ag70W29.5C0.5 (MK), 4 Ag70W29.5C0.5 (MS) 36 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXX

6 sczepianie wszystkich badanych styków. Maksymalne siły sczepiania nie przekraczały 80 N, co stanowi 1,6 wartości siły zestykowej (50 N). Mechanizm włączników niskonapięciowych łatwo poradzi sobie z rozdzieleniem tak sczepionych styków. Wszystkie badane właściwości łączeniowe (odporność na erozję łukową, rezystancja zestykowa i odporność na sczepianie) mają wpływ na parametry techniczne łącznika. Trwałością łączeniową styków określa się liczbę łączeń wykonanych podczas pracy łukowej w ustalonych warunkach probierczych. Im większą liczbę łączeń wytrzymują styki, tym jest to korzystniejsze dla uzyskania dużej trwałości łączeniowej łącznika, dla którego zostały przeznaczone. Świadczy to przede wszystkim o jakości materiału kompozytowego. ANALIZA POWIERZCHNI STYKÓW PO PRACY W ŁUKU ELEKTRYCZNYM W celu oceny wpływu łuku elektrycznego na erozję styków wykonano analizę powierzchni styków po zakończeniu badań łączeniowych. Ponieważ procesy erozji spowodowane są dynamicznym oddziaływaniem łuku na powierzchnię styków (rys. 6), wszelkie zmiany struktury czy stanu skupienia zachodzą w warstwie przypowierzchniowej w skrajnie nierównowagowych warunkach termodynamicznych. W związku z tym o mechanizmach erozji i degradacji materiału można tylko wnioskować na podstawie zmian powierzchni i mikrostruktury styków [5, 11]. Procesy zachodzące w miarę wzrostu temperatury na powierzchni styków podczas łukowego wyłączania prądu mają podobny przebieg zarówno w przypadku styków Ag WC C, jak i Ag W C: w temperaturze 1233,8 K topi się srebro, po nagrzaniu powierzchni styku do temperatury 2486 K srebro wrze i gwałtownie odparowuje z powierzchni odsłaniając cząstki pozostałych faz (W lub WC i węgiel), temperatura odsłoniętych cząstek W lub WC gwałtownie rośnie. Srebro w kompozycie pełni nie tylko rolę przewodnika prądu i ciepła, ale również rolę medium chłodzącego. Wysokie ciepło właściwe srebra (238,6 J/kg deg), ciepło topnienia (10, J/kg) i ciepło parowania (247, J/kg) powodują znaczne pochłanianie energii cieplnej z łuku, chroniąc głębokie warstwy kompozytu przed nagrzewaniem, co opóźnia ich przegrzanie i erozję, w kompozycie Ag WC C w zakresie temperatury K zachodzi przemiana perytektyczna węglika wolframu (topnienie niekongruentne). Z węglika wolframu w miarę wzrostu temperatury wydziela się stały węgiel, aż do całkowitego rozkładu WC, po przekroczeniu temperatury 3925 K topi się wolfram, powyżej temperatury wrzenia węgla (4473 K) przynajmniej część węgla znajdującego się na powierzchni styku powinna przejść w fazę gazową i wzbogacić plazmę łuku elektrycznego. Po zgaśnięciu łuku na powierzchni styku powinny zachodzić zjawiska w następującej kolejności: osadzanie przez stygnącą plazmę łukową, na stygnącej powierzchni styku, kolejnych faz, skraplanie się w pierwszej kolejności wolframu na powierzchni styku (od temperatury 6173 K), kondensacja węgla zachodząca na ciekłym wolframie od temperatury 4473 K, krzepnięcie wolframu w temperaturze 3668 K, skraplanie par srebra na powierzchni styku w temperaturze 2486 K. Ponieważ srebro nie rozpuszcza się ani w wolframie, ani w węglu, będzie ono występować w postaci kropli o różnej wielkości na powierzchni styku. Tam, gdzie będzie na powierzchni czysty wolfram, krople będą się przynajmniej częściowo rozpływać, ponieważ ciekłe srebro dobrze zwilża wolfram. Tam, gdzie na powierzchni wolframu lub węglika wolframu będzie występowała warstewka wydzielonego lub osadzonego węgla, srebro będzie się osadzać w postaci drobnych kropel. Krople te będą słabo związane z podłożem, ponieważ ciekłe srebro nie zwilża węgla i nie będzie mogło swobodnie rozpływać się po powierzchni. ostatnim etapem zmian powierzchniowych powinno być utle- nianie wszystkich pierwiastków występujących na powierzchni styku. Analiza powierzchni pozwoliła stwierdzić, że procesy zachodzące na powierzchni badanych styków podczas łukowego wyłączania