СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................................................... 5
1 УПРОЧНЕНИЕ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТОДАМИ НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ.................................... 16
1.1 Проблема повышения электроэрозионной стойкости тяжело-нагруженных контактных поверхностей........................... 16
1.2 Классификация и технологические особенности методов напыления покрытий................................................ 17
1.2.1 Детонационно-газовое напыление....................... 18
1.2.2 Импульсно-плазменное напыление....................... 20
1.2.3 Холодное газодинамическое напыление.................. 24
1.2.4 Электровзрывное напыление............................ 25
1.3 Исследование структуры, фазового состава, свойств и процессов формирования покрытий с использованием импульсных методов напыления............................................... 29
1.3.1 Формирование слоя покрытия и его свойства............ 29
1.3.2 Физические особенности методов напыления покрытий 36
1.3.3 Модельные представления о процессах формирования
покрытия при новых методах напыления.................. 36
1.4 Цель и задачи исследования.................................. 42
2 ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВА-НИЙ.......................................................... 43
2.1 Обоснование выбора материалов для проведения электровзрывного напыления........................................... 43
2.2 Лабораторная электровзрывная установка ЭВУ 60/10............ 49
2.3 Режимы обработки, методы исследования структуры, фазового
и элементного состава и свойств электровзрывных покрытий.... 52
3 СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМ Мо-Си И \У-Си.................................. 58
2
3.1 Шероховатость поверхности псевдосплавных покрытий системы Мо-Си...................................................... 58
3.2 Особенности структуры поверхности и поперечных сечений
псевдосплавных покрытий системы Мо-Си.................... 61
3.3 Шероховатость поверхности псевдосплавных покрытий системы \V-Cu...................................................... 77
3.4 Особенности структуры поверхности и поперечных сечений
псевдосплавных покрытий системы АУ-Си 79
3.5 Выводы................................................... 88
4 ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЕ НАПЫЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННО-СТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ ТШ2-Си С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОРОШКА ТШ2.................................................. 90
4.1 Исследование рельефа поверхности электровзрывных покрытий системы ТШ2-Си............................................ 90
4.2 Исследование структуры, элементного и фазового состава электровзрывных покрытий системы ПВг-Си........................... 93
4.3 Выводы................................................... 103
5 СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМ Мо-С-Си,\У-С-Си И ТьСи-В, СФОРМИРОВАННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНТЕЗА НОВЫХ ФАЗ............................................................. 105
5.1 Особенности рельефа поверхности, структуры, элементного
и фазового состава электровзрывных покрытий системы Мо-С-Си и W-C-Cu, упрочненных синтезированными карбидами 105
5.2 Особенности рельефа поверхности, структуры, элементного
и фазового состава электровзрывных покрытий системы ТьВ-Си, упрочненных синтезированными боридами......... 113
5.3 Выводы................................................... 117
6 СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫХ ПОКРЫТИЙ НА МЕДНЫХ
3
КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ.................................. 119
6.1 Испытания на износостойкость.......................... 119
6.2 Испытания на электроэрозионную стойкость.............. 121
6.3 Анализ особенностей формирования структуры электровзрывных покрытий на границе с основой.................. 127
6.4 Использование результатов исследований по электровзрывному напылению электроэрозионностойких покрытий............... 130
6.5 Выводы................................................ 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................. 137
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................ 139
ПРИЛОЖЕНИЕ А СПРАВКИ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................. 155
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Для электротехнической промышленности, производящей электрокоммугационную аппаратуру, в первую очередь нужны новые электроэрозионностойкие материалы, поскольку в большинстве случаев именно они определяют характеристики аппаратуры, способность надежно и длительно коммутировать электрический ток [1, 2]. Для материалов электрических контактов характерно сочетание разнообразных, иногда несовместимых для обычных металлов и сплавов требований [3, 4]. 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, упрочнения контактных поверхностей средне- и тяжелонагруженных выключателей и коммутационных аппаратов, перспективно формирование защитных покрытий, так как в этом случае важна электроэрозионная стойкость только поверхности контакта, а не всего объема [5, 6]. Для защиты поверхности от электро-эрозионного 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 [3]. Вместе с тем, существующие методы их получения, например, порошковая металлургия, имеют ограниченную область применения. В частности, эти ме-
тоды 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.
Целыо 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 \V-Cu, Мо-Си, \У-С-Си, Мо-С-Си и П-В-Си;
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.
Объект исследования. Настоящая работа выполнена в рамках общего
направления развития научных исследований и практических разработок -
защиты поверхности путем напыления покрытий с использованием концен-
6
трированных потоков энергии. Такая обработка проводится различными способами, среди которых можно выделить новые способы напыления [7-27].
