Введение Высокая тепло и электропроводность меди

Известия ВолгГТУ
30
УДК 669.716:621.785
В. Г. Шморгун, А. А. Артемьев, А. А. Антонов, Д. А. Евстропов, Ю. И. Бондаренко
СТРУКТУРА И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ
КУПРИДОВ ТИТАНА*
Волгоградский государственный технический университет
e-mail: mv@vstu.ru
В работе исследован состав покрытия, сформированного при контактном плавлении на границе соединения медно-титанового композита, полученного сваркой взрывом и его относительная износостойкость.
Ключевые слова: фазовый состав, интерметаллиды, контактное плавление, относительная износостойкость.
We investigated the coating composition formed at a contact melting of the compound at the interface of copper-titanium composite produced by explosion welding and its relative wear resistance.
Keywords: phase composition, intermetallics, contact fusion, the relative wear resistance.
Введение
Высокая тепло и электропроводность меди
обусловливает ее применение в металлургическом производстве. Однако из-за низкой твердости она склонна к износу. Поэтому повышение износостойкости поверхности медных деталей является актуальной задачей [1–3]. В работах [4–7] показано, что повышение износостойкости меди может быть обеспечено за счет
формирования на ее поверхности интерметаллидного покрытия системы Ti-Cu.
Целью настоящей работы являлось исследование фазового состава покрытий системы Ti-Cu, полученных с использованием
высокоэнергетического воздействия (сварки
взрывом) и последующей термообработки на
режимах, обеспечивающих контактное плавление [8–10], и определение их трибологических характеристик.
Материалы и методы исследования
Получение покрытия на поверхности медной подложки включало: сварку взрывом меди
М1 (4 мм) с титаном ВТ1-0 (1 мм), термообработку при 900–1010 °С с временами выдержки,
обеспечивающими наличие непрореагировавшего слоя титана, и механическое удаление последнего. Термообработку образцов проводили
в воздушной атмосфере печи SNOL8,2/1100 в
обмазке из жидкого стекла и талька.
Металлографические исследования выполнены с применением оптической микроскопии
(микроскоп Olympus BX61). Распределение химических элементов по толщине покрытия по-
–––––––––––––––––––––
*Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-19-00418)
лучено на сканирующем электронном микро
скопе Versa 3D Dual Beam. Микротвердость
структурных составляющих измеряли на микротвердомере ПМТ-3М.
Испытания на износостойкость проводили
на экспериментальной установке – аналоге машины Х4-Б [11]. Нагрузка на образец составляла 3,5 Н, путь трения 30 м – абразивная истирающая поверхность – KK19XW шкурка зернистостью 32-H (по ГОСТ P 52381–2005). Потерю
массы замеряли с точностью до 0,001 на аналитических весах Shinko HTR-220.
Результаты и их обсуждение
Анализ полученных экспериментальных
данных позволил установить следующее.
Полученные покрытия характеризуются
высокой твердостью (4-6 ГПа) и отсутствием
пористости. Основными структурными составляющими сформировавшейся на поверхности
меди диффузионной зоны являются структурно
свободные интерметаллиды βTiCu4 (22,15 Ti –
77,85 Cu ат. %) и TiCu2 (30,84 Ti – 69,16 Cu ат. %),
на поверхности присутствует интерметаллид
Ti3Cu4 (41,78 Ti – 58,22 Cu ат. %).
Анализ карты распределения химических
элементов по толщине покрытия (рис.1, б) и
точечный энергодисперсионный анализ (рис.
2, б, расшифровка в табл. 1) показали, что у
границы с медью располагаются дендриты
на основе твердого раствора титана в меди
Cu(Ti). Ближе к поверхности образуются
дендриты на основе интерметаллидов Cu 2Ti.
Междендритное пространство заполнено интерметаллидом βCu 4Ti.
Уменьшение размера структурных составляющих в образцах приводит к повышению
Известия ВолгГТУ
средних значений микротвердости. При этом ее
наибольшее значение всегда наблюдается в бо-
31
гатых интерметаллидом TiCu2 зонах, распложенных ближе к поверхности покрытия (рис. 2).
а
б
в
Рис. 1. Микроструктура и фазовое соотношение компонентов (а), кривые распределения химических элементов (б) и
характер изменения микротвердости по толщине покрытия (в), сформированного на медной подложке после термообработки: 900 °С, 30 мин (I); 970 °С, 5 мин (II); 1010 °С, 4 мин (III)
Рис. 2. Карта распределения химических элементов по толщине покрытия (а) и расположение точек при определении
элементного состава (б) (образец после ТО при температуре 970 °С 5 мин)
Относительную износостойкость полученных
при различных режимах термообработки покрытий оценивали по формуле:
ε = Gэ / Gи,
где Gэ – потеря массы эталона (медь М1 в
отожжённом состоянии), г; Gи – потеря массы
образца с покрытием, г.
