Исследование закономерностей формирования электровзрывных покрытий системы Ag-W

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра материаловедения, литейного и сварочного производства

Курсовая работа

Исследование закономерностей формирования электровзрывных покрытий системы Ag-W

Выполнили:

студенты гр. МММТ-18

В.В. Шляров

Новокузнецк, 2019 г.

Содержание

• Введение

1. Аналитический обзор источников информации

2. Специальная часть курсового проекта

• 2.1 Методика исследования электровзрывных покрытий системы Ag-W, полученных на меди, методами оптической и атомно-силовой микроскопии

2.2 Исследование структуры профиля электровзрывных покрытий системы Ag-W, полученных на образцах меди, методами оптической и атомно-силовой микроскопии

• 2.3 Микроиндентирование полученных на медных образцах электровзрывных покрытий системы Ag-W
• Заключение
• Список литературы

Введение

• Актуальность темы курсового проекта. Нанесение покрытий электровзрывным напылением позволяет повысить в модифицированном материале прочностные, дюрометрические и трибологические свойства. Упрочнение достигается за счет формирования покрытий с образованием мелкодисперсных фаз в вязкой металлической матрице. В настоящее время развитие техники и технологии требует, чтобы разрабатывались и производились новые материалы, которые бы удовлетворяли требованиям к уровню их функциональных свойств. Так как в некоторых случаях разрушение деталей при эксплуатации совершается с поверхности, разрабатываются и улучшаются методы упрочнения и защиты поверхности путем модификации свойств поверхностных слоев материалов или нанесения на них покрытий. Среди них большое значение имеют методы обработки поверхности с использованием концентрированных потоков энергии (КПЭ), например, лазерного излучения, электронных пучков и плазменных струй. Они характеризуются импульсным и локальным характером воздействия на поверхность, что является значительным экономическим преимуществом их использования, если сравнить со стационарными методами обработки. Также, они характеризуются рядом параметров обработки и их сочетанием, которые приводят к новым структурно-фазовым состояниям формируемых поверхностных слоев материалов с высоким уровнем свойств. Это обусловливает актуальность темы данной работы.

Одним из импульсных методов упрочнения поверхности металлов и сплавов является электровзрывное напыление (ЭВН) [1, 2]. Он заключается в оплавлении и насыщении поверхностных слоев продуктами электрического взрыва проводников с последующей самозакалкой. Метод ЭВН является одним из ряда методов, использующих концентрированные потоки энергии (КПЭ) для обработки материалов - лазерное излучение [3-5], электронные пучки и плазменные струи [6-9]. Их отличает высокая интенсивность теплового воздействия на поверхность, обусловливающая ее оплавление.

Основными особенностями этого метода, отличающими его от других методов, являются, прежде всего, возможность достижения высокой степени легирования оплавляемых слоев, интенсивное конвективное перемешивание и химическое взаимодействие материала легирующих добавок с расплавом подложки в условиях высоких температур и давлений. Вместе с тем, особенности химических процессов при ЭВН в настоящее время изучены недостаточно, что обусловливает необходимость их дальнейших исследований. В связи с этим актуальным является упрочнение поверхностных слоев меди нанесением износостойкого покрытия системы Ag-W методом электровзрывного напыления с целью повышения прочностных электроэрозионных свойств.

Цель и задачи курсового проекта.

Комплексное исследование закономерностей формирования электровзрывных покрытий системы Ag-W.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Составление аналитического обзора научных информационных источников (статьи в ведущих зарубежных и российских научных журналах, монографии и патенты) в соответствие с целью курсовой работы.

2. Подготовка образцов меди к электровзрывному напылению покрытий системы Ag-W.

3. Электровзрывное напыление покрытий системы Ag-W на поверхность медных образцов.

Предметом исследования является комплекс теоретических и экспериментальных положений о закономерностях формирования электровзрывных покрытий системы Ag-W.

Объектом исследования является процесс формирования электровзрывных покрытий на различные материалы.

Теоретической и методической базой исследования явились отечественные и зарубежные работы, посвященные формированию покрытий на различных материалах.

