На правах рукописи
Романов Денис Анатольевич
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, ФАЗОВОГО СОСТАВА
И СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ
МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО НАПЫЛЕНИЯ
Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новокузнецк – 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»
Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Громов Виктор Евгеньевич
Официальные оппоненты: Потекаев Александр Иванович, доктор физико-математических наук, профессор, ОСП «Сибирский физико-технический институт имени акад. В.Д. Кузнецова Томского государственного университета», директор Ефимов Олег Юрьевич, кандидат технических наук, ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат», начальник производственного управления
Ведущая организация федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», г. Барнаул
Защита состоится 5 июня 2012 года в 900 на заседании диссертационного совета Д 212.252.04 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровской области, ул. Кирова, 42.
Факс: (3843) 46-57-92.
E-mail: [email protected].
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».
Автореферат разослан «» апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета д.х.н., профессор Горюшкин В.Ф.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Для электротехнической промышленности, производящей электрокоммутационную аппаратуру, в первую очередь нужны новые электроэрозионностойкие материалы, поскольку в большинстве случаев именно они определяют характеристики аппаратуры, способность надежно и длительно коммутировать электрический ток. Для материалов электрических контактов характерно сочетание разнообразных, иногда несовместимых для обычных металлов и сплавов требований. Для этих материалов необходимы высокая твердость и тугоплавкость в сочетании с высокими электро- и теплопроводностью, электроэрозионной и коррозионной стойкостью, отсутствием сваривания и мостикообразования.
Реализовать в одном материале многообразный и противоречивый комплекс свойств, которыми должен обладать электроконтактный материал, позволяет использование методов порошковой металлургии. В настоящее время, разработано большое количество электроконтактных материалов для их применения в разнообразных условиях эксплуатации. В состав этих материалов, как правило, входит медь, обладающая высокой электропроводностью, и тугоплавкий компонент с высокой износо- и электроэрозионной стойкостью.
Поскольку процесс разрушения материала начинается с его поверхности, для ряда практических применений, например, защиты контактных поверхностей средне- и тяжелонагруженных выключателей и коммутационных аппаратов, перспективно формирование упрочняющих покрытий, так как в этом случае важна электроэрозионная стойкость только поверхности контакта, а не всего объема. Для защиты поверхности от электроэрозионного изнашивания используют композиционные материалы на основе псевдосплавов вольфрама или молибдена и меди, карбидов вольфрама или молибдена и меди, а также сплавов на основе боридов титана и меди. Вместе с тем, существующие методы их получения, например, порошковая металлургия, имеют ограниченную область применения. В частности, эти методы не позволяют получать композиционные покрытия на контактных поверхностях с целью защиты их от электроэрозионного изнашивания. Одним из приоритетных направлений физики конденсированного состояния и физического материаловедения является разработка физических основ повышения эксплуатационных характеристик различных материалов. С учетом этого разработка методов модифицирования поверхностных слоев материалов электрических контактов является актуальной задачей развития новых современных технологий.
К перспективным методам формирования таких покрытий относится электровзрывное напыление (ЭВН) импульсными многофазными плазменными струями. В связи с вышеизложенным диссертационная работа представляется актуальной.
Целью работы явилось формирование электроэрозионностойких покрытий методом электровзрывного напыления, изучение их структуры, фазового состава и свойств.
Для реализации цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1) разработать методику ЭВН электроэрозионностойких покрытий систем W-Cu, Mo-Cu, W-C-Cu, Mo-C-Cu и Ti-B-Cu;
2) установить влияние параметров ЭВН на морфологию поверхностей покрытий, их структуру и фазовый состав;
3) определить износо- и электроэрозионную стойкость напыленных покрытий;
4) провести анализ механизма, обусловливающего взаимодействие формируемых покрытий с основой и единичных слоев покрытия друг с другом;
5) провести испытания напыленных покрытий в условиях эксплуатации.
Научная новизна. Впервые методами световой и сканирующей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и оптической интерферометрии экспериментально исследованы строение, структура, фазовый состав и характеристики топографии поверхности электроэрозионностойких покрытий, сформированных методом ЭВН. Определены параметры формирования композиционной структуры покрытий, среди которых основное внимание уделено размерам структурных составляющих в сформированных покрытиях различных систем. Впервые предложен механизм формирования зоны смешивания на границе покрытие-основа, обусловливающий их адгезионнокогезионную связь, выполнен анализ физических причин повышения износостойкости в условиях сухого трения и электроэрозионного изнашивания.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Электроэрозионностойкие покрытия, полученные методом ЭВН, обладают комплексом повышенных свойств и использованы с целью упрочнения медных электрических контактов. Износостойкость контактных поверхностей в условиях сухого трения скольжения после ЭВН покрытий увеличивается в 1,7…2,2 раза, электроэрозионная стойкость в условиях искровой эрозии – до 10-ти раз по сравнению с показателями электротехнической меди марки М00.
