93

ISSN 1310-3946

„NDT days 2017”/ „Дни на безразрушителния контрол 2017”

Year /Година XXV Number/ Брой 1 (216) June/Юни 2017

MICROSTRUCTURAL STUDIES OF COMPONENTS CONSOLIDATION OF METAL-POLYMER COATINGS STRUCTURED BY CARBON

PARTICLES AT A ELECTROCONTACT SINTERING

МИКРОСТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ КОНСОЛИДАЦИИ КОМПОНЕНТОВ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ, СТРУКТУРИРОВАННЫХ

ЧАСТИЦАМИ УГЛЕРОДА, ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОМ СПЕКАНИИ

д.т.н. Ковтун В.А.1, д.т.н. Миховски М.2, к.т.н. Пасовец В.Н.3, д.т.н. Плескачевский Ю.М.4, Алексиев А.2

1 Гомельский филиал Университета гражданской защиты МЧС Беларуси, г. Гомель, Беларусь

2 Институт механики Болгарской академии наук, г. София, Болгария 3 Университета гражданской защиты МЧС Беларуси, г. Минск, Беларусь

4 Национальная академия наук Беларуси, г. Минск, Беларусь

Abstract: The complex of microstructural studies of metal-polymer coatings structured by carbon nanoparticles made it possible to establish the character of the interaction of the initial components of powder systems at the interfaces at a electrocontact sintering. Keywords: consolidation, carbon nanostructures, metal-polymer powder systems, copperplated polymer, electrocontact sintering. 1. Введение

Уровень развития современной техники

характеризуется высокой интенсивностью эксплуатации деталей машин, что требует существенного улучшения их эксплуатационных свойств. В результате применения компонентов различных как химического, так и дисперсного составов можно сформировать структуру материала с высокими триботехническими и физико-механическими свойствами. В соответствии с общепринятым понятием к композиционным материалам относят не встречающиеся в природе материалы, которые обладают следующей совокупностью признаков: состоят из двух или более компонентов, различающихся по своему химическому составу или структуре и разделенных выраженной границей; имеют новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих их компонентов, при этом свойства определяются каждым из компонентов; неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе; состав, форма и распределение компонентов «запроектированы» заранее. Исходя из вышесказанного понятно, что композиционные материалы являются материалами, конструируемыми с целью реализации заданных свойств, применительно к функциональному назначению детали либо конструкции [1, 2].

При этом композиционные материалы находят все более широкое применение для изготовления подшипников, направляющих, опор, шарниров, герметизирующих устройств и других элементов трибосопряжений и призваны снизить уровень потерь в узлах трения и повысить эффективность функционирования машин различного назначения [3, 4] .

Порошковая металлургия является наиболее простой и универсальной технологией получения композиционных

материалов. С ее помощью можно создавать нано- структурированные твердосмазочные материалы на основе металлов, полимеров и наноструктур углерода. При этом метод электроконтактного спекания исходных порошковых компонентов имеет большие перспективы для своего развития, прежде всего из-за высокой производительности при нанесении износостойких антифрикционных покрытий на основе металополимерных наноструктурированных композитов [5].

Однако вопросы, связанные с исследованием структурообразования металополимерных наноструктурированных композитов и контактного взаимодействия исходных компонентов данных порошковых систем мало изучены [6,7]..

Сканирующая электронная микроскопия является эффективным методом изучения морфологии материалов, основное достоинство которой заключается в высокой информативности, обусловленной возможностью наблюдать изображения с использованием сигналов различных детекторов. С помощью сканирующей электронной микроскопии можно исследовать нанорельеф и локальное распределение химических элементов по поверхности объекта и др. [8]. Современные микроскопы позволяют получать увеличение до 100 000 крат, обеспечивая разрешающую способность 50-70 Å.

Принцип сканирующей электронной микроскопии заключается в следующем: сканируя изучаемую поверхность тонким, но достаточно интенсивным пучком электронов, замеряя, анализируя и подавая сигналы от детектора на осциллограф, можно получать на экране монитора увеличенное изображение конкретного участка поверхности. При этом возникают вторичные и отраженные электроны, число которых зависит от характеристик исследуемой поверхности: шероховатости, атомного состава, электрического потенциала.

