Table Of ContentФизика и xимия обработки материалов
2011, №5, с.51-55
УДК 621.793
Рельеф поверхности и структура композиционных
поверхностных слоев систем W-Cu и Mo-Cu,
сформированных электровзрывным способом
© 2011 Д.А.Романов, Е.А.Будовских, В.Е.Громов
Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк
E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
Поступила в редакцию 17 февраля 2011 г.
Методами профилометрии и оптической микроскопии изучены рельеф поверхности, особенности
строения и структура легированных вольфрамом или молибденом медных покрытий, напыленных
электровзрывным способом на медную подложку. Показано, что покрытия имеют слоистую или
наполненную композиционную структуру. На границе раздела покрытие–подложка формируется
зона перемешивания Cu с W или Mo толщиной несколько микрометров.
Ключевые слова: электровзрывное легирование, псевдосплавы, глубокое проникание частиц.
With the help of profilometry and optical microscopy, the surface relief, composition and structure of Cu
coatings alloyed with W or Mo and deposited on a copper substrate by electroexplosive technique have
been studied. It is shown that the coatings have a layered or filled composite structure. At the coating–
substrate interface Cu/W or Cu/Mo mixing zone is formed with the thickness of several micrometers.
Keywords: electroexplosive alloying, pseudoalloys, deep penetration of the particles.
Введение торый позволяет осуществлять либо электровзрывное
напыление покрытий, либо электровзрывное леги-
Композиционные материалы системы W-Cu и рование поверхностных слоев металлов и сплавов
Mo-Cu обладают более на порядок высокой стой- продуктами электрического взрыва проводников [4].
костью к электрической эрозии по сравнению с В данной работе проводилось электровзрывное
контактной медью [1]. Способы получения объемных формирование композиционных слоев систем W-Cu
материалов этих систем могут быть различными [2], и Mo-Cu при различных режимах обработки и
однако в некоторых случаях, например, для упроч- изучены особенностей рельефа их поверхности,
нения контактных поверхностей средне- и тяжело- строения и структуры.
нагруженных выключателей и коммутационных
аппаратов, когда более важной является электроэро- Методика эксперимента
зионная стойкость поверхности контакта, а не его
объема, представляется перспективным формиро- Электровзрывную обработку проводили на
вание на них поверхностных слоев W-Cu и Mo-Cu [3]. лабораторной установке ЭВУ 60/10 [4], в которую
В последние годы разрабатывается способ обработки входит емкостный накопитель энергии и импульсный
поверхности многофазными плазменными струями плазменный ускоритель, состоящий из коаксиально-
продуктов электрического взрыва проводников, ко- торцевой системы электродов с размещенным на них
52
Д.А.Романов, Е.А.Будовских и др. Рельеф поверхности и структура композиционных...
проводником, разрядной камеры, локализующей Результаты и обсуждение
продукты взрыва и переходящей в сопло, по которому
они истекают в вакуумную технологическую камеру Электровзрывные покрытия со слоистой
с остаточным давлением 100 Па. Электровзрыв структурой
инициировался пропусканием через проводник
высокой плотности тока при разряде накопителя. Данные оптической интерферометрии показы-
Обработке подвергались контактные поверхности из вают, что среднее арифметическое отклонение
электротехнической меди М1 площадью 4 см2. профиля рельефа поверхности покрытия со слоистой
Данным методом можно формировать компо- структурой составляет R =3,2 мкм. Такое высокое
a
зиционные покрытия со слоистой или наполненной значение параметра шероховатости обусловлено
структурой. Режим термосилового воздействия на
облучаемую поверхность задавался выбором за-
а
рядного напряжения емкостного накопителя энергии
установки, по которому рассчитывалась плотность
поглощаемой мощности [4], которая при форми-
ровании покрытий со слоистой структурой обеспе-
чивала нагрев облучаемой поверхности до темпе-
ратуры плавления, а при формировании покрытий с
наполненной структурой — оплавление поверхно-
стного слоя покрытия и жидкофазное перемешивание
меди и вольфрама или меди и молибдена.