Практическая значимость исследования заключается в возможности использования проведенного авторами обзора научной и методической литературы, а также патентной базы в качестве учебно-методической информации для студентов-бакалавров, обучающихся по направлению подготовки: «Материаловедение и технологии материалов». Результаты специальной части курсового проекта могут быть использованы в качестве баз экспериментально полученных данных и могут стать основой для написания тезисов конференций и научных статей.

электровзрывной покрытие напыление медь

1. Аналитический обзор источников информации

В современном материаловедении предпочтение отдается поверхностной обработке изделия, а не объемной. Это связано с наименьшими энергозатратами и эффективностью методов поверхностной обработки изделий.

В последние десятилетия широкое распространение получили методы обработки металлов и сплавов, основанные на использовании концентрированных потоков энергии (потоки плазмы, мощные ионные пучки и пучки электронов, лучи лазера. Перспективным считается комплексная обработка материала, сочетающая несколько методов воздействия. Такой подход позволяет минимизировать недостатки отдельно взятых методов и усилить их достоинства. Одним из методов модифицирования поверхности материалов, основанным на использовании концентрированных потоков энергии, является электровзрывное напыление [1].

Электровзрывное напыление (ЭВН) композиционных покрытий содействует совместному улучшению до нескольких раз физико-механических и эксплуатационных свойств: микротвердости, ударной вязкости, долговечности, электроэрозионной стойкости, фрикционных свойств.

Электровзрывное напыление металлов и сплавов осуществляется при импульсном воздействии на поверхность многофазных плазменных струй, сформированных при электрическом взрыве проводников. Чтобы получить импульсную струю плазмы при ЭВН применяется разрядка батареи конденсаторов на плазменный импульсный ускоритель, основным материалом которого является электрически взрываемый проводник. Сверхзвуковая плазменная импульсная струя, применяемая при ЭВН в качестве инструмента, воздействующего органа на подложку, единовременно выступает как тепловой компонент и как компонент для легирования поверхностных слоев. В процессе электровзрывной обработки вблизи поверхности происходит резкое увеличение давления. Эмпирические сведения и исследование макрокинетики электроразрушения взрываемого проводника доказали, что энергия разрушения, отнесенная к единице поверхности проводника, практически в 10 раз меньше, чем энергия, требуемая для сублимации. Ввиду этого продукты электрического взрыва проводника представляют собой многокомпонентную фазовую систему. Она содержит вместе с плазменным компонентом конденсированные продукты взрыва в виде частиц, к примеру, мелко диспергированных капель проводников из металла, находящихся в жидком состоянии. При формировании потока более инерционные конденсированные капли продуктов электрического взрыва, равно как и оплавленные с поверхности частицы порошка, размещаются в тыльной части потока и вследствие этого «долетают» до напыляемой поверхности подложки в то время, когда она уже находится в оплавленном или в уже закристаллизованном состоянии. С этой характерной особенностью связана специфика ЭВН, состоящая в следующем: на поверхности подложки, предназначенной для формирования поверхностного слоя, формируется рельеф, включающий оседающие на поверхности покрытия наиболее медленные инертные частицы.

При формировании струи ее фронт образует плазменный компонент, конденсированные же частицы, обладая большей инертностью, располагаются в тылу струи. Это приводит не только к поверхностному легированию, но и формированию покрытия, являющегося, как правило, высокопористым, содержащим большое количество капельной фракции, микрократеров и микротрещин, что существенно снижает служебные характеристики обработанной детали. Одним из способов устранения данного недостатка электровзрывного метода легирования материала является дополнительная обработка поверхности концентрированными потоками энергии. Установлено, что для этой цели были использованы низкоэнергетические сильноточные электронные пучки субмиллисекундной длительности воздействия. Применение таких пучков для обработки поверхности материалов позволяет сконцентрировать за малый промежуток времени (10-⁵...10-⁴с) высокую плотность энергии (10…100 Дж/см²) в тонком (0,1…10 мкм) приповерхностном слое [10 - 18].

