Практика использования процесса внутреннего окисления

Целенаправленное применение процесса внутреннего окисления как одного из направлений химико-термической обработки в основном направлено на повышение эксплуатационных свойств электротехнических и жаропрочных сплавов.

Общие требования, например, предъявляемые к металлическим материалам (сплавам) токопроводящих и контактных площадок, следующие:

- высокая электро- и теплопроводность;

- стабильность электрических параметров при воздействии агрессивных сред (коррозионная стойкость);

- износоустойчивость покрытия (характерно для слаботочных скользящих контактов);

- способность к сварке и спайке (особенно для элементов коммутации).

В качестве таких металлических материалов распространение получили драгоценные металлы - золото, серебро, платина и их сплавы. Соответствующие исследования, включающие механические, электрические и коррозионные испытания, показали, что контакты из золота и его сплавов обладают более низкой твёрдостью, электропроводностью и коррозионной стойкостью по сравнению с серебром.

Серебро достаточно широко применяется для изготовления различного вида контактов. Изучение влияния оксидов Mg, Al, Mn, Sn, Zr, La, Cd и Mo, образованных в результате внутреннего окисления сплавов на основе серебра, на эрозионный износ серебряных контактов показало

- наибольшие потери наблюдались при наличии оксидов Al и Mo,

наименьшие - чистого серебра и сплавов серебра, содержащих оксиды Cd и Zr.

В силу этого, сплавы Ag - CdО успешно применяются для покрытий электрических контактов, работающих при температуре до 40° и относительной влажности 95 %, а также в сухой атмосфере при температуре до120°С.

Кроме серебра для получения контактов используют молибден, палладий и сплавы на их основе, обеспечивающие хорошую коррозионную стойкость и стабильность контактной проводимости.

Однако драгоценные и благородные металлы заменяются медью, как более экономичным металлом, позволяющим сохранить уровень функциональных свойств контакта.

Основанием для этого является:

- медь наиболее близка к серебру по электрическим характеристикам;

- медь обладает высокими значениями тепло- и электропроводности.

Медь нашла широкое применение в различного вида контактах, работающих при значительных механических усилиях с притирающим действием или при напряжениях, способных пробить поверхностные окисные плёнки. Это связано с тем, что вследствие высокой теплопроводности, медные контакты меньше подвержены перегреву током, чем серебряные.

Вместе с тем, применение чистой меди огранивается недостаточным уровнем стойкости к истиранию.

В силу чего, для создания контактов применяются сплавы на основе меди. Выбор легирующих элементов определяется, в том числе, соображениями повышения износоустойчивости, путем внутреннего окисления.

Исследования процесса дисперсионного упрочнения жаропрочных сплавов (например, на основе Nb, Тa, V) путем их внутреннего окисления, начатые еще в прошлом веке, показали перспективность данного направления ХТО.

При изучении (80-е годы прошлого века) процесса внутреннего окисления сплавов на основе ванадия: V-Zr и V-Si, было установлено, что в результате проведения такой химико-термической обработки при температуре порядка 1373 К, формируются мелкодисперсные частицы ZrO2 и SiO2.

Размеры этих частиц определяются исходным структурным состоянием сплава и режимами ХТО.

Исследования механических свойств нелегированного ванадия и сплавов, содержащих ZrO2 и SiO2, после сквозного внутреннего окисления образцов при разных температурах показывают, что наиболее перспективными для дисперсного упрочнения данным способом являются сплавы V-Zr. Так при температуре 1073 К, условный предел текучести σ0,2 внутриокисленного сплава в 10 раз, а предел прочности σв в 4 раза больше, чем аналогичные показатели чистого ванадия.

В XXI веке дисперсное упрочнение окислами путем внутреннего окисления сплавов для повышения их жаропрочности стало относиться к направлению формирования наноструктурированных гетерофазных структур с высокой термической стабильностью.

Анализ результатов исследований структурно-фазовых состояний, взаимосвязи этих состояний с механическими свойствами сплавов, закономерностей распада пересыщенных твердых растворов в ванадиевом сплаве V-4Ti-4Cr, показывает, что внутреннее окисление имеет более высокую эффективность для повышения жаропрочности ванадиевых сплавов, чем другие методы дисперсионного упрочнения,

Вместе с тем, необходимо отметить, что, наряду с очевидными преимуществами, внутреннее окисление, как и любой технологический процесс, имеет определенные недостатки, одним из которых является неравномерность распределения частиц оксидов в объеме обрабатываемого материала.

В соответствии с данными результатов теоретических и экспериментальны исследований функция пересыщения твердого раствора L(x,t) имеет максимум, который смещается со временем в глубь пластины толщиной l. При насыщении сплава с обеих свободных поверхностей (х=0 и х=t) кислородом (азотом, углеродом и т.п.) картина становится симметричной, поэтому можно рассматривать только область изменения координаты х от 0 до l /2 (рис.15).

Функция пересыщения равна нулю на границе между зоной внутреннего окисления и твердым раствором, имеет наименьшие значения или равна нулю (в установления равновесных концентраций) на внешних границах (х=0 и х= l).

Пересыщение твердого раствора в области х < хmax уменьшается во времени как за счет ухода вещества в растущие частицы, так и диффузионного его отвода во внешнюю среду, что приводит к уменьшению во времени величины максимума L(xmax,t).

Рис. 16. Кинетика изменения меры пересыщения L(x,t):

1 – малые времена процесса, 2 – большие времена процесса

Характер изменения меры пересыщения аналогичен (со смещением по времени) для всех сечений х: после достижения границей зоны внутреннего окисления данного сечения пересыщение твердого раствора быстро возрастает, проходит через максимум, уменьшается и, наконец, асимптотически приближается к нулю.

В результате на каждом временном этапе изменения функции меры пересыщения реализуются определенные стадии формирования структуры зоны внутреннего окисления в каждом сечении:

- этап быстрого роста пересыщения соответствует активному зарождению частиц оксидов легирующего элемента;

- этап уменьшения меры пересыщения соответствует росту частиц (при этом частота зарождения резко снижается с увеличением времени процесса и, соответственно, уменьшением величины максимума меры пересыщения);

- этап отсутствия зарождения новых частиц, когда основным механизмом их роста является коалесценция, что и вызывает неравномерность распределения числа, среднего размера и суммарного объема частиц оксидов в зоне внутреннего окисления.

В принципе, как показывает практика, данную проблему в ряде случаев можно решить путем использования технологических подходов порошковой металлургии. Идеология данного подхода заключается в использовании исходных композиций, содержащих: металл – основу порошкового сплава; оксид основного металла; легирующий металл, имеющий большее сродство к кислороду, чем основной металл; элемент - восстановитель оксидов основного металла. В результате достигается достаточно равномерное распределение образовавшихся оксидов легирующего элемента по объему порошковой металлозаготовки.

Дата добавления: 2014-01-07