prądu oraz przebieg erozji są podobne, zatem przedstawiono je na przykładzie styków Ag70WC29,5C0,5 otrzymanych z mieszaniny wykonanej metodą mechanicznej syntezy (rys. 11, 12). Badania były przeprowadzone na skaningowym mikroskopie elektronowym PHILIPS XL30 z mikroanalizatorem rentgenowskim DX4-EDAX. Badania prowadzono na stykach dla obu polaryzacji, tj. anody i katody. Rysunki 11a, b przedstawiają powierzchnie anody i katody objęte działaniem łuku elektrycznego. Na powierzchni anody i katody widoczne są przetopienia warstwy przypowierzchniowej materiału stykowego oraz liczne pęknięcia powstające na skutek naprężeń wynikających z nagłych zmian temperatury (rys. 11. Rysunek 12a przedstawia strukturę powierzchni styku (obszar środkowy) powstałą wskutek osadzania się składników z plazmy łukowej. Widoczne są duże obszary stopionego srebra (2) oraz osadzone z plazmy łukowej na powierzchni styku duże krople wolframu (1) z charakterystycznymi wklęśnięciami. W środkowej części katody (rys. 12 widoczne są również obszary przetopionego srebra (2) oraz warstewki wolframu osadzonego z plazmy łukowej (1, 3), pochodzącego z rozkładu węglika wolframu w wysokiej temperaturze. Mikroanaliza składu chemicznego wykazała również osadzenia węgla na powierzchni styku. Rys. 11. Obszar całej powierzchni roboczej styków Ag70WC29,5C0,5 po pracy w łuku elektrycznym: anoda, katoda Fig. 11. Surface of Ag70WC29.5C0.5 contact tips after work under electric arc: anode, cathode NR 1/2009 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 37

7 1 2 Pierwiastek Całość Obszar 1 Obszar 2 % mas. % at. % mas. % at. % mas. % at. CK 3,63 28, ,73 6,32 AgL 58,83 51, ,51 91,56 WL 37,54 19, ,75 2,11 Total Rys. 13. Przekrój poprzeczny styków Ag70WC29,5C0,5 po pracy w łuku elektrycznym: anoda, katoda Fig. 13. Cross section of Ag70WC29.5C0.5 contact tips after work under electric arc: anode, cathode PODSUMOWANIE Pierwiastek Całość Obszar 1 Obszar 2 Obszar 3 % mas. % at. % mas. % at. % mas. % at. % mas. % at. CK 1,32 12,39 1,85 21,04 0,65 5,61 1,93 21,09 AgL 63,23 65,92 11,36 14,4 97,49 93,35 17,38 21,19 WL 35,45 21,69 86,79 64,56 1,86 1,04 80,69 57,72 Total Rys. 12. Fragment wybranej powierzchni styków Ag70WC29,5C0,5 wraz z wynikami mikroanalizy składu chemicznego: anoda, katoda Fig. 12. Surface of Ag70WC29.5C0.5 contact tips and results of X-ray microanalysis: anode, cathode Obserwacja przekrojów poprzecznych styków poddanych działaniu łuku elektrycznego pokazuje wyraźnie degradację mikrostruktury styku w warstwie przypowierzchniowej o grubości ok. 200 µm (rys. 13). Widoczne są obszary przetopionego srebra, przetopionego wolframu, nieciągłości struktury. Zakrzepłe krople metalu są często luźno związane z materiałem styku i podczas kolejnych łączeń ulegają odkruszaniu. Powoduje to dodatkowe powiększenie ubytku masy styków, powstającego na skutek rozpryskiwania kropli ciekłego metalu i parowania (rys. 6). Przeprowadzone badania styków Ag70WC29,5C0,5 i Ag70W29,5C0,5, otrzymanych z różnych mieszanin wyjściowych wykazały, że sposób wykonania mieszaniny (metoda klasyczna i metoda mechanicznej syntezy) w przypadku tych materiałów nie miał istotnego wpływu na właściwości fizyczne (gęstość, twardość). Miał jednak wpływ na ich właściwości łączeniowe. Styki Ag70WC29,5C0,5 i Ag70W29,5C0,5, wykonane z mieszanin otrzymanych na drodze mechanicznej syntezy, wytrzymały dwukrotnie większą liczbę łączeń niż kompozyty o identycznym składzie chemicznym, ale wykonane z mieszanin otrzymanych metodą klasyczną. Ubytki masy styków anody i katody po 10 łączeniach były mniejsze i wynosiły Δm A+K = 1,7 g zarówno dla kompozytów Ag70WC29,5C0,5, jak i Ag70W29,5C0,5. Dla porównania ubytki mas styków anody i katody dla kompozytów o identycznym składzie chemicznym, ale wykonanych z mieszanin otrzymanych metodą klasyczną wynosiły Δm A+K = 2,6 2,7 g. Badania rezystancji wykonane przy prądzie 6 ka potwierdziły, że styki wykonane z mieszanin otrzymanych metodą mechanicznej syntezy miały również