В работе [2], ЭВН обусловлено комплексным термосиловым воздействием на облучаемую поверхность многофазной плазменной струи, сформированной из продуктов электрического взрыва проводников и порошковых навесок, и сопровождается комплексным характером изменения структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры на различных (от макро- до нано-) масштабных уровнях. В том числе, оно сопровождается за время обработки 100 мкс: для случая легирования алюминия никелем - формированием зоны легирования, упрочнённой интерметаллидами системы Ni-Al, характеризуемой большой глубиной; для случая легирования титаном поверхности твёрдого сплава ВК10КС -- распадом в зоне легирования частиц карбида WC и образованием частиц карбидов TiC, (Ti, W)C и W₂C; для случая карбоборирования поверхности титана с использованием порошковой навески аморфного бора -- формированием слоя композиционного покрытия толщиной около 10 мкм, обладающего высокой (до 3600 HV) микротвёрдостью. Также установлено многократное увеличение микротвёрдости, износостойкости, прочности и других функциональных свойств поверхности, обусловленное электровзрывным напылением. Выявлены закономерности и механизмы формирования структурно-фазовых состояний поверхностных слоёв при электровзрывном легировании с использованием термореагирующих компонентов. Научные результаты работы могут быть применены для развития теории структурно-фазовых превращений в металлах и сплавах и использованы в экономически эффективных технологических процессах упрочнения поверхности деталей на предприятиях металлургической, машиностроительной, авиационной и других отраслей промышленности.

При ЭВН экспериментальным путем установлено ускорение синтеза химических соединений на поверхности металлов и сплавов, происходящее за счет воздействия на поверхность импульсных плазменных струй, образовавшихся из продуктов ЭВН проводников при времени реакции 100 мкс, плотности мощности порядка нескольких ГВт/м² и давлении в ударно-сжатом слое вблизи облучаемой поверхности в среднем 1-10 МПа, происходит образование новых фаз и соединений со скоростью, которая превышает скорость их образования при обычных условиях взаимодействия [3].

Что касается облучения поверхности образцов электрическим взрывом с навеской порошка, то в работе [4] облучению подвергалась поверхность образцов плазмой электрического взрыва фольги титана с навеской порошка иттрия, что приводит к формированию многослойной структуры. На поверхности образцов формируется покрытие с высокоразвитым рельефом, элементами которого являются микрокапли, наплывы металла (иттрий), микропоры и микротрещины. Такая кардинально неоднородная структура в виде областей как обогащенных, так и обедненных иттрием, формируется не только на поверхности образцов, но и по толщине легированного слоя.

Одним из важнейших направлений развития ЭВН является повышение эксплуатационных свойств и увеличение срока службы электротехнических контактных поверхностей. ЭВН в работе [5] проводили электровзрывом медной фольги с размещенной на ней навеской вольфрама и технического углерода в стехиометрическом соотношении для формирования WC. Масса вольфрама составляла 100 мг, углерода - 6,5 мг, меди - 106,5 мг. Обработке подвергали образцы электротехнической меди М1 с размерами 20Ч30Ч2 мм при поглощаемой плотности мощности 5,5 (режим 1), 6,5 (режим 2) и 7,6 ГВт/м² (режим 3). Исследования методом световой микроскопии показали, что в результате обработки формируются слои толщиной 20 - 25 мкм. В медной матрице располагаются включения с размерами порядка 0,1 - 1 мкм. Содержание меди после обработки в режиме 2 максимально. Микротвердость в местах включений составляет 900 - 1100 HV, что соответствует микротвердости карбидов вольфрама. В то же время в некоторых областях ее значение достигает 460 HV, что соответствует микротвердости вольфрама. Профилометрия показала, что при формировании композиционных слоев параметр их шероховатости Ra составляет 2,0; 2,5 и 3,0 мкм для режимов 1, 2 и 3 соответственно.

Электровзрывное напыление (ЭВН) покрытий осуществляется продуктами электрического взрыва проводников и частицами порошковых навесок, вводимыми в область взрыва. Метод позволяет формировать покрытия с высокой адгезией с основой и различной структурой. ЭВН без оплавления поверхности основы позволяет получать единичные слои из того или иного вещества, а при многократном напылении единичных слоев разных материалов - композиционные покрытия со слоистой структурой. ЭВН с оплавлением поверхности и перемешиванием наносимых материалов с материалом основы позволяет получать композиционные покрытия с наполненной структурой, когда в матрице одного металла расположены включения других фаз. ЭВН в работе [6] проводили на электровзрывной установке ЭВУ 60/10М. Обработке подвергали образцы электротехнической меди М1 с размерами 20Ч30Ч2 мм. В качестве взрываемого проводника использовали композиционный материал для нанесения покрытий в виде двуслойной медной фольги с заключенными в ней навесками порошков молибдена и графита, взятыми в стехиометрическом соотношении для формирования карбида MoC, который обладает высокой твердостью. Сканирующая электронная микроскопия показала, что поверхность покрытия имеет развитый рельеф. При этом на ней выделяются хаотически расположенные сравнительно гладкие области неправильной формы, суммарная площадь которых составляет 25%. Области с развитым рельефом образованы частицами глобулярной формы, имеющими размеры в пределах от 0,5 до 10 мкм.