94

Исследование порошковых материалов с помощью сканирующих микроскопов позволяет проводить морфологический анализ изломов деталей, оценивать структурную неоднородность в поперечных сечениях композитов, выявлять структуру зон спекания, определять количественные характеристики пористости материалов, изучать структуру поверхностей трения, анализировать изменения рельефа поверхности, происшедшие в результате изнашивания.

Таким образом, цель работы состояла в исследовании особенностей консолидации компонентов металлополимерных покрытий, структурированных частицами углерода, при электроконтактном спекании методами сканирующей электронной микроскопии.

2. Материалы и методы исследования.

Опытные образцы получали по технологии

порошковой металлургии методом электроконтактного спекания. В качестве исходных компонентов металлополимерной наноструктурированной порошковой системы использовали дисперсный порошок меди, порошок политетрафторэтилена и наноструктуры углерода в виде углеродных нанотрубок (УНТ) и луковичных наноструктур углерода (ЛНУ) [9].

Исходные компоненты высушивались до влажности 3–4% и прогревались до температуры 110–130 оС. В качестве материала матрицы использовался медный порошок марки ПМС-1 ГОСТ 4960-90 с размером частиц 50-100 мкм. Диспергирование исходных компонентов производилось в специально разработанном смесителе-активаторе, что позволило деагломерировать крупные агломераты наноструктурного наполнителя и закрепить определенное количество наночастиц углерода как на поверхности частиц металлической матрицы, так и на поверхности микрочастиц полимерного наполнителя порошкового композиционного материала [10].

Образцы подвергали электроконтактному спеканию, используя импульсы переменного электрического тока, длительность которых составляла 0,7–0,8 периода синусоиды, а длительность паузы между импульсами составляла 0,2–0,3 периода синусоиды. Основными показателями технологического процесса получения металлополимерных покрытий являлись: усилие прижатия электродов равное 9500 Н, а также сила тока, составляющая 18 кА.

Исследование структуры металлополимерных износостойких покрытий, наполненных наночастицами углерода, проводилось методами электронной микроскопии с помощью сканирующего электронного микроскопа «VEGA II LSH», совмещенного с персональным компьютером. Отличительными особенностями данного электронного микроскопа являются: высокие оптические свойства, немерцающее цифровое изображение, мощное программное обеспечение для управления микроскопом и оцифровки изображения, работающее под Windows, автоматическая настройка микроскопа и гибкая система архивирования данных.

3. Результаты и их обсуждение Проведенные микроструктурные исследования

позволили провести оценку особенностей консолидации компонентов металлополимерных износостойких покрытий, структурированных наночастицами углерода, при электроконтактном спекании. Установлена корреляционная зависимость между технологическими режимами электроконтактного спекания и процессами

структурообразования нанонаполненных композиционных материалов.

Определено, что при электроконтактном спекании износостойких покрытий на основе металлополимерной нанонаполненной порошковой системы активируются процессы согласованной консолидации компонентов различного структурного уровня. В результате в металлополимерной наноструктурированной порошковой системе на границах раздела генерируется пластично-вязкое течение и реализуется процесс захлопывания пор.

По результатам микроструктурных исследований композиционных покрытий на основе дисперсных металлов, частиц полимеров и наноструктур углерода можно отметить следующее. Технологический процесс подготовки порошковой смеси позволяет закрепить наночастицы углерода на поверхности микродисперсных частиц меди и политетрафторэтилена (рисунок 1 и рисунок 2).

Рисунок 1 – Микроструктура металлополимерных покрытий, структурированных наночастицами углерода, с деформированными частицами полимера

В процессе технологической обработки путем электроконтактного спекания происходит одновременное воздействие на порошковую систему давлением и импульсами электрического тока, что сопровождается интенсивным выделением тепла с частичным образованием жидкой фазы на границах раздела. В результате на границах раздела интенсифицируются процессы пластического деформирования микроразмерных частиц меди и полимера, что улучшает подвижность как конгломератов микроструктурных элементов, так и наноструктурных частиц углерода, закрепленных на их поверхностях (рисунок 3)

95

Рисунок 2 – Микроструктура металлополимерных покрытий, структурированных наночастицами углерода, закрепленными в процессе технологической подготовки порошковой смеси на поверхности частиц медной матрицы

Рисунок 3 – Микроструктура металлополимерных покрытий, структурированных наночастицами углерода, с деформированными частицами полимера

При этом генерируются процессы пластично-вязкого

течения в областях контактного взаимодействия микродисперсных компонентов порошковой системы, что способствует динамичному заполнению полимером порового пространства металлической матрицы (рисунок 4), уменьшению пористости сформированных

металлополимерных порошковых покрытий и, как следствие, снижению уровня внутренних напряжений.

