ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Для улучшения эксплуатационных свойств медно-бериллиевого сплава применяют метод модифицирования поверхности путем нанесения твердых интерметаллических покрытий. Возможность метода ионно-плазменного легирования широко варьировать свойствами поверхностных слоев различных сплавов, в том числе на медной основе, позволяет успешно применять его и для получения износо- и коррозионностойких покрытий на деталях из бериллиевой бронзы, работающих в условиях трения в агрессивных средах. Наиболее перспективными в этом отношении являются многофазные и многокомпонентные функциональные твердые покрытия. Целью работы является анализ микроструктуры, фазового состава и трибологических свойств сплавов CuBe, модифицированных плазменно-активированными PVD-покрытиями на основе титана, с последующей разработкой эффективной технологии поверхностного инжиниринга и улучшения механических свойств сплавов CuBe. Методы. Методом вакуумно-дугового плазменно-ассистированного осаждения титана и меди на закаленную бронзу БрБ₂ (сплав С17200) при температуре 320…330 °С были получены многофазные покрытия, которые по данным рентгенофазового анализа состоят из меди, титана и соединений CuTi, и CuTi₂. Рентгеноструктурный анализ также показал, что в процессе ионно-плазменной обработки происходило старение медно-бериллиевого сплава с образованием частиц CuBe, что обеспечивало повышение твердости сплава. Результаты и обсуждение. Была изучена износостойкость бериллиевой бронзы с ионно-плазменными композиционным и градиентным покрытиями TiCu при трении скольжения. Износ образцов с покрытиями характеризовался растрескиванием и постепенным разрушением твердого поверхностного слоя с последующим изнашиванием основного медно-бериллиевого сплава. Износ подложки сопровождался отделением мелких частиц материала основы, в отличие от состаренного медно-бериллиевого сплава без покрытия, который изнашивался по адгезионному механизму с отделением крупных частиц износа. При температуре нанесения покрытий 320…330 °С их микротвердость оказалась достаточно высока и составила 530…540 HV_0,02. Однако износостойкость покрытий оказалась невысокой, так как тонкие покрытия (не более 8 мкм) на относительно мягкой основе не выдерживают нагрузку 20 Н при испытаниях.

1. Тебякин А.В., Фоканов А.Н., Подуражная В.Ф. Многофункциональные медные сплавы // Труды ВИАМ. – 2016. – № 12 (48). – С. 37–44. – DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-12-5-5.

2. Effects of cold working and heat treatment onmicrostructure and wear behaviour of Cu–Be alloyC17200 / A. Khodabakhshi, V. Abouei, N. Mortazavi, S.H. Razavi, H. Hooshyar, M. Esmaily // Tribology – Materials, Surfaces and Interfaces. – 2015. – Vol. 9, iss. 3. – P. 118–127. – DOI: 10.1080/17515831.2015.1107257.

3. Dry sliding wear of Cu-Be alloys / G. Straffelini, L. Maines, M. Pellizzari, P. Scardi // Wear. – 2005. – Vol. 259. – P. 506–511. – DOI: 10.1016/j.wear.2004.11.013.

4. Surface modification of C17200 copper-beryllium alloy by plasma nitriding of Cu-Ti gradient film / Y.D. Zhu, M.F. Yan, Y.X. Zhang, C.S. Zhang // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2018. – Vol. 27, iss. 3. – P. 961–969. – DOI: 10.1007/s11665-018-3190-4.

5. Microstructure and mechanical properties of copper-titanium-nitrogen multiphase layers produced by a duplex treatment on C17200 copper-beryllium alloy / M.F. Yan, Y.D. Zhu, C.S. Zhang, Y.X. Zhang, Y.X. Wang, L. Yang // Materials and Design. – 2015. – Vol. 84. – P. 10–17. – DOI: 10.1016/j.matdes.2015.06.130.

6. High temperature plasma nitriding to modify Ti coated C17200 Cu surface: microstructure and tribological properties / Y.D. Zhu, J.W. Yao, M.F. Yan, Y.X. Zhang, Y.X. Wang, Y. Yang, L. Yang // Vacuum. – 2018. – Vol. 147. – P. 163–171. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2017.10.011.

