В ТГУ просто и недорого продлили жизнь деталям из меди
Учёные Тольяттинского государственного университета разработали технологию упрочнения поверхности медных изделий – с помощью купридов магния. Процесс отличается низкой трудоемкостью, не требует сложного оборудования, а полученное покрытие в несколько раз твёрже исходной меди. Это особенно важно в электротехнике и машиностроении, где продление срока службы детали напрямую снижает себестоимость производства.
Медь – один из самых востребованных цветных металлов в промышленности. Её используют там, где нужна высокая электропроводность, теплопроводность, хорошие антифрикционные свойства: от электродвигателей до подшипников скольжения. Но у этого металла есть слабое место – невысокая твёрдость и низкая износостойкость. Из-за этого срок службы медных изделий невысокий, детали приходится менять чаще.
Упрочнять поверхность меди пытаются разными способами: добавляют легирующие элементы, измельчают структуру, синтезируют сложные композиты, но эти методы, как правило, дороги, энергозатратны или технологически сложны. Исследователи из Тольяттинского государственного университета предложили новый метод: формировать на поверхности меди сверхпрочное покрытие из интерметаллидов — химических соединений меди и магния. На поверхность медного изделия помещают навеску магния, засыпают специальной солью (активирующим флюсом) и нагревают до 750–800 °C. Магний плавится, растекается и вступает в химическую реакцию с медью.
– Уже через 7 минут мы получаем покрытие твёрдостью от 100 до 185 кгс/мм². Для сравнения: у обычной меди твёрдость около 30–40 кгс/мм². То есть поверхность становится твёрже в 3–6 раз, на уровне конструкционной стали, – поясняет один из авторов исследования, доцент кафедры «Сварка, обработка материалов давлением и родственные процессы» ТГУ, профессор Александр Ковтунов. – При этом метод не требует наличия вакуумных камер, сложных газовых атмосфер, дорогих легирующих добавок, а также длительных термических циклов. Достаточно обычной лабораторной или производственной печи и доступных материалов – магния и флюса.
В процессе экспериментов специалисты системно исследовали, как разные флюсы влияют на состав, структуру и свойства покрытия, так как необходимо обеспечивать одновременно хорошее растекание магния и нужные механические свойства покрытий.
– Покрытия с максимальной твёрдостью (до 185 кгс/мм²) хрупки и могут применяться там, где деталь не испытывает ударных нагрузок, а покрытия с твердостью около 100 кгс/мм² более пластичные и без микротрещин, они подходят для работы в сложных условиях. Свойства покрытий определяются технологическими режимами процесса и составом флюса, – говорит младший научный сотрудник кафедры «Сварка, обработка материалов давлением и родственные процессы» ТГУ Юрий Хохлов. – Флюс не только очищает поверхность магния от оксидной плёнки, но и может легировать покрытие компонентами, повышающими механические свойства покрытия на основе купридов магния.
Технология решает конкретные промышленные задачи. Например, в электрических контактах и шинах она, упрочняя рабочую поверхность, позволяет значительно повысить время эксплуатации изделий. Для антифрикционных деталей, таких как втулки и подшипники скольжения, твёрдое покрытие продлевает срок службы, а медная сердцевина обеспечивает высокую теплопроводность.
Метод также можно использовать для защиты от абразивного износа там, где медная деталь соприкасается с другой поверхностью. Важно и то, что технология не требует дорогих зарубежных установок или дефицитных легирующих материалов — всё необходимое, включая магний, флюсы и обычную печь, доступно в России.
– Мы решили классическую задачу материаловедения: как повысить износостойкость меди без потери её главных свойств. Наш метод – это фактически «поверхностная металлургия». Подбирая состав флюса, мы можем управлять свойствами покрытия: получать либо максимально твёрдый, но хрупкий слой, либо более пластичный и трещиностойкий. Технология готова к опытно-промышленным испытаниям, – резюмирует Александр Ковтунов.
Статью об исследовании опубликовал научный журнал «Материаловедение». Это одно из ведущих в России изданий, освещающее на высоком научно-техническом уровне основные проблемы современного материаловедения (переводная версия журнала Inorganic Materials: Applied Research входит в базы данных Web of Science, Scopus).