ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ НАНЕСЕНИЯ МЕДНОГО ПОКРЫТИЯ НА АЛЮМИНИЕВЫЕ КОНТАКТНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТО-ПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ
13 августа 2010Сайгаш. А.С., Ванин С.Л., Калдашев Б.К., Касмалиев Н.А. Томский политехнический университет, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30
Проблема уменьшения переходного сопротивления и совмещения электрического контакта медь-алюминий, повсеместно встречающегося в промышленной электротехнике, общеизвестна. Известно, по крайней мере, два способа совмещения такой контактной пары: использование биметаллических прокладок и использование специальной смазки на основе медного порошка. Однако оба метода имеют существенные недостатки.
Предлагается новый способ решения этой проблемы - нанесение медного покрытия на алюминиевые контактные поверхности путем воздействия импульсной гиперскоростной струи, генерируемой коаксиальным маг-нитоплазменным ускорителе (КМПУ) [1].
В рамках программы У.М.Н.И.К.(2007-2008) выполняется проект “Разработка технологии нанесения медного покрытия на алюминиевые контактные поверхности на основе коаксиального магнитоплазменного ускорителя”. Целью проекта является разработка научно-технических основ технологии нанесения медного покрытия на алюминиевые контактные поверхности магнитоплазмодинами-ческим способом.
На данном этапе основной задачей является решение проблемы равномерного нанесения покрытия площадью 60 см2. Такой размер площади обусловлен стандартными размерами шин.
Исходя из условий ранее проведенных исследований [2] оптимальными энергетическими параметрами для нанесения медного покрытия являются: емкость конденсаторной батареи С=12⋅10" Ф, зарядное напряжение Uзар=3,0-5,0 кВ. Режим инициирования разряда в канале формирования плазменной структуры - самопробой. Технологический цикл проводится в атмосферных условиях при энергии емкостного накопителя Wc=73,5 кДж, диаметре ускоритель-ного канала (УК) с1ук=10-15 мм, расстоянии от среза ствола до мишени 180-420 мм. На стенки УК наносится слой графита.
Проведенные исследования показали, что устойчивый разряд в УК формируется и существует в течение всего рабочего цикла (10" 3 с) при величине удельной подведенной энергии Wп/Vук=2,3 кДж/см3 (Wп - подведенная
энергия, Vук. - объем УК) при dук=10 мм и длине УК ℓук.=250 мм.
В экспериментах осциллографировались напряжение на электродах U(t) и рабочий ток ускорителя i(t) (рис. 1). Мощность Р=190 МВА, Wп=46 кДж.
Рис. 1. Типичные осциллограммы U(t) и i(t) плазменного выстрела КМПУ с медными электродами.
Динамические характеристики плазменного течения изучались с помощью высокоскоростной кадрированной фотосъемки (рис. 2) на установке ВФУ-1. Исследования показали, что оптимальным расстоянием между срезом ствола и мишенью является длина 250 мм, которая на фотограмме (рис. 2б) соответствует расстоянию от центрального скачка уплотнения (диска Маха) 5 до мишени 8 (ℓук.=95 мм) на интервале времени существования квазистационарного режима.
107
|
|
|
приготовлены образцы вертикального среза со шлифами. |
Рис. 2. Фотограмма гиперзвуковой плазменной струи (а) истекающей из УК медного ствола и ее ударно-волновая структура (б) - срез УК 1; косой скачок уплотнения 2, ограничивающий зону продолжения ствольного течения; висячий скачок 3; граница струи 4, ограничивающая так называемую первую “бочку”; центральный скачок 5, “диск Маха”; граница второй “бочки” 6; головная ударная волна 7; мишень 8.
На рис. 3 приведены эпюры дифферен-циаль-ного электроэрозионного износа поверхности УК по его длине Δm(ℓук) для различного уровня подведенной энергии. Видно, что при длине канала более 150 мм Δm принимает отрицательные значения - происходит наслоение эродированного материала на поверхность канала неподверженную эрозии. Это приводит к уменьшению выносимой из ствола массы и неэффективному использованием расходного материала – медной трубы. В результате проведенные исследования показали, что оптимальная длина медного ствола, при которой наиболее эффективно используется ствол и нарабатывается до 90% материала - 150 мм.
Рис. 3. Эпюры дифференциального электро-эрозионного износа медных стволов по длине УК.
На алюминиевых поверхностях были получено медное покрытие, общакя площадь покрытия составляет ~ 180 см2.
Анализ полученных покрытий производился с использованием электронной и оптической микроскопии, фотоэлектронной рентгеновской спектроскопии (РФЭС), рентгено-фазового анализа. Из алюминиевых подложек с нанесенным медным покрытием были
Рис. 4. Микрофотография шлифа вертикального среза алюминиевого образца с
медным покрытием.
Исследование структуры поверхности шлифов, проведенные на растровом электронном микроскопе Jeol-840, показали, что толщина покрытия не менее 100 мкм, структура его однородна и практически не имеет пор. Из микрофотографии (рис. 4) видно, что медное покрытие абсолютно плотно сопрягается с поверхностью алюминиевой подложки. Множественные вкрапления меди присутствуют в подложке на глубине до 70 мкм (рис. 4б). По данными РФЭС концентрация элементов на этой глубине составляет 99,8 % Al и 0,2 % Cu, а на границе раздела – 25 % Al и 75 % Cu.
На сегодня основной проблемой является отсечка крупных капель расплава меди, кото рые вылетают, по-видимому, на завершаю щей стадии существования импульсного про цесса и приводят к некоторой эрозии поверх ности мишени. Однако на основании прове денных экспериментов были определены ус ловия процесса, обеспечиваю-щие равно мерное нанесение медного покрытия на алю - - 3 миниевуюповерхность:С=12⋅10 Ф,
U =3,5 кВ ,W =73,5 кДж, расстояние от зар.c
среза ствола до мишени 250 мм, Р=1,0 атм.
Рис. 5. Фотографии контактных поверхностей алюминиевых шин и наконечников с медным покрытием.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Патент на полезную модель № 61856 РФ. 7F41В 6/00. Коаксиальный магнитоплаз-
менный ускоритель / Герасимов Д.Ю., Сайгаш А.С.; Сивков А.А. Заявка № 2006116407. Приор. 12.05.2006. Опубликовано.10.03.2007. Бюл. № 7.
2. Сивков А. А, Корольков В. Л., Сайгаш А.С. Нанесение медного покрытия на алюминиевые контактные поверхности с помощью магнито-плазменного ускорителя. // “Электротехника” № 8, 2003 г., с. 41-46.
Из фотографий электротехнических изделий с нанесенным медным покрытием (рис. 5) видно, что покрытие нанесено по всей площади алюминиевых шин и наконечников, равномерно по структуре.