7. Improving wear resistance of pure copper by laser surface modification / M. Li, M. Chao, E. Liang, J. Yu, J. Zhang, D. Li // Applied Surface Science. – 2011. – Vol. 258. – P. 1599–1604. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2011.10.006.

8. Improving the tribological behavior of copper through novel Ti–Cu intermetallic coatings / M.R. Bateni, F. Ashrafizadeh, J.A. Szpunar, R.A.L. Drew // Wear. – 2002. – Vol. 253. – P. 626–639. – DOI: 10.1016/S0043-1648(02)00143-6.

9. Сдвиговая пластическая деформация и износостойкость ионно-модифицированных материалов с твердыми слоями / А.В. Белый, В.А. Кукареко, В.Е. Рубцов, А.В. Колубаев // Физическая мезомеханика. – 2002. – Т. 5, № 1. – С. 51–57.

10. Microstructure, adhesion and tribological properties of CrN/CrTiAlSiN/ WCrTiAlN multilayer coatings deposited on nitrocarburized AISI 4140 steel / Y. Li, Q. Ye, Y. Zhu, L. Zhang, Y. He, S. Zhang, J. Xiu // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 362. – P. 27–34. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.01.091.

11. Huang X., Etsion I., Shao T. Effects of elastic modulus mismatch between coating and substrate on the friction and wear properties of TiN and TiAlN coating systems // Wear. – 2015. – Vol. 338–339. – P. 54–61. – DOI: 10.1016/j.wear.2015.05.016.

12. Evaluation of the adhesion and failure mechanism of the hard CrN coatings on different substrates / X. Zhang, X.-B. Tian, Z.-W. Zhao, J.-B. Gao, Y.-W. Zhou, P. Gao, Y.-Y. Guo, Z. Lv // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 364. – P. 135–143. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.01.059.

13. Kim G.S., Lee S.Y., Hahn J.H., Lee B.Y., Han J.G., Lee J.H., Lee S.Y. Effects of the thickness of Ti buffer layer on the mechanical properties of TiN coatings // Surface and Coatings Technology. – 2003. – Vol. 171, Iss. 1–3. – P. 83–90. DOI: 10.1016/S0257-8972(03)00243-3

14. Microstructure and mechanical properties of multiphase layer formed during thermo-diffusing of titanium into the surface of C17200 copper–beryllium alloy / L. Yang, F.Y. Zhang, M.F. Yan, M.L. Zhang // Applied Surface Science – 2014. – Vol. 292. – P. 225–230. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.11.121.

15. Wear resistance of TiN(Ti2N)/Ti composite layer formed on C17200 alloy / L. Liu, H.H. Shen, X.Z. Liu, Q. Guo, T.X. Meng, Z.X. Wang, H.J. Yang, X.P. Liu // Applied Surface Science. – 2016. – Vol. 388. – P. 103–108. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.03.059.

16. Combining thermo-diffusing titanium and plasma nitriding to modify C61900 Cu-Al alloy / M.F. Yan, Y.D. Zhu, Y.X. Zhang, M.L. Zhang // Vacuum. – 2016. – Vol. 126. – P. 41–44. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2016.01.015.

17. Corrosion behavior of TaC/Ta composite coatings on C17200 alloy by plasma surface alloying and CVD carburizing / W. Xi, W. Ding, S. Yu, N. Lin, T. Meng, Q. Guo, X. Liu, X. Liu // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 359. – P. 426–432. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.12.074.

18. Plasma generation in a pulsed mode of a non-self-sustained arc discharge with a hybrid hot-and-hollow cathode / V.V. Denisov, Yu.Kh. Akhmadeev, N.N. Koval, S.S. Kovalskii, N.N. Pedin, V.V. Yakovlev // Russian Physics Journal. – 2019. – Vol. 62. – P. 541–546. – DOI: 10.1007/s11182-019-01743-7.

19. Основы конструирования и технологии производства радиоэлектронных средств. Интегральные схемы: учебник для бакалавриата и магистратуры / под ред. Ю.В. Гуляева. – М.: Юрайт, 2018. – 460 с. – ISBN 978-5-534-03170-6.

20. The effect of microstructure on a beryllium bronze wear / O.V. Sizova, A.V. Kolubaev, A.V. Filippov, N.V. Teryukalova, Yu.A. Denisova // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2167, iss. 1. – P. 020338-1–020338-4. – DOI: 10.1063/1.5132205.