Анализ полученных экспериментальных
данных (табл. 2) показал, что относительная
Известия ВолгГТУ
32
Таблица 1
Результаты точечного рентгеновского энергодисперсионного микроанализа
№ точки
Элемент
Весовой
Атомный %
Погрешность, %
%
Ti
35.1
41.78
2.42
1
Режим
ТО
2
3
970°С
5 мин
4
5
6
Cu
64.9
58.22
3.77
Ti
24.89
30.53
2.6
Cu
75.11
69.47
3.7
Ti
17.45
21.91
2.84
Cu
82.55
78.09
3.56
Ti
Cu
24.74
30.37
2.59
75.26
69.63
3.63
Ti
7.75
10.03
3.64
Cu
92.25
89.97
3.47
Ti
17.2
21.6
2.83
Cu
82.8
78.4
3.55
Фаза
Cu4Ti3
Cu2Ti
βCu4Ti
Cu2Ti
Cu(Ti)
βCu4Ti
Таблица 2
Относительная износостойкость образцов с покрытием
№ образца
1
2
3
Режим ТО
T,°С
τ, мин
900
970
1010
30
5
4
Потеря массы эталона Gэ, г
Потеря массы образца с покрытием,
Gи, г
Относительная износостойкость,
ε
0.081
0,024
0,023
0,023
3.38
3,52
3,52
износостойкость образцов с покрытиями на основе купридов титана значительно превышает
износостойкость меди, причем в исследованном диапазоне режимов ТО она меняется незначительно.
Вывод
Основными структурными составляющими
покрытия системы Ti-Cu, полученного на медной подложке с использованием высокоэнергетического воздействия (сварки взрывом) и последующей термообработки на режимах, обеспечивающих после контактного плавления
наличие непрореагировавшего слоя титана, являются структурно свободные интерметаллиды
βTiCu4 и TiCu2, дисперсность которых при прочих равных условиях уменьшается с ростом
температуры термообработки. Износостойкость
таких покрытий более чем в три раза превышает износостойкость меди.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Исследование диффузионного слоя, полученного
при термообработке газотермических покрытий на медной основе / А. Г. Радюк и др. // Материаловедение. –
2007. –№ 7. – С. 22–26.
2. Исследование способов повышения жаростойкости меди и свойств медно–алюминиевого диффузионного
слоя/ А. Г. Радюк и др. // Цветные металлы. – 2009. – № 6.
– С. 112–113.
3. Способ нанесения шлакового гарнисажа на футеровку конвертера / Айзатулов Р. С., Протопопов Е. В., Соколов В. В., Буймов В. А., Чернятевич А. Г., Щеглов М. А.,
Амелин А. В., Пресняков А. П., Ермолаев А. И., Ганзер Л.
А., Чернышева Н. А., Пак Ю. А. // Патент на изобретение
RUS 2128714.
4. Reza Bateni M. The effect of novel Ti-Cu intermetallic compound coatings on tribological properties of copper /
M. Reza Bateni., J. A. Szpunar., F. Ashrafizadeh., M. Zandrahimi// The annals of university «Dunarea de jos» of galati
fascicle VIII, Tribology ISSN 1221-4590 / 2003, pp. 55–62
5. Морозова, Е. А. Лазерное легирование поверхности титана медью / Е. А. Морозова, В. С. Муратов // Успехи современного естествознания. – № 11. – 2009. – С. 71.
6. Salehi M. Structural characterization of novel Ti-Cu
intermetallic coatings / M. Salehi., R. Hosseini. // Surface Engineering Vol.12 №3 / 1996.
7. Norbert Radek. Investigations of the Cu-Mo and CuTi electro-spark coatings after laser treatment / Norbert Radek., Jurji Shalapko., Maciej Kowalski // Вестник двигателестроения. – № 1. – 2009. – С. 143–149.
8. Ахкубеков, А. А. Контактное плавление металлов и
наноструктур на их основе / А. А. Ахкубеков, Т. А. Орквасов, В. А. Созаев. — М. : ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 152 с.
9. Залкин, В. М. Природа эвтектических сплавов и
эффект контактного плавления / В. М. Залкин. – М. : Металлургия, 1987, –157 с.
10. Ахкубеков, А. А. Начальная стадия контактного
плавления как низкоразмерный эффект / А. А. Ахкубеков,
М. М. Байсултанов, С. Н. Ахкубекова // Известия вузов.
Северо-Кавказский регион. Естественные науки. Приложение. – 2005.– С. 56–64.