УДК 542


СИНТЕЗ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ Cu-ZrO2


Сачанова Ю.И., Сахненко Н.Д., Ведь М.В.

Национальный технический университет

«Харьковский политехнический институт»,

г. Харьков, Україна


Разработка методов получения материалов, обладающих уникальным комплексом физико-механических свойств, является актуальной научно-технической задачей. Решение этой задачи возможно путем создания композиционных тонкослойных систем, в которых гармонично совмещены свойства отдельных компонентов, часто имеющих различную природу. Особое место в технологии композиционных материалов занимает получение покрытий и фольги с повышенной твердостью и износостойкостью. Перспективным методом синтеза армированной фольги и композиционных покрытий (КЭП) следует считать электрохимический [1], который позволяет гибко управлять составом материала, а, следовательно, и его свойствами. Повышение стойкости к ударным динамическим воздействиям актуально для материалов на основе меди [2], поскольку меднение используется в промышленности для получения функциональных покрытий, а также в качестве промежуточного слоя при нанесении многослойных систем. Применение в качестве армирующей фазы оксидов различных металлов (алюминия, циркония и др.) позволяет повысить прочностные характеристики покрытий, что обеспечивает длительную эксплуатацию деталей при работе в агрессивных средах в условиях высоких механических нагрузок. В предшествующих работах [3, 4] показано влияние содержания оксида алюминия в матрице меди и никеля на прочностные характеристики композитов. Учитывая уникальные свойства диоксида циркония, представляется важным исследование процесса получения покрытий и фольги с металлической матрицей на основе меди, армированных наноразмерным ZrO2.

Электролитическую фольгу и покрытия медью получали из пирофосфатного электролита состава (моль/дм3): пирофосфат калия 0,9–1,1; сульфат меди 0,4–0,6; лимонная кислота 0,08–0,12 приплотности тока: jк – 2–3 А/дм2, температуре 20–25 ºС в течение 60–120 мин. Фольгу формировали на шлифованных положках из нержавеющей стали Х18Н10Т с последующим отслаиванием; а покрытия – на стали Ст 3. Для получения армированной фольги и КЭП использовали золь диоксида циркония, содержащий 0,05–0,10 моль/дм3 дисперсной фазы, который добавляли к базовому электролиту в количестве 0,2–0,8 объема. Таким образом, содержание твердой фазы в растворе находилось в пределах 0,01–0,025 моль/дм3. Толщина фольги и покрытий в зависимости от времени осаждения колеблется в пределах 20–50 мкм.

Металлографический анализ образцов проводили с использованием просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на микроскопе ЭМ-200 при ускоряющем напряжении 125–175 кВ. Объекты для ПЭМ подготавливали путем предварительного электрохимического полирования исходных образцов на приборе ПТФ. Снимки были получены на светлом поле, а также с наведением темного поля для лучшей визуализации частиц диоксида циркония.

Испытания на растяжение композитов Cu – ZrO2 проводили при комнатной температуре на машине для механических испытаний TIRAtest – 2300 при скорости нагружения 0,36 мм/мин. Определяли микротвердость, пределы текучести и прочности.

Концентрационные зависимости физико-механических характеристик фольги и покрытий от содержания твердой фазы имеют как монотонный, так и экстремальный характер (рис.1). При увеличении содержания диоксида циркония в электролите от 0,05 до 0,10 моль/дм3 микротвердость увеличивается от 250 до 780 МПа, предел текучести от 80 до 230 МПа при незначительном снижении пластичности. Причина такого поведения композитов обусловлена включением в структуру металла частиц ZrO2, которые препятствуют движению дислокаций, что характерно для дисперсного механизма упрочнения по Оровану [5].

а

б

в

Рисунок 1 – Зависимость микротвердости H (а), предела текучести σт (б) и удельной релаксации (в) для Cu-ZrO2 композитов от концентрации диоксида циркония в электролите.

Результаты исследований свидетельствуют, что введение даже незначительного количества наноразмерных частиц диоксида циркония в состав электролита значительно влияет на прочностные характеристики КЭП, поэтому концентрационные зависимости физико-механических параметров имеют нелинейный характер.

Полученные электронномикроскопические снимки свидетельствуют о включении в состав медной матрицы частиц упрочняющей фазы, а также позволяют судить об изменении размера зерна меди при наличии допанта. Так, средний размер зерна чистой меди составляет 5–7 мкм, а при получении медной фольги, армированной ZrO2, размер зерна меди уменьшается в 5–6 раз (рис.2), как это наблюдалось и в [3, 4]. Частицы допанта расположены как в зернах, так и по границам зерен, при этом сохраняется структура матрицы. До отжига оксид находится в аморфном состоянии и некогерентно связан с матричным металлом основы [6].

Рисунок 2 – Cтруктура фольги Cu-ZrO2. Концентрация дисперсной фазы в  электролите 0,05 моль/дм3.

Следует отметить, что причиной специфических свойств композитов, содержащих в матрице наноструктурные частицы ZrO2, является увеличение границ раздела с уменьшением среднего размера зерна, что приводит к росту доли тройных стыков. Границы зерен носят неравновесный характер, обусловленный высокой плотностью дефектов границ зерен. Эта неравновесность характеризуется избыточной энергией и наличием дальнодействующих упругих напряжений. Границы зерен имеют кристаллографически упорядоченное строение, а источниками упругих полей выступают зернограничные дислокации и их комплексы. Неравновесность границ зерен вызывает возникновение высоких напряжений, в результате этого и происходит значительное повышение прочностных характеристик [6].

Электрохимическим методом получены КЭП и фольга на основе меди, армированные диоксидом циркония, которые обладают повышенными физико-механическими свойствами по сравнению с их монометаллическими аналогами. Существенный рост микротвердости и предела текучести покрытий обусловлены уменьшением размеров зерен при армировании основной матрицы диоксидом циркония и увеличением плотности дислокаций по границам зерен.


Список литературы:

1. Сайфуллин С.Р. Физикохимия неорганических полимерных и композиционных материалов / С.Р. Сайфулин. – М. : Химия, 1990. – 240 с.

2. Берлин А. А. Современные полимерные композиционные материалы (ПМК) / А. А. Берлин // Соросовский образовательный журнал. – 1995. – № 1. – С. 57–65.

3. Sakhnenko N. D. Electrodeposition and Physicomechanical Properties of Coatings and Foil of Copper Reinforced with Nanosize Aluminum Oxide / N. D. Sakhnenko, O. A. Ovcharenko, M. V. Ved’ // Russian Journal of Applied Chemistry. – 2014. – Vol. 87. – No 5, pp. 596−600. DOI: 10.1134/S1070427214050103

4. Sakhnenko N. D. Electrochemical Synthesis of Nickel-Based Composite Materials Modified with Nanosized Aluminum Oxide / N. D. Sakhnenko, O. A. Ovcharenko, M. V. Ved’ // Russian Journal of Applied Chemistry. – 2015. – Vol. 88. – No 2. – pp. 267−271. DOI: 10.1134/S1070427215020123

5. Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. – М. : Высшая школа, 2004. – 518 с.

6. Трефилов В.И. Деформационное упрочнение и разрушение поликристалллических металлов / В.И. Трефилов. – К. : Наукова думка, 1987. – 248 с.