При формировании композиционных покрытий
со слоистой структурой W-Cu или Mo-Cu осуществ-
ляли процесс электровзрывного напыления на под-
ложку частиц порошков W или Mo, размещаемых на
б
медной фольге, вырезанной под диаметр внутреннего
электрода электровзрывного ускорителя. Толщина
фольги составляла 10 мкм, масса — 5 мг, масса
навески порошка Mo составляла 0,8 г, порошка W —
0,9 г. После напыления поверхность образцов
обрабатывали плазменной струей, сформированной
из продуктов электрического взрыва медной фольги
диаметром 50 мм, толщиной 10 мкм и массой 175 мг.
Плотность мощности, поглощенной медной фольгой,
составляла 4,5 ГВт/м2 при напылении W и Mo и 3,7 и
6,5 ГВт/м2, соответственно, при напылении медного
покрытия на Mo и W слои.
Для формирования композиционных покрытий в
с наполненной структурой подложку с напыленными
слоями W или Mo (4,5 ГВт/м2) подвергали электро-
взрывному легированию плазменной струей, сфор-
мированной из продуктов электрического взрыва
медной фольги, при интенсивности воздействия 7,6 и
8,1 ГВт/м2 соответственно. Для увеличения тол-
щины упрочненных слоев обработку проводили
повторно.
Исследования топографии поверхности и струк-
туры покрытий проводили с использованием опти-
ческого интерферометра Zygo NewViewTM 7300 и
оптического микроскопа Carl Zeiss AxioObserver A1m. Рис.1. Структура поперечного сечения слоистых электро-
Перед исследованиями шлифы подвергали хими- взрывных покрытий: а — система W-Cu; б — система
ческому травлению в растворе 3 г FeCl + 2,5 мл HCl + Mo-Cu; в — граница Mo слоя с подложкой. Стрелкой
3 показана частица Mo в медной подложке ниже слоя
100 мл С H OH.
2 5 Mo покрытия. Оптическая микроскопия, прямой шлиф.
Физика и химия обработки материалов 2011, №5
Д.А.Романов, Е.А.Будовских и др. Рельеф поверхности и структура композиционных... 53
способом получения покрытия, для которого ха-
а
рактерно осаждение на поверхность преимущест-
венно жидких частиц продуктов электровзрыва
фольги и частиц металлических порошков из тыла
струи, с последующей самозакалкой [4].
Результаты микроскопических исследований
поперечных сечений покрытий свидетельствуют, что
толщина слоев W и Cu составляет 15-30 и 40-45 мкм
соответственно (рис.1а). Толщина слоев Mo и Cu в
таких покрытиях составляет 25-30 мкм (рис.1б). Эти
значения сопоставимы с толщиной слоев покрытий, б
получаемых электронно-лучевым испарением [3]. На
границе отдельных слоев покрытия с медной под-
ложкой вследствие термосилового воздействия
плазменной струи на поверхность, нагреваемую до
температуры плавления, формируется мелкораз-
мерный волнообразный рельеф (рис.1в), что увели-
чивает адгезию покрытия. При увеличении интенсив-
ности воздействия на поверхность происходит иска-
жение границ раздела поверхностного слоя с под-
ложкой и между отдельными слоями, что приводит к
разрушению слоистой структуры. Важной особен-
ностью такой обработки является проникновение
отдельных частиц W и Mo в подложку на глубину до
нескольких микрометров (рис.1в).