Рисунок 4 – Микроструктура сформированных покрытий на основе порошковой системы «медь – полимер – наноструктуры углерода»

Таким образом, при электроконтактном спекании

металлополимерных порошковых систем, благодаря реализации вышеописанных эффектов, формируется консолидированная структура металлополимерных покрытий, в которой наноструктуры углерода находятся как на поверхностях частиц металла матрицы и дисперсного полимера, так в междендридном пространстве данных частиц (рисунок 5), что обеспечивает существенное повышение прочности и износостойкости композита.

Рисунок 5 – Микроструктура сформированных покрытий на основе порошковой системы «медь – полимер – наноструктуры углерода».

96

4. Заключение Проведенный комплекс микроструктурных

исследований металлополимерных покрытий, структурированных наночастицами углерода, подтвердил результаты, полученные ранее путем компьютерного моделирования мезофрагментов порошкового композита, содержащего частицы меди, микродисперсный полимер и наноструктуры углерода. Получены новые данные, которые позволили установить экспериментальным путем характер и закономерности взаимодействия исходных компонентов сложно наполненных металлополимерных порошковых систем на границах раздела частиц различного структурного уровня при электроконтактном спекании.

Работа представлена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований в рамках проекта международных исследований Т17МС-015 на 2017-2019 гг., выполняемого совместно Университетом гражданской защиты МЧС Республики Беларусь и Институтом механики Болгарской академии наук.

5. Литература

1. Витязь П.А. Твердосмазочные покрытия в машиностроении. – Минск: Бел. навука, 2007. – 170 с. 2. Vityaz, P. A. Tribomechanical Modification of Friction Surface by Running-In in Lubricants with Nano-Sized Diamonds / P.A. Vityaz [et al.]. – New York: Nova Science Publishers, Inc., 2010. – 120 p. 3. Модифицирование материалов и покрытий наноразмерными алмазосодержащими добавками / П.А. Витязь [и др.]. – Минск: Бел. навука, 2011. - 527 с.

4. Витязь, П.А. Повышение износостойкости поверхностей трения трибомо-дифицированием в среде смазки с наноразмерными алмазосодержащими добавками / П.А. Витязь, В.И. Жорник, В.А. Кукареко // Современные перспективные материалы / Под ред. В.В. Клубовича. - Витебск: Изд-во УО «ВГТУ», 2011. - С. 146-184. 5. Витязь, П.А. Основы нанесения износостойких, коррозионно-стойких и теплозащитных покрытий / П.А. Витязь, А.Ф. Ильющенко, А.И. Шевцов. – Мн. : Беларуская навука, 2006 . – 363 с. 6. Моделирование термонапряженного состояния зон контактного взаимодействия «микродисперсная медь-углеродные нанотрубки» в процессе электроконтактного спекания нанонаполненных порошковых систем/ В.А. Ковтун [и др.] // Научни известия на НТСМ. – 2013. – Т.21, № 2(139). – С. 79 – 83. 7. Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния зон контактного взаимодействия «дисперсная медь – плакированный медью полимер – наноструктуры углерода» при воздействии сжимающей нагрузки / В.А. Ковтун [и др.] // Научни известия на НТСМ. – 2014. – Т. 22, № 1(150). – С. 73 – 79. 8. Суслов, А.А. Сканирующие зондовые микроскопы / А.А. Суслов, С.А. Чижик // Материалы, технологии, инструменты, 1997. – Т.2, №3, с. 78-89. 9. Синтез луковичных наноструктур углерода при пиролизе ароматических углеводородов / А.И. Харламов [и др.] // Доклады НАН Украины. – 2006. – № 3. – С. 97–103. 10. Пасовец, В.Н. Влияние механоактивации исходных порошковых компонентов на структурообразование и свойства композиционных материалов на основе систем медь – наноструктуры углерода / В.Н. Пасовец, В.А. Ковтун // Материалы, технологии, инструменты – 2008, Т.13, № 3. – С. 87–93.