Анотація до роботи:

Хоменко О.В. «Оптимізація структури, властивостей і умов одержання композицій Cr-Cu для вакуумних дугогасильних контактів з підвищеною електроерозійною стійкістю». – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.06 – порошкова металургія і композиційні матеріали – Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2007.

Дисертація присвячена вивченню особливостей структуро- і фазоутворення та фізико-механічних властивостей порошкових композицій Cu-Cr, а також мікроструктурних змін робочого шару Cr-Cu контактів під впливом дуги. Вивчено морфологію, хімічний та гранулометричний склад вихідних порошків, проведено термодинамічне моделювання хімічної взаємодії хрому і міді з основними домішками, вивчено адгезійні характеристики й особливості структуроутворення при спіканні в присутності рідкої фази в системах Cr–Cu і Cr–Cu–Fe(Co, Ni) у вакуумі в інтервалі температур 1100...1300 ^оС, досліджено кінетику ущільнення композиції Cr-50 % мас. Сu при нагріванні й ізотермічному спіканні у водні й у вакуумі при 1200 ^оС та вплив гарячого штампування на ущільнення і властивості композиції. Проведено аналіз мікроструктурних змін в робочому шарі контактів Cr–Cu в умовах, наближених до експлуатаційних. На підставі результатів досліджень оптимізовано структуру, властивості та умови виготовлення композиції Cr–50 % мас. Cu для вакуумних дугогасильних контактів; розроблено і затверджено технічні умови У3-4312068-20б6-96 на заготовки вакуумних дугогасильних контактів з композиційного матеріалу ХМ50В-КМ и впроваджено технологію їх виробництва на ДП “Генератор” (м. Київ).

У дисертації вирішено науково-технічну задачу оптимізації структури, властивостей і умов одержання композицій Cr-Cu для вакуумних дугогасильних контактів з підвищеною ерозійною стійкістю. У процесі виконання роботи отримані наступні результати.

1. Істотне розходження в морфології і гранулометричному складі електролітичної міді із середнім розміром частинок 35 мкм і відновленого хрому із середнім розміром 8 мкм у стані постачання є основною причиною розшарування їх суміші при пресуванні, транспортуванні і збереженні. Попередня підготовка міді (вібророзмелення, відпал) сприяє рівномірному розподілу компонентів у шихті (кульовий млин, 6 год.), що підтверджується відповідністю розподілу концентрації хрому в суміші (за даними хімічного аналізу 50 проб) нормальному.

2. Термодинамічне моделювання хімічної взаємодії хрому і міді з основними домішками, що містяться у складі порошків (O, C, Si, S, Fe), в інтервалі температур 1000...1800 К в різних середовищах показало, що основна частина домішок зв'язується з хромом. Видалення кисню з конденсованої фази можливе при спіканні у водні або у вакуумі при температурах вище 1400 К (~1127 ^оС). Дані термодинамічного аналізу підтерджуються результатами експериментальних досліджень: спікання композиції Cr–50 % мас. Cr у водні (із точкою роси - 60 ^оС) при температурі 1200 ^оС дозволяє знизити вміст кисню в 3 рази (до рівня 0,07...0,08 % мас.).

3. Система Cr-Cu характеризується високою роботою адгезії в інтервалі температур 1100...1300 ^оС у вакуумі. Тугоплавка складова композиції в процесі спікання формує каркас, про що свідчить виконання термодинамічної умови каркасности, відповідність розрахункових і експериментальних значень двогранного кута та висока зв'язаність частинок у мікроструктурі композицій. Основним механізмом росту тугоплавких частинок є дифузійна коалесценція, що підтверджується аналізом кінетики росту лінійних розмірів частинок і кінетики зменшення міжфазної питомої поверхні в мікроструктурі композицій. Визначено константи швидкості росту частинок, час початкового періоду коалесценції й оцінено коефіцієнт дифузії хрому в міді при 1200 ^оС.

4. Адгезійні характеристики системи Cr–Cu підвищуються при попередньому введенні одного з елементів ряду заліза в розплав міді. При спіканні потрійних композицій Cr–Cu–Fe(Co) з електролітичним хромом при температурах 1200 і 1270 ^оС тугоплавкі частинки диспергуються, на їхній поверхні утворюється перехідний шар, склад і морфологія якого визначаються характером взаємодії компонентів та добавки. Дифузія у твердій фазі перехідного шару в мікроструктурі композицій Cr–Cu–Ni контролює процес росту тугоплавких частинок при спіканні, що підтверджується оцінювальними розрахунками коефіцієнту взаємної дифузії елементів у перехідному шарі по трьох дифузійних рівняннях в рамках моделі двох концентричних сфер.

5. Аналіз кинетики змін пористості композиції Cr–50 % мас. Сu при спіканні в вакуумі та водороді вказують на меньшу швидкість ущильнення в порівнянні з теоретичною оцінкою, проведеною в рамках моделі локально-неоднорідної течії пористого тіла (по механізму Ешбі-Вералла). Розбіжність між теоретичною оцінкою та експериментальними даними може бути пояснена формуванням тугоплавкого каркасу, який збільшує ефективну в’язкість композиції і гальмує усадку. Цє підтверджується оцінними розрахунками коефіціенту ефективної в’язкості суспензії твердих частинок у розплаві в залежності від наявністі або відсутності каркасу тугоплавкої складової.