Электровзрывные покрытия с наполненной в
структурой
Профилометрические исследования показали,
что при меднении предварительно напыленного слоя
W с использованием более жесткого режима электро-
взрывного легирования параметр шероховатости для
базовой поверхности R =3,6 мкм (рис.2а), а для
a
базовой длины, когда секущая была проведена по Рис.2. Шероховатость поверхности электровзрывных
покрытий: а — распределение неровностей рельефа
наибольшим неровностям профиля, R =4,1 мкм
a по высоте; б — положение секущей (вид сверху); в —
(рис.2б, в). Единичный выступ профиля высотой
распределение неровности вдоль базовой длины.
28,4 мкм и впадина глубиной 13,5 мкм обусловливают Оптическая интерферометрия.
высокие значения наибольшей высоты профиля для
базовой поверхности R =41,9 мкм (рис.2а) и для мальная для данных условий работы шероховатость
max
базовой длины R =24,7 мкм (рис.2б, в). Увеличение поверхности.
max
параметра R покрытий с композиционной напол- По данным микроскопических исследований,
a
ненной структурой по сравнению со слоистыми толщина W-Cu и Mo-Cu покрытий с наполненной
покрытиями связано с тем, что они были получены структурой составляет 40 мкм. После обработки
при электровзрывной обработке в более интенсивных плазменной струей, образующейся при электро-
режимах воздействия на поверхность, когда наблю- взрывном разрушении медной фольги, на поверх-
дается конвективное перемешивание расплава [4]. ности W слоя формируется структура с глобуляр-
Однако в любом случае шероховатость поверхности, ными включениями частиц W размером ~10 мкм
получаемой при электровзрывном напылении (светлые области на рис.3а) в медной матрице.
покрытий, не ограничивает применение метода для Наблюдаются также частицы W субмикронного
упрочнения контактных поверхностей, так как размера, часть которых выкрашивается в процессе
известно [5], что при эксплуатации происходит их приготовления шлифа. Такая же обработка Mo слоя
приработка, в результате которой достигается опти- приводит к формированию аналогичной структуры
Физика и химия обработки материалов 2011, №5
54
Д.А.Романов, Е.А.Будовских и др. Рельеф поверхности и структура композиционных...
а б
в г
Рис.3. Зона электровзрывного легирования с композиционной наполненной структурой: а —псевдосплав W-Cu; б — зона
проникновения W в Cu на границе с медной подложкой; в — псевдосплав Mo-Cu; г — зона проникновения Mo в Cu на
границе с медной подложкой. Стрелками показаны частицы W (б) и Mo (г). Оптическая микроскопия, косой шлиф.
с глобулярными включениями Mo размером ~10 мкм Эффект глубокого (~1 мкм) проникновения частиц
(светлые области на рис.3в) в медной матрице. Cu в углеродистую сталь 45 наблюдался при электро-
Подобная структура по классификации [3] может взрывном распылении медной фольги, а частиц Mo
быть названа композиционной дисперсно-упроч- в медь — при электровзрывном распылении молиб-
ненной, а по классификации [6] — композиционной деновой фольги [9]. Все это свидетельствует об
наполненной. общем механизме формирования псевдосплавов из
Как и при формировании покрытий со слоистой несмешивающихся компонентов при электровзрыв-
структурой, на границе композиционных напол- ном распылении и легировании.
ненных покрытий с подложкой образуется зона
взаимного перемешивания W и Cu или Mo и Cu, в Выводы
которой изолированные включения W или Mo
микронных размеров равномерно распределены в Электровзрывным способом получены компо-
медной матрице (рис.3б, г). Электровзрывная обра- зиционные покрытия из несмешивающихся компо-
ботка частицами W и Mo, разогнанными до скорости зиций W-Cu и Mo-Cu со слоистой и наполненной
0,5-2,5 км/с, при времени воздействия 100 мкс структурой. Параметр шероховатости R покрытий
a
обеспечивает получение локальной плотности напы- со слоистой структурой равен 3,2 мкм, с наполненной
ленных частиц более 1 г/см3 [4], что соответствует структурой — 3,6 мкм.