Предмет исследования. Для расширения возможной области практического использования электровзрывной обработки поверхности материалов [28], которая среди прочих методов дает возможность реализовывать ЭВН покрытий, предметом исследования являлись особенности ЭВН покрытий электротехнического назначения, в том числе обладающих высокой электро-эрозионной стойкостью.
Методологическая и теоретическая основа исследования. При выборе способов упрочнения поверхности металлов и сплавов следует исходить из того, что функциональные свойства поверхностных слоев определяются, прежде всего, особенностями их структуры и фазового состава. Анализ литературных источников показывает, что наибольшего качества покрытий, обладающих низкой пористостью, высокой адгезией с основой, наноструктурным состоянием, удается добиться с использованием детонационно-газового, импульсно-плазменного, холодного газодинамического и электровзрывного методов напыления.
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 адгезионно-когезионную связь, выполнен анализ физических причин повышения износостойкости в условиях сухого трения и электроэрозионного изнашивания.
7
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Электроэрозиониостойкие 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.
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,
8
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 ученых-металловедов, 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 научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2011; IV Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2011; научно-техническом семинаре «Бернштсйновские 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 М2 11-02-91150-ГФЕН_а, 11-02-12091-офи-м.
Представление результаты работы на конференциях отмечены следующим и наградами: дипломами 2-ой степени за доклады на X и XI Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», 2010, 2011, Новосибирск; дипломом 1-ой степени за доклад на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Современные техника и технологии», 2011, Томск; дипломом победителя I этапа конкурса работ молодых ученых в рамках VI Всероссийской молодежной научной конферен-
9
ции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений», г. Тольятти; дипломом победителя отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям «ЭВРИКА-2011» за научную работу «Электровзрывное напыление нанокомпозитных электро-эрозионностойких покрытий систем \У(Мо)-Си, \У(Мо)-С-Си, Ті-В-Си», 2011, Новочеркасск.
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.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Методика электровзрывного напыления для формирования на медных контактных поверхностях электроэрозионностойких покрытий систем "М-Си, Мо-Си, Д\^-С-Си, Мо-С-Си и Ті-В-Си, обладающих микро- и нанокри-сталлической 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 ,№-Си, Мо-Си, \V-C-Cu, Мо-С-Си и Ті-В-Си, 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 \V-Cu, Мо-Си, \V-C-Cu, Мо-С-Си и Ті-В-Си.
5. Результаты испытаний электровзрывных покрытий в условиях про-
10
изводства, показывающие повышение долговечности электрических контактов различной номенклатуры в несколько раз.
Краткое описание структуры диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, приложения и списка литературы, включающего 143 наименований. Диссертация содержит 160 страниц, в том числе 81 рисунок и 11 таблиц.
Во введении обоснована актуальность проблемы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, обозначены их научная и практическая значимость, дан обзор содержания диссертации, приведены положения, выносимые на защиту.
Первый раздел представляет краткий обзор современного состояния исследований структуры и фазового состава электроэрозиопностойких покрытий, сформированных современными методами напыления, использующими концентрированные потоки энергии целью упрочнения и защиты электрических контактов. Обоснована актуальность проблемы повышения элек-троэрозионной стойкости тяжелонагруженных контактных поверхностей. Рассмотрена классификация и обсуждены технологические и физические особенности новых методов напыления покрытий, основные модельные представления, используемые для объяснения формирования их структуры, фазового состава и свойств. На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.
Во втором разделе обоснован выбор электротехнической меди марки М00 для проведения исследований, описаны использованные режимы ЭВН электроэрозиопностойких покрытий. Приведены методики металлографических исследований структуры, фазового состава и свойств напыленных покрытий.
В третьем разделе представлены результаты исследования покрытий систем W-Cu и Мо-Cu. Показано, что при формировании слоистых покрытий без оплавления поверхности основы увеличение массы взрываемых проводников приводит к увеличению толщины единичных слоев молибдена (воль-
11
фрама) и меди в пределах от 15 до 30 мкм. Обработка с оплавлением поверхности приводит к разрушению слоистой структуры покрытий и смешиванию молибдена(вольфрама) и меди. После ЭВН продуктов разрушения металлических фольг морфология поверхности представлена деформированными каплями меди или молибдена, после ЭВН порошковых навесок, размещаемых в области взрыва, - деформированными каплями и конгломератами порошков.
Покрытия «молибденовая матрица-медные включения» характеризуются относительно равномерным распределением молибдена и меди по объему. Они имеют субмикрокристаллическую и наноразмерную композиционную наполненную структуру. Применение режима электровзрывного меднения, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 10,0 ГВт/м2, приводит к усилению термосилового воздействия многофазной плазменной струи продуктов взрыва медной фольги на облучаемую поверхность и формированию поверхностных слоев толщиной 25 мкм с более крупными (до 2 мкм) медными включениями, которые не выкрашиваются из матрицы. На поверхности выделены две характерные морфологические составляющие структуры, формирующие микрорельеф покрытия с равномерным распределение молибдена и меди: сравнительно гладкие области и конгломераты глобулярной морфологии.