2. Выявлены закономерности формирования композиционной структуры покрытий, позволяющие целенаправленно выбирать режимы ЭВН, необходимые для получения заданных свойств.
3. Различная электрокоммутационная аппаратура с напыленными методом ЭВН электроэрозионностойкими покрытиями используется в производственной деятельности предприятий ООО «Лазурит», ООО «Сибирские промышленные технологии», ООО «Ремкомплект», ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», ОАО «Новокузнецкий вагоностроительный завод» и ООО «ВЕСТ 2002».
Достоверность результатов работы определяется корректностью поставленных задач, применением современных приборов и методик физического материаловедения, большим объемом экспериментальных данных, их сопоставлением между собой и с данными других авторов, использованием для их анализа хорошо апробированных теоретических представлений физики конденсированного состояния.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Методика электровзрывного напыления для формирования на медных контактных поверхностях электроэрозионностойких покрытий систем W-Cu, Mo-Cu, W-C-Cu, Mo-C-Cu и Ti-B-Cu, обладающих микро- и нанокристаллической структурой, низкой пористостью и высокой адгезионнокогезионной связью с основой.
2. Совокупность экспериментальных данных о морфологии поверхности, строении по глубине, структуре и фазовом составе покрытий систем WCu, Mo-Cu, W-C-Cu, Mo-C-Cu и Ti-B-Cu, сформированных для повышения электроэрозионной стойкости и износостойкости.
3. Модель образования зоны смешивания на границе покрытия с основой и между единичными слоями на основе возникновения гидродинамической неустойчивости Кельвина-Гельмгольца.
4. Совокупность экспериментальных данных по повышению электроэрозионной и износостойкости в условиях сухого трения скольжения медных контактных поверхностей при формировании композиционных покрытий систем W-Cu, Mo-Cu, W-C-Cu, Mo-C-Cu и Ti-B-Cu.
5. Результаты испытаний электровзрывных покрытий в условиях производства, показывающие повышение долговечности электрических контактов различной номенклатуры в несколько раз.
Личный вклад автора состоит в научной постановке задач исследования, анализе литературных данных, разработке способов ЭВН и их реализации, выполнении структурных исследований и испытаний свойств покрытий, статистической обработке и анализе полученных результатов, подготовке основных публикаций по выполненной работе.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XVIII и XIX Республиканской научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов «Физика конденсированного состояния», Гродно, 2010, 2011; Шестнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Волгоград, 2010; VI Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Черноголовка, 2010; 50-й, 51-й Международном научном симпозиуме и конференции «Актуальные проблемы прочности», Витебск, 2010, Харьков, 2011; VI Международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций», Оренбург, 2010; IX и X Международной научно-технической Уральской школе-семинаре молодых ученыхметалловедов, Екатеринбург, 2010, 2011; XI и XII Всероссийской молодёжной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества, Екатеринбург, 2010, 2011; X Международной конференции «Структурные основы модификации материалов», Обнинск, 2011; XVII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2011; VI Всероссийской молодежной научной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», Тольятти, 2011; V Международной школе «Физическое материаловедение», Тольятти, 2011; Вторых московских чтениях по проблемам прочности, Черноголовка, 2011; VI Всероссийской научнотехнической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2011; IV Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2011; научно-техническом семинаре «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов», Москва, 2011.
Исследования выполнялись в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг. по гос. контрактам №№ 14.740.11.1154, 14.740.11.0813, 02.740.11.0538 и грантами РФФИ №№ 11-02-91150-ГФЕН_а, 11-02-12091-офи-м.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 25-ти работах, в том числе в 12-ти статьях, 9 из которых – в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, в 6-ти докладах и в тезисах 2-х докладов на конференциях и других научных мероприятиях, 5-ти патентах на изобретения. Получено 4 положительных решения по заявкам на изобретения.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п. 1 «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и в том числе материалов световодов как в твердом, так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления» паспорта специальности 01.04.07 – физика конденсированного состояния (технические науки).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, приложения и списка литературы, включающего 157 наименований. Диссертация содержит 157 страниц, в том числе 60 рисунков и 6 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, обозначены их научная и практическая значимость, дан обзор содержания диссертации и сформулированы основные результаты, выносимые на защиту.
