Випуски $\rightarrow$ Том 22, випуск 2 (2021)

Фундаментальні дослідження структури та властивостей електроерозійностійких покриттів на міді

Д. А. Романов, В. В. Почетуха, В. Є. Громов, К. В. Соснін

Сибірський державний індустріальний університет, вул. Кірова, 42, 654007 Новокузнецьк, Російська Федерація

Отримано 05.02.2021; остаточна версія — 18.06.2021 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
На поверхні міді одержано електроерозійностійкі покриття систем CuO–Ag і ZnO–Ag. Формування покриттів було спричинено обробленням поверхні міді плазмою, утвореною при електричному вибуху фолії срібла з суспендованим зразком оксиду міді або оксиду цинку. Після електропідривного напорошення було виконано електронно-пучкове оброблення покриттів. Досліджено нанотвердість, модуль Юнґа, зносостійкість, коефіцієнт тертя й електроерозійну стійкість утворених покриттів. Всі досліджені властивості перевищують властивості міді. Виконано дослідження електропідривних покриттів методами сканувальної електронної мікроскопії, просвітлювальної електронної мікроскопії й атомно-силової мікроскопії. Досягнення високого рівня експлуатаційних властивостей електропідривних покриттів уможливилося завдяки їхньому наноструктуруванню. Структуру покриття утворено комірками високошвидкісної кристалізації. Розмір комірок змінюється у межах від 150 нм до 400 нм. Комірки розділено прошарками другої фази, товщина котрих змінюється у межах 15–50 нм. Методом атомно-силової мікроскопії виявлено окремі частинки ZnO або CuO різної форми розміром у 10–15 нм, хаотично розташовані у срібній матриці, а також сферичні частинки ZnO або CuO розміром у 2–5 нм. Загальна товщина покриттів складає 60 мкм. Проведений комплекс досліджень дає змогу рекомендувати комплексне оброблення для зміцнення мідних контактів перемикачів потужних електричних мереж.

Ключові слова: композитне покриття, CuO–Ag, ZnO–Ag, мідні контактні дроти, електронно-пучкове оброблення, електропідривне напорошення, ерозійна стійкість, наноструктурування.

Citation: D. A. Romanov, V. V. Pochetukha, V. E. Gromov, and K. V. Sosnin, Fundamental Research on the Structure and Properties of Electroerosion-Resistant Coatings on Copper, Progress in Physics of Metals, 22, No. 2: 204–249 (2021); doi: 10.15407/ufm.22.02.204

