Ученые ТГУ продлили жизнь деталям из меди

В Тольяттинском государственном университете разработали технологию упрочнения поверхности медных изделий – с помощью купридов магния. Процесс не требует сложного оборудования, а полученное покрытие в несколько раз тверже 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. Но у него есть слабое место – невысокая твердость 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 госуниверситета 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 семь минут мы получаем покрытие твердостью от 100 до 185 кгс/мм². Для сравнения: у обычной меди твердость около 30–40 кгс/мм². То есть поверхность становится тверже в три–шесть 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 твердостью (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.

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, твердое 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 – все необходимое, включая магний, флюсы и обычную печь, доступно в России.

– Мы решили классическую задачу материаловедения – как повысить износостойкость меди без потери ее главных свойств. Наш метод – это фактически «поверхностная металлургия». Подбирая состав флюса, мы можем управлять свойствами покрытия: получать либо максимально твердый, 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.