В первом разделе «Упрочнение электроконтактных поверхностей методами напыления покрытий» представлен краткий обзор современного состояния исследований структуры и фазового состава электроэрозионностойких покрытий, сформированных современными методами напыления с целью упрочнения и защиты электрических контактов. Обоснована актуальность проблемы повышения электроэрозионной стойкости тяжелонагруженных контактных поверхностей. Основное внимание уделено классификации, технологическим и физическим особенностям методов напыления покрытий.
Рассмотрены модельные представления о процессах формирования структуры и свойств покрытий новыми методами. На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.
Во втором разделе «Оборудование, материалы и методики исследований» описана электровзрывная установка ЭВУ 60/10, на которой проводили ЭВН. Емкостный накопитель энергии установки разряжается на взрываемый проводник, закрепляемый на электродах плазменного ускорителя коаксиально-торцевого типа. Образующаяся при электровзрывном разрушении проводника многофазная плазма формируется в струю, являющуюся инструментом воздействия на поверхность. В струе всегда содержатся конденсированные частицы продуктов взрыва и частицы порошковых навесок, вводимые в область взрыва, которые формируют покрытие.
Таблица 1 – Параметры ЭВН покрытий из несмешивающихся компонентов со слоистой структурой Примечание. Указанные режимы обеспечивают нагрев поверхности до температуры плавления. В числителе указана масса фольги, в знаменателе – масса навески порошка.
В качестве взрываемого проводника использовали фольги металлов, фольги совместно с навесками порошков, композиционный электрически взрываемый материал (КЭВМ) для нанесения покрытий в виде двухслойной фольги с заключенной в ней навеской порошка. Обоснован выбор электротехнической меди марки М00 как основы для проведения исследований, описаны режимы ЭВН электроэрозионностойких покрытий.
Покрытия из несмешивающихся компонентов имели композиционную слоистую или наполненную структуры. Покрытия со слоистой структурой наносили в предплавильных режимах ЭВН (таблица 1). Использовали фольги разной массы. Покрытия с наполненной структурой наносили в режимах, которые обеспечивали оплавление поверхности и перемешивание образующегося на поверхности расплава (таблица 2). Низкоинтенсивному режиму ЭВН с использованием фольг соответствует q = 7,6 ГВт/м2, высокоинтенсивному – 10,0 ГВт/м2 (таблица 2).
Таблица 2 – Параметры ЭВН покрытий с композиционной наполненной структурой системы TiB2-Cu с использованием сок диборида титана W-C-Cu и Ti-B-Cu, 7, формируемых при 5, Примечание. Цветом выделены режимы, обеспечивающие нагрев поверхности до температуры плавления. Через косую указаны напыляемые вещества и их массы.
Исследования структуры покрытий проводили с использованием методов световой (металлографический микроскоп Carl Zeiss AxioObserver A1m) и электронной сканирующей (растровый электронный микроскоп Carl Zeiss EVO50) микроскопии, рентгеноструктурного анализа (ARL X’TRA) и оптической интерферометрии (комплекс изучения топографии поверхности Zygo NewViewTM 7300).
Упрочнение поверхности оценивали по улучшению электроэрозионной стойкости и износостойкости в условиях сухого трения скольжения.
В третьем разделе «Структура электровзрывных электроэрозионностойких покрытий систем Mo-Cu и W-Cu» представлены результаты исследования покрытий систем W-Cu и Mo-Cu.
ЭВН покрытий с использованием фольг (рисунок 1). Толщина единичных слоев слоистых покрытий пропорциональна массе фольги. На границах слоев меди и молибдена и молибдена с основой вследствие термосилового воздействия плазменной струи на поверхность, нагреваемую до температуры плавления, формируется волнообразный рельеф, который позволяет увеличивать адгезию. При увеличении интенсивности воздействия на поверхность происходит искажение границ раздела поверхностного слоя с основой и между его отдельными слоями и разрушение слоистой структуры. При этом происходит формирование наполненной структуры (рисунок 1, в–д). В низкоинтенсивном режиме ЭВН в молибденовой матрице наблюдаются глобулярные включения меди размерами 30…200 нм (рисунок 1, г). Размер отдельных включений достигает 1 мкм.
а, б – покрытие со слоистой структурой; в, г – покрытие с наполненной структурой при ЭВН в низкоинтенсивном режиме; д – покрытие с наполненной структурой при ЭВН в высокоинтенсивном режиме;
е – зона проникновения молибдена в медь на границе с медной основой.