В работе [13] было нанесено покрытие на основе порошка EuTroLoy 16006.04 методом плазменно-поршковой наплавки. Были исследованы такие характеристики, как твердость, величина проплавления, дефектность и толщина покрытия. Установлено, что плазменно-порошковая наплавка обеспечивает высокое качество и однородность наплавленного металла. Применение данной наплавки имеет однородное покрытие и характеризуется неразбавленной сталью. При этом твердость наплавляемого покрытия в 2,5 раза превышает твердость основного металла.

Методами металлографии, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии изучены особенности структурно-фазовых состояний поверхностных слоев, сформированных при электровзрывном легировании сталей и сплавов Al, Cu, B + Cu, C, C + В. Установлено, что обработка, сопровождающаяся оплавлением поверхности в условиях действия на нее давления плазменной струи и последующим охлаждением с высокой скоростью, приводит к образованию наноразмерных фаз. Показано, что при различных видах электровзрывной обработки происходит одновременное повышение микротвердости, износо- и жаростойкости поверхности [7].

Что касается метода атомно-силовой микроскопии, в работе [8] представлены результаты комплексных исследований нержавеющей стали 40Х13. Для получения изображений микро- и наноструктур использовали методы оптической, растровой и атомно-силовой микроскопии. С результатами электронной и оптической микроскопии было проведено сопоставление полученных изображений структур и фазового состава стали в трех различных состояниях (после отжига, закалки и высокотемпературного отпуска). Полученные оптические изображения феррито-перлитной структуры с высоким содержанием глобулярных карбидов состава (Сr, Fe)₂₃C₆, которая получается после отжига, сравнивается с результатами исследования растровым и атомно-силовым микроскопами. Показано, что использование атомно-силовой и растровой электронной микроскопии в работе позволяет сделать качественные выводы о микроструктуре стали, которые не только совпадают с данными оптической металлографии, но и превосходят последние по детализации структурных характеристик.

Используя в исследованиях растровый электронный микроскоп, удалось установить, что крупные карбиды расположены по границам ферритных зерен, но и имеется некоторое количество карбидов внутри мелких зерен феррита, также определены размеры включений. После закалки образуется структура, состоящая из грубоигольчатого мартенсита. На изображениях, полученных методом АСМ, удалось получить структуру с явно выраженным игольчатым строением с возможностью построения наглядных трехмерных изображений, чем на изображениях, полученных методом РЭМ. Форма нерастворенных карбидов также оказалась глобулярной.

После высокотемпературного отпуска (сорбит отпуска) структура стали образуется в результате распада мартенсита на феррито-карбидную смесь с выделением карбидов правильной округлой формы. Образовавшиеся одиночные и строчные карбиды (Сr, Fe)₂₃C₆ содержат сильный карбидообразователь - хром, что подтверждается результатами спектрального анализа. Такая структура отличается более высокой прочностью, по сравнению с мартенситом. Для всех состояний приводятся результаты механических испытаний по схеме одноосного растяжения, определена твердость HB.

В работе [9] методами сканирующей атомно-силовой микроскопии и растровой микроскопии приводятся результаты исследования структуры коррозионно-стойкой стали 40Х13. Для проведения металлографических исследований подготовили образцы кубической формы с ребром ? 10 мм. Образцы зажимали в струбцину (жесткое зажатие), шлифовали на абразивных шкурках с понижением размера абразивного зерна. На заключительном этапе производили полировку алмазной пастой - АСМ 1/0.

