Введение к работе
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:
разработать методику ЭВН электроэрозионностойких покрытий систем W-Cu, Mo-Cu, W-C-Cu, Mo-C-Cu и Ti-B-Cu;
установить влияние параметров ЭВН на морфологию поверхностей покрытий, их структуру и фазовый состав;
определить износо- и электроэрозионную стойкость напыленных покрытий;
провести анализ механизма, обусловливающего взаимодействие формируемых покрытий с основой и единичных слоев покрытия друг с другом;
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 адгезионно-когезионную связь, выполнен анализ физических причин повышения износостойкости в условиях сухого трения и электроэрозионного изнашивания.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
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.
Выявлены закономерности формирования композиционной структуры покрытий, позволяющие целенаправленно выбирать режимы ЭВН, необходимые для получения заданных свойств.
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:
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 нанокри-сталлической структурой, низкой пористостью и высокой адгезионно-когезионной связью с основой.
Совокупность экспериментальных данных о морфологии поверхности, строении по глубине, структуре и фазовом составе покрытий систем W-Cu, Mo-Cu, W-C-Cu, Мо-С-Си и Ti-B-Cu, сформированных для повышения электроэрозионной стойкости и износостойкости.
Модель образования зоны смешивания на границе покрытия с основой и между единичными слоями на основе возникновения гидродинамической неустойчивости Кельвина-Гельмгольца.
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.
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 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 «Фи-
зическое 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 «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-ГФЕНа, 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.