6. Гаряче штампування, що реалізує сдвигові деформації, ущільнює заготовки з композиції складу Cr–50 % мас. Cu до 99 % від теор. густини і забезпечує оптимальний рівень міцності, пластичності та питомого електроопору. Розроблено технологічні рекомендації та впроваджено технологію одержання заготівок з матеріалу XM50В-КМ для виробництва вакуумних дугогасильних контактів, що використовуються в вакуумних вимикачах ВБТЭ-10-20/1600.

7. Випробування Cr-Cu контактів в умовах, близьких до експлуатаційних, показали, що через вплив дуги в робочому шарі формується вторинна структура, яка складається з гетерофазних мікрошарів в яких сферичні тугоплавкі частинки (з розмірами 0,1-1 мкм) займають до 50 % об’єму. Моделювання поширення тепла в композиції Cr-Cu показало, що збільшення дисперсності хрому при формуванні вторинної структури сприяє встановленню більш рівномірного температурного режиму контактів, що може бути однією з причин відомого факту поліпшення експлуатаційних характеристик вакуумних контактів після проведення визначеного числа комутацій струму.

Публікації автора:

1.Лесник Н.Д., Минакова Р.В., Хоменко Е. В. Система хром-медь: адгезионные характеристики, легирование, структура композиционных материалов.// Порошковая металлургия, 2001, –№ 7/8. – С. 137–147.

Дисертанткою виготовлено зразки для досліджень, вивчені адгезійні характеристики та особливості структури перехідної зони, результати обговорено із співавторами.

2. Гетьман О.И., Лесник Н.Д., Минакова Р.В., Хоменко Е.В. Формирование структуры при спекании в присутствии жидкой фазы в системах Cr–Cu–металл семейства железа. 1.Система Cr–Cu //Порошковая металлургия, – 2006. –№5/6 –С.3–9.

Дисертанткою визначено мету та методи досліджень, проведено частину розрахунків, обговорено результати із співоавторами, зроблені висновки.

3. Гетьман О.И., Лесник Н.Д., Минакова Р.В., Хоменко Е.В. Формирование структуры при спекании в присутствии жидкой фазы в системах Cr–Cu–металл семейства железа. 2. Система Cr–Cu–Fe(Co,Ni).// Там же, – 2006. – №7/8 – С.19–25.

Дисертанткою проведено розрахунки і мікроструктурні дослідження, обговорено результати із співавторами, зроблені висновки.

4. Хоменко Е. В., Хоменко А И., Минакова Р. В., Лукович В. В., Картузов В. В. Анализ теплового режима рабочего слоя Cr-Cu дугогасительных контактов при коммутации тока в вакууме // Математическое моделирование и вычислительный эксперимент в материаловедении. Сб. трудов ИПМ НАНУ, Вып. 8, 2006. – с. 78–87.

Дисертанткою визначено задачу, частково проведено розрахунки, зроблені структурні дослідження, обговорені результати із співавторами, зроблені висновки.

5. Хоменко А.И., Хоменко Е.В. Программа автоматизации микроструктурного анализа. // Порошковая металлургия, 2007, №1/2. – с.122–127.

Дисертанткою визначено задачу, проведено частину розрахунків, обговорено результати зі співавтором, сформульовані висновки.

6. Минакова Р.В., Хоменко Е.В., Лесник Н.Д., Чураков М.М. Композиционные материалы для контактов и электродов. 2. Материалы на основе хрома. // Сб. науч. тр., «Электрические контакты и электроды», К.: ИПМ НАНУ, 1996. – С.105–116.

Дисертанткою виконано структурні дослідження, результати роботи обговорено із співавторами.

7. Минакова Р.В., Хоменко Е.В., Добровольский В.Д., Копылова Л.И., Кресанова А.П., Головкова М.Е. Особенности вторичной структуры в рабочем слое Cr–Cu вакуумных контактов // Сб. научн. тр., 1999. – К..: ИПМ НАН Украины. – с. 99–111.

Дисертанткою виконано структурні дослідження, мікродюрометричний анализ, результати роботи обговорено із співавторами, зроблені висновки.

8. Минакова Р.В., Крячко Л. А. Кресанова А.П. Хоменко Е.В. Структурно-эрозионные явления на композиционных контактах на воздухе, в масле и в вакууме. // сб. тр. «Электрические контакты и электроды», К.: ИПМ НАН Украины, – 2001 г. – С. 103–122.

Дисертанткою виконано мікроструктурні дослідження робочої поверхні та перерізів робочого шару, результати обговорено із співавторами.

9. Минакова Р.В., Хоменко Е.В., Лаптев А.В. О факторах оптимизации структуры и свойств при изготовлении композиционных материалов Cr-Cu электрических контактов // Докл. Межд. Конф. «Электрические контакты и электроды, К.: ИПМ НАНУ.– 2004. – С.125–126.

Дисертанткою виконано зразки, структурні дослідження, мікродюрометричний аналіз, результати роботи обговорено із співавторами.

10. Минакова Р.В., Лесник Н.Д. Хоменко Е.В. Междун. конференция «Современное материалловедение: достижения и проблемы» ММS-2005. Под ред. акад. НАН Украины В.В. Скорохода 26-30 сентября 2005 г. г. Киев, Украина. Тезисы докладов Т.1. с. 483-484.

Дисертанткою виконано зразки, структурні дослідження, мікродюрометричний аналіз, розрахунки, результати роботи обговорено із співавторами.