CC BY
39
Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (11), 2015
УДК 669.716:621.785
В. Г. Шморгун1, О.В. Слаутин1, А. С. Кайгородов2, Д.А. Евстропов1, Р.Е. Новиков1
волгоградский государственный технический университет 2Институт электрофизики УРО РАН
МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ КУПРИДОВ ТИТАНА В ТЕМПЕРАТУРНОМ ИНТЕРВАЛЕ 20 - 400 °С*
В металлургическом производстве значительную часть себестоимости продукции составляют затраты на ремонт оборудования, поэтому повышение износостойкости медных стенок кристаллизаторов в машинах непрерывного литья является актуальной задачей [1]. При движении металла через кристаллизатор в зоне взаимодействия поверхностей идет значительный абразивный износ, который приводит к изменению исходной геометрии кристаллизатора, после 4-8 циклов использования медные стенки утилизируются.
Одним из путей решения данной проблемы является формирование на поверхности меди интерметаллидного покрытия, физикомеханические и эксплуатационные свойства которого определяются его составом и зависят от режимов и способа получения [2 - 4].
Целью настоящей работы является исследование структуры и микромеханических свойств интерметаллидных покрытий на основе купридов титана, сформированных на поверхности медной подложки.
Получение покрытия на поверхности медной подложки включало сварку взрывом пластин меди марки Ml толщиной 5 мм и титана марки ВТ 1-0 толщиной 4 мм, термическую обработку полученного биметалла при 900 °С в течение 10 мин (время выдержки при контактном плавлении обеспечивало наличие непрореагировавшего слоя титана), механическое удаление титанового слоя.
Исследования микроструктуры покрытия осуществляли на оптическом микроскопе Olympus ВХ61. Химический состав определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа Versa 3D Dual Beam. Шероховатость поверхности оценивали на установке Zygo NewView 500. Микромеханические свойства определяли с помощью наномеханического комплекса Nanotest-600 (Micro Materials Ltd., U.К.). Для определения микротвердости ис-
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-19-00418).
пользовали трехгранную алмазную пирамидку Берковича, количество уколов в серии - 10.
При проведении измерений обеспечивали плоско-параллельную геометрию образцов, которые приклеивали к нагреваемой подложке с помощью высокотемпературного клея. Экспериментальные данные обрабатывали с использованием специализированных пакетов прикладных программ.
Металлографические исследования показали, что толщина сформированного на поверхности медной подложки покрытия составляет около 300 мкм. Его основными структурными составляющими являются структурно свободные интерметаллиды (3TiCu4 (22,15 % Ti, 77,85 % Си (ат.)) и TiCu2 (30,84 % Ti, 69,16 % Си (ат.)), на поверхности присутствует интер-металлид Ti3Cu4 (41,78 % Ti, 58,22 % Си (ат.)) (рис. 1).
При определении шероховатости поверхности покрытия за величину 11, принимали шероховатость на площади 700x500 мкм. Значения усредняли минимум по 10 измерениям. Для медной подложки Ra = 315 ± 129 нм, для покрытия Ra = 671 ± 108 нм (в качестве ошибки приводится стандартное отклонение значений) (рис. 2). Полученные результаты: PV = 5,298 мкм; rms 0,902 мкм; Ra = 0,746 мкм.
На рис. 3 представлены зависимости изменения микротвердости меди и покрытия от температуры испытания с учетом термического дрифта. Анализ показывает, что в исследованном интервале температур микротвердость покрытия примерно в 3,6 раза выше микротвердости чистой меди, причем зависимость имеет немонотонный характер, более четко выраженный для чистой меди. Последнее является результатом взаимодействия двух конкурирующих процессов: окисления поверхности с образованием более твердого оксидного химического соединения и ее разупрочнения в результате нагрева. Очевидно, что до 200 °С преобладает первый процесс, что приводит к увеличению микротвердости (этот эффект мо-
- 13 -
Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (11), 2015
Рис. 1. Структура (а) и внешний вид (б) покрытия из купридов титана, сформированного на поверхности медной подложки
жет быть исключен при измерении микротвердости в инертной атмосфере).
Выводы. Термическая обработка сваренного взрывом биметалла медь - титан при режимах, обеспечивающих контактное плавление на его межслойной границе, позволяет после механического удаления титанового слоя формировать на поверхности меди интерметаллидное покрытие с фазовым составом (3TiCu4 + TiCu2 +Ti3Cii4, шероховатость которого составляет 671 ± 108 нм. В исследованном интервале температур 20 - 400 °С микротвердость покрытия в 3,6 раза выше микротвердости меди.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пшеничников А.П., Колесник о-в а К.А., Б е л ю к С.И. Повышение износостойкости медных стенок кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок. - В кн.: Материалы XVII Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» СТТ-2012. - Томск: изд. ТПУ, 2012. Т. 2.
С. 215, 216.
Рис. 2. Вид (скан) основного окна ПО MetroPro для прибора Zygo NewView 500
2. Reza Bateni M., S z p u n a r J.A., Ashrafizadeh F., Zandrahimi M. The effect of novel Ti - Cu intermetallic compound coatings on tribological properties of copper // The annals of university “dunarea dejos“ of galap fascicle VIII, tribology 2003 ISSN 1221-4590. P.55 - 62.
3. Шморгун В.Г., Артемьев А.А., Антонов А.А., Евстропов Д.А., Бондаренко Ю.И. Структура и трибологические свойства покрытий на основе купридов титана // Известия ВолгГТУ. Межвуз. сб. науч. ст. № 23 (150). - Волгоград: изд. ВолгГТУ, 2014. С. 30 - 32.
4. Шморгун В.Г., С л а у т и и О.В., Евстропов Д.А., Т а у б е А.О., Бондаренко Ю.И. Структура и механические свойства металло-интерметаллидных композитов системы Ti - Си // Вестник СибГИУ. 2014. № 1.С. 3-6.
© 2015 г. В.Г. Шморгун, О,В. Слаутин, А. С. Кайгородов, Д.А. Евстропов, Р.Е. Новиков Поступила 27 января 2015 г.
Рис. 3. Зависимость микротвердости меди (-) и покрытия (-----------) от температуры испытания
- 14 -
