Ученые из Тольятти разработали технологию упрочнения поверхности медных изделий

Медь – один из самых востребованных цветных металлов в промышленности. Ее используют там, где нужна высокая электропроводность, теплопроводность, хорошие антифрикционные свойства: от электродвигателей до подшипников скольжения. Но у этого металла 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 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 твердостью от 100 до 185 кгс/мм². Для сравнения: у обычной меди твердость около 30-40 кгс/мм². То есть поверхность становится тверже 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 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. - Флюс не только очищает поверхность магния от оксидной пленки, 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, 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 — 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 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" (16+). Это одно из ведущих в России изданий, освещающее на высоком научно-техническом уровне основные проблемы современного материаловедения.