Analiza zjawisk zachodzących w icompozytowych materiałach stykowych w łuku elektrycznym

Transkrypt

1 Kazimierz KALISZUK INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH ul, Wólczyńska 133, Warszawa Oacek SENKARA POLITECHNIKA WARSZAWSKA, ZAKŁAD SPAWALNICTWA ul. Narbutta 85, Warszawa Analiza zjawisk zachodzących w icompozytowych materiałach stykowych w łuku elektrycznym Projektowanie kompozytowych materiałów stykowych powinno być poprzedzone analizę zjawisk zachodzących w nakładce stykowej podczas pracy w łęczniku elektrycznym. Szczególnie ważnym elementem jest poznanie mechanizmów erozji, w celu zmniejszenia szybkości destrukcji materiału i eliminacji towarzyszących jej, niekorzystnych zjawisk. Bezpośrednia obserwacja zjawisk erozyjnych jest trudna ze względu na ich szybkość i dynamikę, Czasy palenia się łuku sę rzędu mili a czasem mikrosekund, średnica plamki na powierzchni - niewielka, a szybkość jej wędrówki - znaczna. Temperatura stopy łuku szacowana jest, w zależności od napięć i prędów łączeniowych oraz własności materiału stykowego i konstrukcji łęcznika, na kilka do kilkunastu tysięcy K [1], Mamy zatem do czynienia z procesami zachodzącymi vi mikroskali w warunkach dużego oddalenia od stanu równowagi termodynamicznej. W artykule podjęto próbę wyjaśnienia mechanizmu zjawisk i opracowania modelu na podstawie badań strukturalnych materiałów stykowych po pracy w odmiennych warunkach: trwałości łączeniowej w styczniku próżniowym i próbie zwarciowej zdolności łęczenia w wyłęczniku powietrznym, MATERIAŁY I METODYKA BADAN Prace prowadzono z zastosowaniem następujących materiałów stykowych : 1, Dwufazowy kompozyt W-Cu30, o szkielecie wolframowym, spiekanym z 1% dodatkiem Ni. 39

2 Materiał ten jest przeznaczony do pracy w próżniowych komorach gaszeniowych styczników niskonapięciowych. Fazę przewodzęcę /Cu/ wzbogacono o dodatek antymonu dla obniżenia prędów ucięcia. 2. Dwufazowy kompozyt W-Ag60, o szkielecie wolframowym, spiekanym z 0,55^ dodatkiem Ni, Materiał jest przeznaczony do pracy w powietrznych wyłącznikach niskiego napięcia o podwyższonych parametrach. Materiały stykowe VV-Cu30Sb i W-Ag60 zamontowano w typowych, przeznaczonych dla nich łęcznikach elektrycznych: styczniku próżniowym SV-7 i wyłęczniku zwarciowym FB-150 /oba produkcji EMA-ELESTER w Łodzi/, Dane znamionowe stycznika SV-7: napięcie nominalne 1 kv częstotliwość nominalna 50/60 Hz znamionowy pręd cięgły 250 A pręd zwarciowy 5 ka częstotliwość łęczeń 1200 l/h typowa moc sterowana 250 kw Dane znamionowe wyłącznika FB-150: napięcie nominalne wyłącznika 550 V częstotliwość nominalna 50/60 Hz nominalny pręd ciągły 30 A pręd zwarciowy 10 ka Styczniki SV-7 poddano badaniu trwałości łączeniowej w kategorii AC-4 wg PN-73/E-06152, przy parametrach: prąd 1,1 ka, napięcie manewrowe 1 kv/50 Hz, częstotliwość łączeń 600 l/h cos $ O, 36, ilość vjykonywanych łączeń Wyłącznik FB-150 poddano próbie zwarciowej zdolności łączenia w cyklu P-1 wg PN-74/E-06151, przy parametrach: spodziewany prąd zwarciowy 10 ka rzeczywisty prąd zwarciovjy do 19 ka napięcie łączeniowe 550 V cos 0,3 cykl W - t - ZW gdzie: W - v«;yłączenie Z - załączenie t - czas około 3 min. Wszystkie badania elektryczne wykonane zostały w zwarciowni OBR ORAM w Łodzi. 40