Цитована література   
  1. S.J. Baek, M.S. Kim, W.J. An, and J.H. Choi, Compos. Struct., 220: 179 (2019); https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.03.081
  2. B. Tayebani and D. Mostofinejad, Compos. Struct., 208: 75 (2019). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.02.172
  3. H.D. Roh, S.Y. Lee, E. Jo, H. Kim, W. Ji, and Y.B. Park, Compos. Struct., 216: 142 (2019); https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.02.100
  4. Y. Zhang, T. Hang, M. Dong, Y. Wu, H. Ling, A. Hu, and M. Li, Thin Solid Films, 677: 39 (2019); https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.03.012
  5. Y. Zhu, Y. Xu, K. Li, X. Wang, G. Liu, and Y. Huang, Measurement, 138: 8 (2019); https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.02.035
  6. Y.I. Kim, S. An, M.W. Kim, H.S. Jo, T.G. Kim, M.T. Swihart, A.L. Yarin, and S.S. Yoon, J. Alloys Compd., 790: 1127 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.03.154
  7. A. Das, T.R. Ashwin, and A. Barai, J. of Energy Storage, 22: 239 (2019); https://doi.org/10.1016/j.est.2019.02.017
  8. A.G. Mohammed, G. Ozgur, and E. Sevkat, Cold Regions Sci. Technol., 160: 128 (2019); https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2019.02.004
  9. R. Astacio, J.M. Gallardo, J. Cintas, J.M. Montes, F.G. Cuevas, L. Prakash, and Y. Torres, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 80: 259 (2019); https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2019.02.002
  10. D. Zhang, P. Yi, L. Peng, X. Lai, and J. Pu, Carbon, 145: 333 (2019); https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.01.050
  11. D. Mombrú, M. Romero, R. Faccio, and A.W. Mombrú, J. of Mater. Sci.: Mater. Electron., 30: 5959 (2019); https://doi.org/10.1007/s10854-019-00895-z
  12. A. Kazemzadeh, F. Ein-Mozaffari, and A. Lohi, Chem. Eng. Res. Des., 143: 226 (2019); https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.01.018
  13. T. Zhao, Y. Iso, R. Ikeda, K. Okawa, and M. Takei, Flow Meas. and Instrum., 65: 90 (2019); https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2018.11.010
  14. Z.M. Sun, Int. Mater. Rev., 56, No. 3: 143 (2011); https://doi.org/10.1179/1743280410Y.0000000001
  15. L. Peng, Scr. Mater., 56, No. 9: 729 (2007); https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2007.01.027
  16. P. Zhang, T.L. Ngai, A. Wang, and Z. Ye, Vacuum, 141: 235 (2017); https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2017.04.023
  17. M. Liu, J. Chen, H. Cui, X. Sun, S. Liu, and M. Xie, Mater. Lett., 213: 269 (2018); https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.11.038
  18. J. Ding, W.B. Tian, and P. Zhang, J. Alloys Compd., 740: 669 (2018); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.01.015
  19. H. Li, X. Wang, X. Guo, X. Yang, and S. Liang, Mater. Des., 114: 139 (2017); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.10.056
  20. N. Ray, B. Kempf, T. Mützel, L. Froyen, K. Vanmeensel, and J. Vleugels, Mater. Des., 85: 412 (2015); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.07.006
  21. N. Ray, B. Kempf, G. Wiehl, T. Mützel, F. Heringhaus, L. Froyen, K. Vanmeensel, and J. Vleugels, Mater. Des., 121: 261 (2017); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.02.070
  22. M.P. Afonin and A.V. Boiko, Powder Metall. Met. Ceram., 44: 84 (2005); https://doi.org/10.1007/s11106-005-0061-y
  23. E. Vinaricky and V. Behrens, Electrical Contacts, Proceedings of the Annual Holm Conference on Electrical Contacts (1998).
  24. V. Behrens, Th. Honig, A. Kraus, E. Mahle, R. Michal, and K.E. Saeger, Contacts, Proceedings of the Annual Holm Conference on Electrical Contacts (1995).
  25. Y.-L. Chen, C.-F. Yang, J.-W. Yeh, S.-S. Hung, and S.-W. Lee, Metall. Mater. Trans. A, 36: 2441 (2005); https://doi.org/10.1007/s11661-005-0117-0
  26. C.-P. Wu, D.-Q. Yi, W. Weng, S.-H. Li, J.-M. Zhou, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 26: 185 (2016); https://doi.org/10.1016/S1003-6326(16)64105-5