Подготовленная поверхность шлифа в результате имела шероховатость, не превышающую 15 нм. Для выявления структуры было проведено химическое травление. Определение структурных составляющих стали проводили на комплексе современного оборудования: атомно-силовой микроскоп (Solver PH47-PRO, изготовленный ЗАО «Нанотехнология-МДТ», Зеленоград, Россия [10]). Программное обеспечение прибора Solver PH47-PRO, конструкция, а также тип используемого кантилевера позволяют использовать разные режимы атомно-силового анализа поверхности твердых тел и наблюдать всевозможные особенности структуры на изучаемых поверхностях. Результаты исследования структуры на АСМ представлены на рисунке 1 (а, б). Для получения скан-изображений использовался контактный метод, при осуществлении которого колеблющееся острие зонда микроскопа при сканировании контактирует с поверхностью в нижней части размаха колебаний. Электрический сигнал, соответствующий изгибу кантилевера (упругой балки, измеряющей деформацию) и зависящий от силы взаимодействия зонда микроскопа с поверхностью образца, используется в системе обратной связи прибора для отображения рельефа поверхности, в результате чего получается топография поверхности исследуемой области.

Следует отметить, что изображение, полученное методом АСМ, позволяет фиксировать очень мелкие размеры как зерен, так и карбидов, поэтому средний размер их может несколько отличаться от оптических исследований, но такой результат можно считать более достоверным. Применение метода АСМ в режиме фазовых карт позволило минимизировать силовое воздействие на объект исследования со стороны зонда в полуконтактном методе, улучшить разрешение в методе фазового контраста, сократить время, необходимое для выбора оптимальных параметров сканирования, и повысить воспроизводимость результатов.

Таким образом, проведенные исследования структуры коррозионно-стойкой нержавеющей стали 40Х13 после разных видов термической обработки показали, что атомно-силовая микроскопия является более эффективным и информативным методом, чем оптическая микроскопия, и менее трудоемкой, чем электронная. АСМ позволяет получать трехмерное изображение элементов структуры поверхности материала и надежно оценивать количественные параметры структурных составляющих и фаз. Однако использование атомно-силовой микроскопии в металловедении представляется наиболее оптимальным в сочетании с традиционными методами металлографии.

2. Специальная часть курсового проекта

2.1 Методика исследования электровзрывных покрытий системы Ag-W, полученных на меди, методами оптической и атомно-силовой микроскопии

В данном исследовании на подложку из меди (контакты КПВ-604) были нанесены композиционные покрытия системы Ag-W методом электровзрывного напыления на электровзрывной установке ЭВУ 60/10 (Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк). Электровзрывная установка имеет следующие параметры легирования плазмой, формирующейся при электрическом взрыве серебряной фольги с навеской порошка W: время воздействия плазмы ~ 100 мкс, поглощаемая плотность мощности на оси струи ~ 8,2 ГВт/м², давление в ударно-сжатом слое вблизи поверхности ~18,8 МПа.

Была применена торцевая схема взрыва [3-5], для того чтобы повысить интенсивность теплового воздействия на поверхность материала до ее оплавления и обеспечить этим условия для напыления. Серебряная фольга массой 0,2463 г зажималась между коаксиальными электродами, на которые через вакуумный разрядник подавалось регулируемое напряжение. На серебряную фольгу насыпался порошок вольфрама массой 0,434 г. Покрытия нанесены при тепловом воздействии, вызывающем нагрев поверхности подложки до температуры плавления при двух различных режимах энергетического воздействия, отличающихся значениями поглощающей плотности мощности на коаксиальных электродах: U₁ = 2,4 кВ, U₂ = 2,5 кВ. При разряде емкостного накопителя периферийная область фольги, прилегающая к внешнему электроду-соплу, становится источником конденсированной фазы продуктов взрыва, а участок фольги над центральным электродом, куда засыпается порошок Ag-W, работает как источник ионизированного пара [4].

После проведенного электровзрывного напыления полученные при различных режимах образцы были исследованы на микротвердость по методу Виккерса (микротвердомер HVS-1000A). Нагрузка была постоянной для всех режимов и составляла 0,05 HV.

Исследование структуры профиля поверхности было проведено на металлографическом микроскопе Olympus GX-51.