Покрытия «медная матрица-молибденовые (вольфрамовые) включения» с относительно равномерным распределением по объему вольфрама или молибдена и меди имеют толщину до 250 мкм. Размеры вольфрамовых или молибденовых включений в медной матрице изменяются в пределах от 1 мкм до 10 мкм. На поверхности выделены две характерные морфологические составляющие структуры, формирующие микрорельеф покрытия: сравнительно гладкие области на основе молибдена (вольфрама); конгломераты частиц молибдена (вольфрама) и меди глобулярной морфологии.
12
Все покрытия имеют мелкодисперсную беспористую структуру. На границе покрытий с основой при напылении как вольфрама, так и молибдена происходит формирование зоны взаимного смешивания, обусловливающей металлургическую когезионно-адгезионную связь напыленных покрытий с основой.
Методами оптической интерферометрии определен комплекс характеристик топографии поверхности покрытий. После ЭВН происходит увеличение шероховатости поверхности по сравнению с исходным значением. Показано, что наиболее низким среднеарифметическим отклонением профиля Яя= 2,1...3,2 мкм обладают слоистые покрытия и покрытия с наполненной структурой, сформированные с использованием композиционного электрически взрываемого проводника (КЭВМ), поскольку они получены при ЭВН, для которого характерно осаждение на поверхность преимущественно жидких частиц продуктов взрыва из тыла многофазной плазменной струи с последующей самозакалкой. Увеличение /?а до 2,2...4,7 мкм для покрытий с наполненной структурой обусловлено тем, что они получены при ЭВН в режимах с оплавлением поверхности, конвективное перемешивание расплава, осаждение на поверхности конденсированных частиц продуктов взрыва из тыла струи и последующую самозакалку.
Четвертый раздел посвящен анализу ЭВН покрытий с композиционной наполненной структурой «медная матрица-диборид титана». Установлено, что при ЭВН с использованием электрического взрыва медной фольги с размещенным на ней порошка'ПВ2 формируется структура, представляющая собой глобулярные включения 'ПВ2 с размерами порядка 1.. .10 мкм в медной матрице. При ЭВН перекристаллизация Т\В2 с образованием других фаз не происходит, что обеспечивает максимальные электроэрозионные свойства таких покрытий.
В пятом разделе представлены результаты исследований псевдосплав-ных покрытий систем Мо-С-Си и \У-С-Си, упрочненных синтезированными
13
при ЭВН карбидами молибдена и вольфрама соответственно, а также результаты исследований покрытий системы ТьВ-Си.
Сформированные композиционные покрытия системы Мо-С-Си имеют микрокристаллическую композиционную наполненную структуру. Их фазовый состав образован псевдосплавом молибдена и меди и включениями синтезированных при напылении карбидов МоС и М02С. Увеличение параметров термосилового воздействия на облучаемую поверхность приводит к увеличению содержания карбидов в покрытии. Важной особенностью обработки является проникновение отдельных частиц молибдена и его карбидов в основу на глубину до нескольких микрометров. Аналогичные результаты наблюдаются для системы \У-С-Си: в этом случае псевдосгшав АУ-Сисодержит карбиды а-\У2С, \УС1.хи \УС. Синтезированы покрытия, содержащие бориды титана Т1В2, Т12В, Т13В4, Т1В и медь.
Шестой раздел посвящен анализу свойств покрытий и механизмов формирования зоны смешивания на границы покрытие-основа, обусловливающей их высокую адгезию.
Электроконтактные композиционные покрытия систем \V-Cu, Мо-Си, Т1-В-Си, \V-C-Cu показывают увеличение износостойкости в условиях сухого трения скольжения без смазки по сравнению с электротехнической медью марки МООв 1,7...2,2 раза. В процессе ускоренных испытаний на электроэро-зионную стойкость в условиях дугового разряда покрытия разрушаются с образованием кратеров эрозии. Дополнительное повышение элекгроэрозионной стойкости может быть достигнуто путем увеличения толщины покрытий при повторном электровзрывном напылении его единичных слоев. В процессе ускоренных испытаний на электроэрозионную стойкость в условиях искрового разряда покрытия с композиционной наполненной структурой всех систем показывают ее увеличение в ~ 10 раз.
Исследования структуры электровзрывных покрытий всех систем,
изученных в настоящей работе, показали, что их характерной особенностью
является формирование зоны взаимного смешивания на границе раздела
14
- Київ+380960830922