области параметров, характерных для явления Тип формирующейся структуры зависит от
сверхглубокого проникания ускоренных взрывом интенсивности термосилового воздействия на
микрочастиц в металлы [7]. Формирование анало- обрабатываемую поверхность. При обработке без
гичной структуры при обработке поверхности Al оплавления поверхности формируются покрытия со
импульсной плазменной струей, сформированной слоистой структурой, обработка с оплавлением
магнитоплазменным ускорителем, наблюдали в [7,8]. приводит к формированию микрокристаллической
Физика и химия обработки материалов 2011, №5
Д.А.Романов, Е.А.Будовских и др. Рельеф поверхности и структура композиционных... 55
композиционной наполненной структуры “медная 3. Гречанюк Н.И., Осокин В.А., Гречанюк И.Н. и др.
матрица–W или Mo включения” с относительно Композиционные материалы на основе меди и молибдена
равномерным распределением W или Mo по объему для электрических контактов, конденсированные из
паровой фазы. Структура, свойства. Технология.
медной матрицы.
Часть 1. Современное состояние и перспективы приме-
Толщина слоев W и Cu или Mo и Cu в покрытиях
нения технологии электронно-лучевого высокоско-
со слоистой структурой составляет 30 мкм, в покры-
ростного испарения-конденсации для получения
тиях с наполненной структурой — 40 мкм. Размер
материалов электрических контактов. Современ.
частиц W или Mo включений в медной матрице электрометаллургия, 2005, №2, с.28-35.
варьируется от 1 до 10 мкм. На границе покрытия с 4. Багаутдинов А.Я., Будовских Е.А., Иванов Ю.Ф.,
подложкой при напылении W или Mo формируется Громов В.Е. Физические основы электровзрывного
зона взаимного перемешивания, механизм образо- легирования металлов и сплавов. Новокузнецк.:
вания которой аналогичен механизму сверхглубокого СибГИУ, 2007, 301 с.
5. Сафонов Л.И., Сафонов А.Л. Электрические прямо-
проникания ускоренных частиц в металлы.
угольные соединители. Трение и износ в контактных
парах электрических соединителей. Технологии в
Работа выполнена при поддержке ФЦП
электрон. промышленности, 2003, №8, с.34-39.
“Научные и научно-педагогические кадры иннова-
6. Мэттьюз М., Ролингс Р. Композиционные материалы.
ционной России на 2009-2013 гг.”, гос. контракт Механика и технология. М.: Техносфера, 2004, 406 с.
№14.740.11.1154, и гранта РФФИ, проект №10-07- 7. Сивков А.А., Ильин А.П., Громов А.М., Бычин Н.В.
00172-а. Сверхглубокое проникание вещества высокоскорост-
ного плазменного потока в металлическую преграду.
ФХОМ, 2003, №1, с.42-48.
Литература
8. Сивков А.А. О возможном механизме “сверхглубокого
проникания” микрочастиц в твердую преграду.
1. Анисимов А.Г., Мали В.И. Исследование возможности
Письма в ЖТФ, 2001, т.27, вып.16, с.59-64.
электроимпульсного спекания порошковых нанострук-
9. Романов Д.А. Формирование слоев электротехниче-
турных композитов. Физика горения и взрыва, 2010,
ского назначения на металлических контактных
№2, с.135-139.
поверхностях электровзрывным способом. Тр. V
2. Тихий Г.А., Малинов В.И., Качалин Н.И., Белов В.Ю.,
(XXXVII) междунар. конф. “Образование, наука
Никитин В.И. Способ получения молибден-медного
инновации — вклад молодых исследователей”. 19-24
композиционного материала. Пат. РФ №2292988. МПК
апреля 2010, Кемерово. Кемерово: КемГУ, 2010,
B22F 3/12, С22С 1/04. Опубл. 10 02 2007, Бюл. №4.
вып.11, т.2, с.609-612.
Физика и химия обработки материалов 2011, №5