Рисунок 1 – Характерное изображение структуры композиционных покрытий Mo-Cu, сформированных с использованием фольг.
При обработке образцов в высокоинтенсивном режиме ЭВН формируются слои с композиционной наполненной структурой на основе молибдена и меди, в которой размер медных включений достигает 2 мкм (рисунок 1, д).
Видно, что в этом случае они не выкрашиваются из матрицы, что способствует улучшению электроэрозионной стойкости поверхностных слоев. На их границе с основой образуется зона смешивания молибдена и меди, в которой наблюдается образование изолированных включений молибдена субмикронных размеров в медной матрице.
ЭВН покрытий с использованием порошков W или Mo (рисунок 2). Особенности границ покрытий со слоистой структурой аналогичны случаю ЭВН с использованием фольги Mo.
При увеличении поглощаемой плотности мощности при напылении меди на поверхность предварительно напыленного единичного слоя молибдена формируется структура, образованная глобулярными включениями молибдена размерами около 2 мкм в медной матрице (рисунок 2, б). Наблюдаются также субмикронные включения молибдена. В случае аналогичной обработки единичного слоя вольфрама формируется структура, образованная глобулярными включениями вольфрама размерами около 2 мкм в медной матрице (рисунок 2, д).
а – Mo-Cu покрытие со слоистой структурой (прямой шлиф); б – Mo-Cu покрытие с наполненной структурой (прямой шлиф); в – Mo-Cu граница покрытия с основой (косой шлиф); г – W-Cu покрытие со слоистой структурой (прямой шлиф); д – W-Cu покрытие с наполненной структурой (прямой шлиф); е – W-Cu граница покрытия с основой (косой шлиф) Рисунок 2 – Характерное изображение структуры покрытий из несмешивающихся компонентов. Сканирующая электронная микроскопия Важной особенностью обработки является проникновение отдельных частиц вольфрама и молибдена в основу на глубину до нескольких микрометров (рисунок 2, в, е). Толщина покрытий может быль любой и зависит от условий эксплуатации конкретной номенклатуры упрочняемых деталей.
При ЭВН слоистых покрытий фольгами на поверхности формируются сравнительно гладкие области неправильной формы. При ЭВН слоистых покрытий порошками наблюдаются области с развитым рельефом, образованные частицами порошков.
При формировании композиционных наполненных покрытий на поверхности выделяются хаотически расположенные сравнительно гладкие области неправильной формы и области с развитым рельефом, образованные частицами глобулярной формы размерами в пределах от 0,5 до 20 мкм, суммарная площадь которых составляет 25 и 75 % соответственно. Относительное содержание меди в областях с развитым рельефом ниже, чем в областях с гладким рельефом. На основании этого можно считать, что области с гладким рельефом образованы преимущественно конденсированными частицами продуктов взрыва медной фольги, а области с грубым рельефом – продуктами порошков для ЭВН.
Четвертый раздел «Электровзрывное напыление электроэрозионностойких покрытий системы TiB2-Cu с использованием порошка TiB2» посвящен анализу ЭВН покрытий с композиционной наполненной структурой «медная матрица-диборид титана».
а – композиционная наполненная структура ; б – наложение карт распределения титана и меди для фото (а); в – граница покрытия с основой;
г – общий вид сечения покрытия; д – карта распределения титана;
е – карта распределения меди (q = 4,5 ГВт/м2), прямой шлиф Рисунок 3 – Характерное изображение покрытия системы TiB2-Cu с композиционной наполненной структурой.
При ЭВН покрытий системы TiB2-Cu с использованием порошка TiB выделены три характерные морфологические составляющие структуры, формирующие микрорельеф поверхности покрытия: субмикрокристаллические частицы порошка TiB2, используемого для ЭВН; сравнительно гладкие области на основе TiB2 и меди, содержащие субмикрокристаллические включения TiB2; конгломераты частиц TiB2 и меди глобулярной морфологии.
Структура поперечных сечений покрытий не содержит пор и представляет собой медную матрицу с включениями TiB2, размеры которых изменяются в пределах от 1 до 10 мкм (рисунок 3). Наблюдаются также субмикронные включения TiB2. Диборид титана и медь распределены по объему покрытий примерно в равном соотношении. Перекристаллизации частиц TiB2 в покрытии с образованием других фаз не происходит (рисунок 4), что обеспечивает максимальные электроэрозионные свойства таких покрытий.
«