  27. D. Wang, W. Tian, A. Ma, J. Ding, C. Wang, Y. You, P. Zhang, J. Chen, Y. Zhang, and Z. Sun, J. Alloys Compd., 784: 431 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.01.083
  28. J. Ding, W. Tian, D. Wang, P. Zhang, J. Chen, Y. Zhang, and Z. Sun, Corros. Sci., 156: 147 (2019); https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.05.005
  29. J. Ding, W. Tian, D. Wang, P. Zhang, J. Chen, Y. Zhang, and Z. Sun, J. Alloys Compd., 785: 1086 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.01.252
  30. X. Wang, S. Wei, L. Xu, F. Fang, J. Li, K. Pan, and B. Peng, Mater. Charact., 153: 121 (2019); https://doi.org/10.1016/j.matchar.2019.04.017
  31. B. Li, Z. Sun, G. Hou, P. Hu, and F. Yuan, J. Alloys Compd., 766: 204 (2018); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.06.338
  32. Y. Guo, D. Guo, S. Wang, B. Gao, X. Wang, and Z. Shi, Mater. Express, 8, No. 6: 547 (2018); https://doi.org/10.1166/mex.2018.1462
  33. X. Wen, F. Yuwen, Z. Ding, W. Zhang, R. Yao, and J. Lu, Tribology Int., 135: 269 (2019); https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.03.019
  34. W. Huang, L. Kong, and X. Wang, Tribology Lett., 65: 17 (2017); https://doi.org/10.1007/s11249-016-0802-8
  35. Y. Wang, G. Zhang, W. Wang, L. Si, and F. Liu, AIP Adv., 8, No. 11: 115020 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5050327
  36. Z. Lin, S. Fan, M. Liu, S. Liu, J.G. Li, J. Li, M. Xie, J. Chen, and X. Sun, J. Alloys Compd., 788: 163 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.02.085
  37. Z. Lin, S. Liu, J.G. Li, J. Chen, M. Xie, X. Li, M. Zhang, Q. Zhu, D. Huo, and X. Sun, Mater. Des., 108: 640 (2016); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.06.123
  38. K. Zhang, G.Y. Qin, S.Y. Xu, J.X. Guo, and G. Ma, Metall. Mater. Trans. A, 46: 880 (2015); https://doi.org/10.1007/s11661-014-2642-1
  39. X. Zhang, Y. Zhang, B. Tian, Y. Jia, Y. Liu, K. Song, and A.A. Volinsky, Vacuum, 164: 361 (2019); https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.03.054
  40. X. Zhang, Y. Zhang, B. Tian, J. An, Z. Zhao, A.A. Volinsky, Y. Liu, and K. Song, Composites Part B, 160: 110 (2019); https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.10.040
  41. W.J. Li, W.Z. Shao, N. Xie, L. Zhang, Y.R. Li, M.S. Yang, B.A. Chen, Q. Zhang, Q. Wang, and L. Zhen, J. Alloys Compd., 743: 697 (2018); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.01.326
  42. Y.X. Zhou, Y.L. Xue, and K. Zhou, Vacuum, 164: 390 (2019); https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.03.052
  43. S. Biyik, Acta Phys. Pol. A, 134, No. 1: 208 (2018); https://doi.org/10.12693/APhysPolA.134.208
  44. K. Zhou, W.G. Chen, J.J. Wang, G.J. Yan, and Y.Q. Fu, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 82: 91 (2019); https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2019.03.026
  45. D. Poljanec and M. Kalin, Wear, 426–427, Part B: 1163 (2019); https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.01.002
  46. M. Kalin and D. Poljanec, Tribology Int., 126: 192 (2018); https://doi.org/10.1016/j.triboint.2018.05.024
  47. D. Poljanec, M. Kalin, and L. Kumar, Wear, 406–407: 75 (2018); https://doi.org/10.1016/j.wear.2018.03.022
  48. M. Wu, B. Hou, S. Shu, A. Li, Q. Geng, H. Li, Y. Shi, M. Yang, S. Du, J.Q. Wang, S. Liao, N. Jiang, D. Dai, and C.T. Lin, Nanomaterials, 9, No. 4: 498 (2019); https://doi.org/10.3390/nano9040498
  49. S. Li, B. Hou, D. Dai, S. Shu, M. Wu, A. Li, Y. Han, Z. Zhu, B. Chen, Y. Ding, Q. Zhang, Q. Wang, N. Jiang, and C.T. Lin, Materials, 11, No. 8: 1459 (2018); https://doi.org/10.3390/ma11081459
  50. S. Li, A. Li, D. Dai, Y. Liu, Y. Wu, H. Bai, C.T. Lin, and N. Jiang, Gongneng Cailiao J. Funct. Mater., 48, 9 (2017).
  51. A. Bahramian, M. Eyraud, S. Maria, F. Vacandio, T. Djenizian, and P. Knauth, Corrosion Sci., 149: 75 (2019); https://doi.org/10.1016/j.corsci.2018.12.026