2.2 Исследование структуры профиля электровзрывных покрытий системы Ag-W, полученных на образцах меди, методами оптической и атомно-силовой микроскопии

При анализе на металлографическом микроскопе профиля электровзрывных покрытий системы Ag-W, выявлено формирование многослойной структуры, которая состоит из низкопористого покрытия, незначительно варьирующей толщины, слоя жидкофазного легирования и слоя термического влияния (рисунок 1). Толщина покрытия равна 49,04 ± 0,7 мкм для режима 1, 68,5 ± 0,9 мкм для режима 2. Измерение толщины покрытий произведено с помощью метода вертикальных секущих.

Покрытия при режиме 2 получилось более однородные по ширине, чем при режиме 1, что может быть объяснено, соответственно, более высокой температуры струи и, значит, скорость диффузии покрытия с подложной до охлаждения оказалась выше.

Из рисунка 1 видно, что при первом режиме обработки в покрытии имеются поры размером от 3-х до 30 мкм. При режиме обработки 2 размер пор уменьшается, по сравнению с режимом 1. Среднее значение размера пор при втором режиме составляет 16 мкм. Анализ толщины покрытий полученных при разных режимах показывает, что при 1 режиме напыления формируется покрытие толщиной порядка 120-132 мкм, при 2 режиме напыления толщина покрытий варьируется в пределах 290-306 мкм. Таким образом, с увеличением поглощающей плотности мощности средний размер пор в покрытии системы Ag-W уменьшается, при этом толщина покрытия увеличивается.

Рис. 1. Структура поперечных сечений электровзрывных покрытий системы Ag-W-Cu, полученных при различных режимах обработки (а - режим 1, б - режим 2).

Рис. 2. Структура поперечных сечений электровзрывных покрытий системы Ag-W-Cu, полученных при различных режимах обработки (а - режим 1, б - режим 2) Стрелками указаны зоны взаимного смешивания покрытия с основой.

Среднее значение толщины слоя с измененным состоянием между покрытием и подложкой равно 14 мкм для режима 1, 18,5 мкм для режима 2. Ширина слоя измененного состояния между подложкой и покрытием растет соответственно увеличению значений поглощающей плотности мощности на коаксиальных электродах.

2.3 Микроиндентирование полученных на медных образцах электровзрывных покрытий системы Ag-W

Таблица 1 - Изменение микротвердости электровзрывных покрытий системы Ag-W на образце № 1

Исследование микротведрости показало, что среднее значение микротвердости покрытия при режиме обработки № 1 равно 380,4 ± 10,58 HV. В подложке значения микротвердости меньше, по сравнению со слоем покрытия, и составляют 93,4 ± 2,60 HV и 113,93 ± 2,28HV на расстоянии 5 и 40 мкм от покрытия, соответственно.

Исследование микротведрости показало, что среднее значение микротвердости покрытия при режиме обработки № 2 равно 457,5 ± 44,93 HV. В подложке значения микротвердости меньше, по сравнению со слоем покрытия, и составляют 119,4 ± 2,03 HV и 122,0 ± 2,68 HV на расстоянии 5 и 40 мкм от покрытия, соответственно.

Таблица 2 - Изменение микротвердости электровзрывных покрытий системы Ag-W при режим № 2

Рисунок 4 - Сравнительная гистограмма микротвердости покрытия системы Ag-W, полученного при различных режимах обработки медных контактов КПВ-604.

Анализируя данные сравнительной гистограммы, можно сделать вывод о том, что режим обработки № 2 имеет большее среднее значение микротвердости слоя покрытия, по сравнению с режимом №1. Оно составляет 457,5 ± 44,93. В подложке значения микротвердости меньше, по сравнению со слоем покрытия, и составляют 119,4 ± 2,03 HV и 122,0 ± 2,68 HV на расстоянии 5 и 40 мкм от покрытия, соответственно.

Также важно отметить, что среднее значение микротвердости на расстоянии 5 мкм от покрытия при всех режимах обработки меньше, чем среднее значение микротвердости на 40 мкм от покрытия. Можно сделать предположение, что причиной этому является термическое влияние, которое реализуется при нанесении покрытия системы Ag-W методом элетровзрывного легирования.

Заключительным этапом комплексного исследования закономерностей формирования электровзрывных электроэрозионностойких покрытий системы Ag-W стала атомно-силовая микроскопия покрытия, полученного при оптимальном режиме воздействия (режим 2). Топография прямого шлифа образца, обработанного по режиму 2, представлена на рисунке 5.