3 R y s. 1. S t r u k t u r a n a k ł a d k i s t y k o w e j V/-Cu30Sb po p r ó b i e trwałości łęczeniowej w styczniku próżniowym SV-7 N i e t r a w i o n e, P o w i ę k s z e n i e 50x punkt obszar staiej gesłoścl Rys. 2a, S i a d y po l o k a l n y m przegrzaniu w punkcie styczności. Nietrawione. Powiększenie x R y s. 2b. R o z p ł y w prędu i rozkład t e m p e r a t u r w o k ó ł punktu styczności

4 f ^ Rys. 3. Wysepka gębki W, Nietrawione. Powiększenie 625x Rys. 4, Przetopiona kropla W. Nietrawione. Powiększenie 250x

5 " W Rys, 5. Prawidłowa struktura powierzchniowej warstwy kompozytu, Nietrawione. Powiększenie 250x

6 Sftiii-affpji - 'r 'f»-4 ' i"! HF ^. c * r Rys. 6a. Warstwa przetopionego W na niepracujęcej części powierzchni roboczej styku stałego. Nietrawione, Powiększenie 250x Rys. 6b. Zakrzepłe krople przetopionego W na krawędzi styku ruchomego. Nietrawione. Powiększenie 250x

7 Próbki materiałów stykowych poddano f i c z n y m, po u p r z e d n i m w y k o n a n i u doi p o w i e r z c h n i WYNIKI roboczej. Zastosowano BADAPi M E T A L O G R A F I C Z N Y C H Typowę strukturę Warstwa Widoczne "łusek" roboczej na rys. 1. "łuski". daleko w głęb materiału zaproponowany sty- wcześniejszej tam m o d e l wtórnego elektrycznym. jest e f e k t e m istnienia w materiale, wynikającego swoistego z nałożenia stężenia aktywatora to s p o w o d o w a n e 2". ma wyraźnie zmienionę, wzbogaconę w wol- zarazem k o m p o z y t u w łuku i gradientu powierzchni ten Jest z b i e ż n y z w y n i k a m i u z y s k a n y m i we spiekania cej. 3est "Neophot przedstawiono sę r ó w n i e ż p ę k n i ę c i a, s i ę g a j ę c e Twiorzenie nia" łączeniowej i tworzy charakterystyczne [2], potwierdzajęc metalogra- prostopadłych I DYSKUSJA przypowierzchniowa kowego. Obraz pracy trwałości badaniom mikroskop optyczny materiału W - C u 3 0 S b w pobliżu nsikładki po p r ó b i e fram«, s t r u k t u r ę następnie zgładów w płaszczyznach "gradientu się g r a d i e n t u s p i e k a n i a - n i k l u w fazie intensywnym spieka- temperatury parowaniem miedzi z przewodząciekłego roztworu. Odmiennie przedstawia się struktura warstwy k i s t y k o w e j W - A g 5 0 po p r ó b i e td z a r ó w n o z odmiennego nika. Nikiel cza gradient Ponadto dla stopu CuSb metralnie zamkniętym, styki obciążeniu następuje mieszczenie styku zapłon przewodzenia rozwarcia del e r o z j i 1. W s t a n i e powtórne jest w y ż s z e się w s t ę p n i e w ponowne stykowego zamkniętym rozwarciem zamknięcie styków Przed zetknięciem od dia- czym łuk o d u ż e j styków. przy pełnym styków styków następuje wyzwalaczy niż są powierzchni stałego, usuwając zadziałanie prze- mechanicznie czasie termicznych początku. badań proponuje w cyklu występują się następujący mo- zwarciowym: w materiale ze w z r o s t e m g ę s t o ś c i styczności. Dokumentuje CuSb stanie t e r m i c z n y c h, po r o z w i e r a n i a, po c z y m po k r ó t k i m p o w t a r z a się rzania, związane ze s t o p e m pracy w cyklu zwarciowym przed pełnym przeprowadzonych materiału [3], w z w i ą z k u srebra ł u k u. Po z a m k n i ę c i u z fazy następuje Na p o d s t a w i e z czym nagrzewają ruchomego względem produkty destrukcji i cykl zgaszony obwodu probierczego. ponowny ilości zadziałania wyzwalaczy 3 min. następuje łącz- rozpusz- o t w i e r a ć, a m i ę d z y nimi p o j a w i a się ensrgii, który zostaje pracy aktywatora spiekania i cieplne warunki nakładki stykowe się i warunków Wynika rozważaniach. elektryczne do m o m e n t u zaczynają Po przerwie w [4]. R ó w n i e ż różne: jak nakład- łączeniowej. jest nie z n a c z ą c y w p o r ó w n a n i u to m o ż n a p o m i n ą ć przewodnictwo powierzchniowej zdolności chemicznego w charakterze w bardzo nieznacznej jego stężenia i zjawisko składu zastosowany się w s r e b r z e zwarciowej lokalne obszary prądu w okolicach to rys. 2 a, na k t ó r y m w i d o c z n y przeg- punktów jest obszar 41