  52. A. Bahramian, M. Eyraud, F. Vacandio, and P. Knauth, Microelectron. Eng., 206: 25 (2019); https://doi.org/10.1016/j.mee.2018.12.008
  53. A. Bahramian, M. Eyraud, F. Vacandio, and P. Knauth, Surf. Coat. Technol., 345: 40 (2018); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.03.075
  54. M. Tokarska and M. Orpel, Textile Res. J., 89, No. 6: 1073 (2019); https://doi.org/10.1177/0040517518763978
  55. B.K. Singh, E. Jain, and V.V. Buwa, Chem. Eng. J., 358: 564 (2019); https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.10.009
  56. S. Park, H.S. Kil, D. Choi, S.K. Song, and S. Lee, J. Industrial Eng. Chem., 69: 449 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jiec.2018.10.008
  57. A.V. Batrakov, S.A. Onischenko, I.K. Kurkan, V.V. Rostov, E.V. Yakovlev, E.V. Nefedtsev, and R.V. Tsygankov, 2018 28th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV) (2018), p. 77; https://doi.org/10.1109/DEIV.2018.8537014
  58. A.V. Batrakov, S.A. Onischenko, I.K. Kurkan, V.V. Rostov, E.V. Yakovlev, E.V. Nefedtsev, and R.V. Tsygankov, 2018 20th International Symposium on High-Current Electronics (ISHCE) (2018), p. 126; https://doi.org/10.1109/ISHCE.2018.8521188
  59. A.I. Sidorov, U.V. Yurina, G.R. Rakhmanova, M.N. Shinkarenko, O.A. Podsvirov, Y.K. Fedorov, and A.V. Nashchekin, J. Non-Cryst. Solids, 499: 278 (2018); https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2018.07.053
  60. D.A. Romanov, S.V. Moskovskii, K.V. Sosnin, V.E. Gromov, and V.A. Bataev, Mater. Res. Express, 6, No. 5: 055042 (2019); https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab0672
  61. V.V. Evstigneev, V.Ju. Filimonov, K.B. Koshelev, V.I. Jakovlev, and A.E. Zhakupova, Fundamental’nyye Problemy Sovremennogo Materialovedeniya, 2, No. 3: 98 (2005) (in Russian).
  62. L. Ehngel and G. Klingele, Rastrovaya Ehlektronnaya Mikroskopiya. Razrushenie [Scanning Electron Microscopy. Destruction] (Moscow: Metallurgiya: 1986) (Russian translation).
  63. M.M. Krishtal, I.S. Yasnikov, V.I. Polunin, A.M. Filatov, and A.G. Ulyanenkov, Skaniruyushchaya Ehlektronnaya Mikroskopiya i Rentgenospektral’nyy Analiz [Scanning Electron Microscopy and X-ray Spectral Analysis] (Moscow: Tehnosfera: 2009) (in Russian).
  64. G.M. Moatimid, M.H. Obied Allah, and M.A. Hassan, Physics of Plasmas, 20, No. 10: 102111 (2013); https://doi.org/10.1063/1.4825146
  65. M. Wang, W. Mei, and Y. Wang, Optics & Laser Technology, 113: 123 (2019); https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.12.007
  66. C. Mallick, M. Bandyopadhyay, and R. Kumar, Review of Scientific Instruments, 89, No. 12: 125112 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5048292
  67. R. Venkata Krishna Rao, K. Venkata Abhinav, P.S. Karthik, and S.P. Singh, RSC Adv., 5: 77760 (2019); https://doi.org/10.1039/C5RA12013F
  68. D.A. Romanov, S.V. Moskovskii, A.M. Glezer, V.E. Gromov, and K.V. Sosnin, Bull. RAS: Phys., 83: 1270 (2019); https://doi.org/10.3103/S1062873819100174
  69. P.B. Hirsch, A. Howie, R.B. Nicholson, D.W. Pashley, and M.J. Whelan, Electron Microscopy of Thin Crystals (London: Butterwoths: 1965).
  70. Yu.F. Ivanov, V.E. Gromov, N.A. Popova, S.V. Konovalov, and N.A. Koneva, Strukturno-Fazovye Sostoyaniya i Mehanizmy Uprochneniya Deformirovannoy Stali [Structural-Phase States and Mechanisms of Hardening of Strained Steel] (Novokuznetsk: Poligrafist: 2016) (in Russian).
  71. A.P. Babichev, N.A. Babushkina, A.M. Bratkovskiy, Fizicheskie Velichiny: Spravochnik [Physical Quantities: A Handbook] (Eds. I.S. Grigoriev and E.Z. Meilikhova) (Moscow: Ehnergoatomizdat: 1991) (in Russian).
  72. GOST 2933-83, Ispytanie na Mehanicheskuyu i Kommutatsionnuyu Iznosostojkost’. Apparaty Ehlektricheskie Nizkovol’tnye Metody Ispytaniy [Test for Mechanical and Switching Durability. Electrical Low-Voltage Test Methods] (Moscow: Izdatel’stvo Standartov: 1983) (in Russian).

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,