Атомно-силовое изображение позволило установить, что нанесение методом электровзрывного напыления покрытий системы Ag-W на медный контакт при оптимальном режиме обработки приводит к формированию структуры, состоящей из покрытия, слоя измененного состояния и материала подложки. Среднее значение толщины слоя с измененным состоянием, расположенного между покрытием и под ложкой, составляет 16 мкм, что коррелирует с данными, полученными при металлографическом анализе. Изучение распределения высоты рельефа поверхности в зависимости от расстояния представлено на рисунке 5.

Анализ представленного на рисунке 5 графика распределения высоты поверхности Z от расстояния X (исходное изображение представлено на рисунке 4) показывает, что высота профиля покрытия выше высоты подложки, а также слоя с измененным состоянием.

Рисунок 5 - Атомно-силовая микроскопия профиля поверхности покрытия системы Ag-W, напыленного на медный контакт (режим 2).

Рисунок 6 - Распределение высоты рельефа поверхности в зависимости от расстояния (режим 2)

Наибольшее значение высоты рельефа достигается при 40 мкм. Среднее значение высоты в данной точке равно 661,5 нм - эта точка соответствует границе перехода от слоя с измененным состоянием к слою покрытия.

Изучение шероховатости покрытия и материала подложки (меди) при режиме 2 выявило следующие значения шероховатости:

1) среднее значение шероховатости подложки равно 25,397 нм;

2) среднее значение шероховатости покрытия равно 75,412 нм.

Таким образом, анализ атомно-силового изображения показал, что среднее значение шероховатости покрытия больше средних значений шероховатости подложки на 50,015 нм.

Заключение

В ходе данной работы по исследованию электровзрывных покрытий системы Ag-W, сформированных на медных контактах КПВ-604, были подобраны режимы напыления и массы навесок порошка Ag-W, нанесены покрытия методом электровзрывного напыления на медные контакты при различных режимах, проведены металлографические исследования, испытания на микротвердость и атомно-силовая микроскопия полученных покрытий.

Результаты проведения микроиндентирования позволили выявить режим напыления (U₂ = 2,5 кВ), при котором слой покрытия имеет наибольшее среднее значение микротвердости по сравнению с другим исследуемым режимом. Это значение составляет 457,5 ± 44,93 HV, что в 3,8 раза превышает значение микротвердости в медной подложке.

Анализ шероховатости материала при режиме 2 показал, что среднее значение шероховатости покрытия больше средних значений шероховатости подложки на 50,015 нм. Таким образом, нанесение покрытий системы Ag-W на медные контакты способствует повышению их механических и физических свойств. Изученные режимы обработки позволяют значительно увеличить микротвердость поверхностного слоя контактов, а также повысить их электроэрозионно стойкость за счет наличия в покрытии частиц вольфрама, а также сохранить необходимую электропроводность, чему способствует наличие частиц серебра.

Результаты исследования свидетельствуют о том, что покрытия системы Ag-W, полученные на медных контактах, могут быть рекомендованы для использования в конструкторских разработках, направленных на уменьшение электроэрозии контактов и продление срока их службы.

Список литературы

1. Багаутдинов А.Я. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов / А.Я. Багаутдинов, Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов. - Новокузнецк: Изд. СибГИУ. - 2007. - 301 с.

2. Райков С.В. Формирование структуры, фазового состава и свойств поверх-ности титановых сплавов при электровзрывном легировании и последующей элек-тронно-пучковой обработке / С.В. Райков, Е.А. Будовских, В.Е. Громов, Ю.Ф Иванов, Е.С. Ващук - Новокузнецк: Изд-во «Полиграфист», 2015. - 290 с.

3. Астапчик С.А. Лазерные технологии в машиностроении и металлообработке / С.А. Астапчик, В.С. Голубев, А.Г. Маслаков - Минск: Белорусская наука, 2008. - 251 с.

4. Латыпов Р.Р. Технологии лазерной обработки конструкционных и инстру-ментальных материалов в авиадвигателестроении: учеб. пособие / Р.Р. Латыпов, Н.Г. Терегулов, А.М. Смыслов, А.В. Лобанов; под. общ. ред. В.Ф. Безъязычного. - М.: Машиностроение, 2007. - 234 с.

