CC BY
11
УДК 621.793
Попов В.А., Вершинина Е.В., Ковальчук М.Н., Попова Е.В.
РАЗРАБОТКА СПОСОБА НАНЕСЕНИЯ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ
Попов Владимир Алексеевич, д.т.н., ведущий научный сотрудик кафедры металловедения цветных металлов, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия
Вершинина Екатерина Владимировна, к.т.н. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия,
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 e-mail:kaver@yandex.ru
Ковальчук Марина Николаевна, ведущий технолог, Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, г.Черноголовка, Московская область, Россия
Попова Екатерина Владимировна, студентка 2 курса, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации, Россия
Нанесение качественных нанокомпозиционных покрытий с металлической матрицей является сложной технологической задачей, требующей квалифицированных исследований. Нанокомпозиционные покрытия позволяют значительно повысить износостойкость рабочей поверхности изделий при снижении общего количества исходного материала. Авторы предлагают практический способ нанесения покрытий на медной основе с наноалмазными упрочняющими частицами, отличительной особенностью которых является присутствие алмазных частиц в неагломерированном состоянии в композите.
Ключевые слова: нанокомпозиты с металлической матрицей, наноалмазы, механическое легирование, фрикционное плакирование.
DEVELOPMENT OF DEPOSITION OF NANOCOMPOSITE COATING MATERIAL
Popov V.A., Vershinina E.V., Kovalchuk M.N.**, Popova E.V.***
The National Science and Technology University «MISIS»
*D.Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
**The Institute of Microelectronics Technology and High-Purity Materials of the Russian Academy of Sciences, Chernogolovka, Moscow region, Russia
*** The Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education I.M.Sechenov First Moscow State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation
The application of high-quality metal matrix nanocomposite coatings is a complicated technological task requiring skilled research. Nanocomposite coatings can significantly increase the wear resistance of the working surface ofproducts with a substantial reduction of the total amount of the base material. The authors propose a practical method for depositing copper-based coatings with nanodiamond reinforcing particles, the distinguishing feature of which is the presence of diamond particles in the non-agglomerated state in the composite.
Keywords: metal matrix nanocomposites, nanodiamonds, mechanical alloying, friction cladding.
Введение
Создание новых материалов с заданными исходными свойствами - одно из перспективных направлений развития науки и техники. Современная промышленность постоянно формирует запрос на новые материалы, обладающие свойствами, которые отсутствуют или слабо выражены в стандартных промышленных металлах, сплавах, полимерах и т. п. Композиты на металлической основе, упрочненные наноалмазными частицами, - пример
многообещающего практического решения задачи разработки новых материалов для повышения износостойкости рабочих поверхностей деталей [1].
Одним из существенных недостатков композиционных покрытий с наноалмазными частицами является присутствие последних в агломерированном состоянии, что негативно сказывается на прочностных свойствах всего покрытия. При исходном размере алмазной частицы 4-6 нм, размер агломерированного комплекса может достигать сотен микрометров. Воздействие внешней и особенно циклической нагрузки на покрытие с агломерированными частицами ведет к разделению
последних и, как итог, к разрушению всего композиционного комплекса.
В настоящих тезисах приводятся результаты разработки технологии получения композиционных материалов на медной основе с упрочняющими алмазными частицами, находящимися в неагломерированном состоянии.
Методика проведения исследований и применяемое оборудование
Исходными материалами являлись порошки меди с размером частиц до 100 мкм и наноалмазы, содержание которых равнялось 20%. В качестве основного технологического приема авторы использовали метод механического легирования [2, 3], который позволяет достигнуть неагломерированного состояния наноалмазных частиц в металлической матрице. Обработку исходной смеси проводили в планетарной мельнице марки Retsch РМ400 в атмосфере аргона без применения поверхностно-активных веществ в герметически закрытих барабанах объемом 500 мл. Мелющими телами являлись шары из хромистой стали диаметром 12 мм. Отношение массы шаров к массе обрабатываемого материала составляло 7:1. После двух минут обработки мельницу
останавливали для охлаждения барабанов на 2 мин. Время охлаждения не учитывалось в общем времени обработки, которое составило 8 часов. Средний размер полученных композиционных гранул равнялся 50 мкм. Гранулы были скомпактированы при температуре 400 °С в заготовки в виде колец диаметром 50 мм.