8 zmienionej struktury sięgajęcy daleko w głęb materiału. Powstałe pory zwięzane sę niewątpliwie z lokalnym wrzeniem srebra w kapilarach szkieletu. Rys. 2b przedstawia propozycję rozkładu gęstości prędowych i związany z nim rozkład temperatur. 2. W czasie palenia się łuku następuje odparowanie srebra z rejonów położonych w pobliżu stopy łuku. Pojawiają się "wysepki" gąbki wolframowej, wykazującej większy stopień spieczenia niż pierwotny szkielet /rys. 3/. 3. Powtórne pojawienie się łuku w tym miejscu powoduje, wobec braku efektu chłodzenia związanego z odparowywaniem srebra, stopienie wolframu. Na rys. 4 obserwujemy przekrój przez taką kroplę. Widoczne są podłużne ziarna wolframu, narastające w kierunku odprowadzania ciepła, na ziarnach szkieletu, będących zarodkami krystalizarcji. Mamy zatem do czynienia z klasyczną krystalizacją heterogeniczną. 4. Na powierzchniach roboczych nakładek stykowych na skutek tarcia obu powierzchni styków w fazie przemieszczania oraz działania sił elektrodynamicznych w fazie rozwierania, następuje kruszenie, odrywanie i odrzucanie produktów erozji /spieczona gąbka i zakrzepłe krople wolframu/. Odsłania się "zdrowa" struktura kompozytu o dużym udziale fazy przewodzącej /rys. 5/. 5. Na fragmentach powierzchni styków, będących poza strefą wzajemnego oddziaływania mechanicznego, mogą pozostać produkty erozji /rys. 6a, b/. PODSUMOWANIE Przeprowadzono próbę analizy porównawczej zjawisk zachodzących w kompozytowych materiałach stykowych w warunkach pracy łączeniowej przy parametrach nominalnych i zwarciowych. Wykazano, że mimo pewnych podobieństw zachodzi istotna różnica w mechanizmie destrukcji. W rozwożoniach dla uproszczenia nie uwzględniono różnicy środowisk pracy styków /próżnia, powietrze/, nie zaobserwowano bowiem, aby środowisko w opisywanych warunkach badań odgrywało pierwszoplanową rolę w przedstawionych mechanizmach destrukcji materiału stykowego. LirEIJATURA 1. Holm R.: "E1 t-c t ric al Contacts", Springer Verlag, Berlin Senkara J.: Science of Sintering. Vol , s Hanüen H., Anderko l<.: "Constitution of Dinary Alloys", Mc Grow Hill, Metals Har.dbook, VIII the b^dition, Metals Park 1973, ^Ohio 42