5. Девойно, О.Г. Лазерная обработка износостойких газотермических композиционных покрытий / О.Г. Девойно, А.С. Калиниченко, М.А. Кардаполова. - Минск: БНТУ, 2011. - 159 с.

6. Углов В.В. Модификация материалов компрессионными плазменными потоками / В.В. Углов, Н.Н. Черенда, В.М. Анищик, В.М. Асташинский, Н.Т. Квасов. - Минск: БГУ, 2013. - 248 с.

7. Тюрин Ю.Н. Плазменные упрочняющие технологии / Ю.Н. Тюрин, М.Л. Жадкевич. - Киев: Наукова думка, 2008. - 216 с.

8. Коваль Н.Н. Наноструктурирование поверхности металлокерамических и керамических материалов при импульсной электронно-пучковой обработке / Н.Н. Коваль, Ю.Ф. Иванов // Изв. вузов. Физика. - 2008. - № 5. - С. 60-70.

9. Иванов Ю.Ф. Низкоэнергетические электронные пучки субмилли-секундной длительности: получение и некоторые аспекты применения в области материаловедения - Гл. 13 в книге «Структура и свойства перспективных металлических материалов». - С. 345-382 / Ю.Ф. Иванов, Н.Н. Коваль; под общ. ред. А.И. Потекаева. - Томск: Изд-во НТЛ, 2007. - 580с.

10. Гречанюк Н.И. Промышленная электронно-лучевая установка L-8 для осаждения теплозащитных покрытий на лопатки турбин / Н.И. Гречанюк, П.П. Кучеренко, А.Г. Мельник, Д.В. Ковальчук, И.Н. Гречанюк // Автоматическая сварка. - 2014. - № 10. - С. 48-53.

11. Vashchuk E.S. Electroexplosive boron-copper plating and subsequent electron-beam treatment of steel 45 / E.S. Vashchuk, D.A. Romanov, E.A. Budovskikh and Y.F. Ivanov // Steel in Transl. - 2011. - Vol. 41(6). - P. 469?474.

12. Romanov D.A. Surface relief and structure of electroexplosive composite surface layers of the molybdenum-copper system / E.S. Vashchuk, D.A. Romanov, E.A. Budovskikh and Y.F. Ivanov// J. Of Surf. Invest.: X-Ray, Synch. And Neutr. Tech. - 2011. - Vol. 5(6). - P. 1112?17.

13. Ivanov Y.F. Formation of nanocomposite layers at the surface of VT1-0 titanium in electroexplosive carburization and electron-beam treatment / Y.F. Ivanov, E.A. Budovskikh, V.E. Gromov, L.P. Bashchenko, N.A. Soskova and S.V. Raikov // Steel in Transl. - 2012. - Vol. 42(6). - P. 499?501.

14. Haviland D.B. Quantitative force microscopy from a dynamic point of view/ D.B. Haviland//Current Op. in Coll. & Int. Sci. - 2017. - Vol. 27. -P. 74-81.

15. Yuan L. Effect of surface finishing on early-stage corrosion of a carbon steelstudied by electrochemical and atomic force microscope characterizations/ L. Yuan and Y.F Cheng.// App. Surf. Sci. - 2016. - Vol. 366. - P. 96-103.

16. Lee S.W. Mechanical properties of suspended individual carbon nanotube studied by atomic force microscope/ S.W. Lee// Synt. Met. - 2016. - Vol. 216. - P. 88-92.

17. Rotshtein V. Materials surface processing by directed energy techniques. Surface treatment of materials with lowenergy, highcurrent electron beams. / V. Rotshtein, Yu. Ivanov, A. Markov. Charter 6in Book / Ed. by Y. Pauleau. - Grenoble: Elsevier, 2006. - 763р.

18. Пантелеенко Ф.И. Формирование структуры и свойств зоны сплавления при плазменно-порошковой наплавке покрытия типа EuTroLoy 16006.04 / Ф.И. Пантелеенко, В.В. Захаренко, М.В. Специан. - Минск: БНТУ, 2017.54 - 57 с.

Размещено на Allbest.ru