Подготовленный нанокомпозиционный материал наносили на рабочую поверхность изделия в качестве покрытия с использованием метода фрикционного плакирования. Последний является одним из эффективных комбинированных методов упрочнения и защиты поверхности металлических изделий и подробно описан в работах [4, 5].
Исследование структуры сформировавшегося покрытия проводили при помощи оптического микроскопа Axiovert 200M MAT (Carl Zeiss, Германия) и двулучевого растрового электронного микроскопа Helios Nanolab 600i. Результаты и их обсуждение
Исследование и анализ способа получения композитов с неагломерированными наноалмазными упрочняющими частицами методом механического легирования выявили следующее. При размоле с использованием мелющих тел одновременно происходят процессы дробления исходных частиц и сварки или формирования композиционной частицы за счет пластической деформации металлической основы и «вдавливания» в нее твердой алмазной частицы. В процессе размола происходит дезинтегрирование исходных алмазных
конгломератов, и переход последних в неагломерированное состояние. Поперечное сечение гранулы на металлической основе с неагломерированными алмазными наночастицами
Рис. 1. Равномерное распределение неагломерированных наноалмазных частиц в медной матрице При анализе формирования покрывного слоя методом фрикционного плакирования были получены следующие результаты. Заготовки фиксировали в специальном вращающемся держателе, что обеспечивало равномерный съем композиционного материала металлическими щетками и перенос его на обрабатываемую поверхность. Исследование поверхности колец из различных вариантов композиционных покрытий показывает, что щетки снимают незначительный слой (до 10-20 мкм) материала, во много раз меньший размера гранулы. Это говорит о том, что при фрикционном плакировании происходит дополнительное дробление составляющих композиционного материала, что, в свою очередь, гарантирует равномерное распределение
упрочняющих частиц в материале покрытия. Вид поперечного сечения покрытия из композита «медь+20%наноалмазов» с неагломерированными алмазными частицами на стальной рабочей поверхности предславено на рисунке 2. Значения микротвердости готового покрытия приводятся в таблице 1.
Ч .
50 мкм
Рис. 2. Поперечное сечение нанокомпозиционного покрытия «медь+20%наноалмазов» Таблица 1. Микротвердость медных композиционных покрытий, нанесенных на стальную поверхность методом
фрикционного плакирования
Материал Микротвердость, HV 0,1
Cu - 20% НА 610±100
Латунь Л62 + 10% НА 540 ± 65
Заключение
Показана возможность получения покрытий из металломатричных композитов с медной матрицей и неагломерированными наноалмазными
упрочняющими частицами. Достигнутые в ходе экспериментов результаты позволят продолжить исследования в данном направлении с целью разработки износоустойчивых композиционных покрытий на рабочих поверхностях изделий. Авторы благодарны А.Просвирякову, М.Преснякову и Л.Белевскому за оказанную при исследованиях помощь.
1. Popov, V.A. Metal matrix composites with non-agglomerated nanodiamond reinforcing particles / V.A.Popov // In: Xiaoying Wang (Ed.) "Nanocomposites: Synthesis, Characterization and Applications» / V.A.Popov - Nova Science Publishers, New York. -2013. - P. 369-401.
2.Benjamin, J.S. The Mechanism of mechanical alloying / J.S. Benjamin, T.E.Volin // Met. Trans. - 1974. - V. 5. - № 8. - P. 1929 - 1934.
3.Popov, V.A. Application of nanodiamonds for "in-situ" synthesis of TiC reinforcing nanoparticles inside aluminium matrix during mechanical alloying / V.A.Popov, E.V.Shelekhov, A.S.Prosviiyakov, M.Y.Presniakov, B.R.Senatulin, A.D.Kotov, M.G.Khomutov, I.I.Khodos // Diamond and Related Materials. - V. 75. - 2017. - P. 6-11.
4.Белевский, Л.С. Нанесение защитных металлических покрытий механическим способом / Л.С.Белевский // Защита металлов. - 1988. - Т. 24. - № 2. - С. 323-325.
5.Belevskiy, L. Enhancement of Reliability of Machines and Materials by Friction Plating / L.Belevskiy, V.Popov, S.Tulupov [et al.] // Advanced Materials Research. - V. 59. -2009. - P. 46-50.