mniejszą rezystancję zestykową (rys. 9). Korzystny wpływ mechanicznej syntezy, jako metody wytwarzania mieszaniny proszków wyjściowych, można tłumaczyć otrzymaniem kompozytu o większej i równomiernej dyspersji składników i większym rozdrobnieniu cząstek (rys. 4b, 5. Drobnoziarnista struktura materiału styków jest bardzo istotna z punktu widzenia ich właściwości łączeniowych. Podczas przepływu prądu przez styki następuje ich nagrzewanie się. Przy przechodzeniu fali cieplnej przez każdą granicę faz występować będzie częściowe odbicie i rozproszenie fali cieplnej. Efektem tego będzie opóźnione wnikanie impulsu cieplnego w głąb materiału, co powoduje większy wzrost temperatury, ale tylko w warstwie przypowierzchniowej styków. W konsekwencji ubytek masy (związany między innymi 38 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXX

8 z odparowaniem materiału z powierzchni) jest zdecydowanie mniejszy, niż w przypadku gdyby cały styk był bardzo nagrzany. Im mniejszy jest ubytek masy styku, tym mniejsza jest jego erozja. Badania sił sczepiania przeprowadzone dla prądu 6 ka jednoznacznie wykazały dużą odporność na sczepianie wszystkich badanych styków (rys. 10). Wszystkie parametry: erozja łukowa, rezystancja zestykowa i sczepialność mają zasadniczy wpływ na pracę łączeniową styczników. Większe wartości tych parametrów zmniejszają trwałość stycznika w eksploatacji. Praca realizowana była w ramach projektu badawczego Nr T 10A LiteraturA [1] Slade P. G., Chien J. K., Bindas J. A.: Contact resistance variations in high silver content, silver-refractory carbide contacts. 13th Internationa1e Conference on Electrical Contacts, Lausanne (1986) [2] Allen S. E., Streicher, Leung Chi: Electrical performance of Ag-W-C and Ag-WC-C contacts in switching tests. 20th ICEC Stockholm (2000) [3] Findik F., Uzun H.: Microstructure, hardness and electrical properties of silver-based refractory contact materials. Materials&Design 24 (2003) [4] Wójcik-Grzybek D., Kaliszuk K., Frydman K., Bucholc W.: Spiekanie kompozytowych materiałów stykowych na osnowie srebra. Inżynieria Materiałowa 2 (2005) [5] Frydman K., Wójcik-Grzybek D., Bucholc W., Walczuk E., Borkowski P.: Kompozytowe materiały stykowe Ag-WC. Inżynieria Materiałowa 5 (2007) [6] Chmielewski M.: Wpływ składu chemicznego i granulometrycznego proszków Al 2 O 3 i Cr na strukturę i wybrane własności materiałów gradientowych. Praca doktorska, Warszawa (2005). [7] Benjamin J. S., Volin T. E.: The mechanism of mechanical alloying, Metallurgical Transactions A 5A (1974) [8] Borkowski P.: Modelowanie i badanie erozji styków. Wydawnictwa Politechniki Łódzkiej, Zeszyty Naukowe nr 1014, Rozprawy Naukowe, Z. 365, Łódź (2008). [9] Walczuk E., Borkowski P., Kaliszuk K., Frydman K., Wójcik-Grzybek D., Bucholc W.: Erozja łukowa i rezystancja zestykowa silnoprądowych styków z kompozytów WC Ag. Materiały Elektroniczne 4 (2000) [10] Frydman K., Wójcik-Grzybek D., Zasada D.: Nowe trójskładnikowe kompozytowe materiały stykowe Ag W C i Ag WC C, przeznaczone do łączników o dużej zdolności łączeniowej i niezawodności. Niepublikowane sprawozdanie ITME (2008). [11] Kaliszuk K., Frydman K., Wójcik-Grzybek D., Bucholc W., Walczuk E., Borkowski P., Zasada D.: Badania SEM powierzchni styków z kompozytu WC Ag po pracy w łuku elektrycznym. Materiały Elektroniczne 4 (2002) [12] Borkowski P., Walczuk E.: Opracowanie skomputeryzowanego stanowiska do badań sczepiania dynamicznego zestyków elektrycznych. VII Konferencja Naukowo-Techniczna Zastosowanie Komputerów w Elektrotechnice, Poznań/Kiekrz (2002) [13] Borkowski P., Boczkowski D., Wysocki T.: Computer-controlled system for testing contacts on switching high current. Journal of Measurement 40/3 (2007) [14] Walczuk E., Borkowski P., Wojcik-Grzybek D., Frydman K.: Electrical properties of Ag Fe and Ag Fe 2 O 3 composite contact materials for low voltage switchgear. Proc. of 24th ICEC, Saint Malo (2008) NR 1/2009 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 39