powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2017-4-19-28powder-326Research ArticleТугоплавкие, керамические и композиционные материалыRefractory, Ceramic, and Composite MaterialsИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОРОШКОВЫХ ПСЕВДОСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ МЕДИ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ДОБАВКАМИ НАНОЧАСТИЦ ZNO И TININVESTIGATION OF STRUCTURE FORMATION FEATURES AND PROPERTIES OF COPPER-BASED POWDER PSEUDOALLOYS MODIFIED BY ZnO AND TiN NANOPARTICLE ADDITIVESГордеевЮ. И.GordeevYu. I.

Кандидат технических наук, доцент кафедры конструкторско-технологического обеспечения машиностроительных производств (КТОМП).

660041, Красноярск, пр-т Свободный, 79

Cand. Sci. (Tech.), associate prof., Department of designing machinery preproduction.

660041, Krasnoyarsk, pr. Svobodnyi, 79

tms-mtf@rambler.ruАбкарянА. К.AbkaryanA. K.

Кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроения.

660041, Красноярск, пр-т Свободный, 79

Cand. Sci. (Tech.), associate prof., Department of mechanical engineering.

660041, Krasnoyarsk, pr. Svobodnyi, 79

abkaryan_artur@mail.ruСуровцевА. В.SurovtsevA. V.

Аспирант кафедры КТОМ.

660041, Красноярск, пр-т Свободный, 79

Postgraduate student, Department of designing machinery preproduction.

660041, Krasnoyarsk, pr. Svobodnyi, 79

tms-mtf@rambler.ruЛепешевА. А.LepeshevA. A.

Доктор физико-математических наук, профессор.

Dr. Sci. (Phys.-Math.), prof..

660036, Krasnoyarsk, Akademgorodok, 50/50

unesco@mail.ruСибирского федерального университета (СФУ)РоссияSiberian Federal University (SFU)Russian FederationКрасноярский научный центр СО РАНРоссияKrasnoyarsk Scientific Centre, Siberian Branch, Russian Academy of SciencesRussian Federation201721122017041928Copyright © НИТУ "МИСИС", 20172017НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/326

Комплексные исследования материалов на основе меди Cu–ZnO (нано), Cu–TiN (нано) стандартными методами механических испытаний в сочетании с металлографическими, электронно-микроскопическими исследованиями с использованием энергодисперсионного и термического анализов позволили установить стабильные корреляционные связи между содержанием добавок наночастиц, параметрами микроструктуры и физико-механическими свойствами псевдосплавов. Разработаны и обоснованы технологические приемы повышения однородности распределения модифицирующих добавок наночастиц ZnO и TiN по объему псевдосплава, исключающие их конгломерацию. Предложены новые оригинальные способы введения наночастиц в матричный материал в виде лигатуры из Cu–Al–ZnO или медных порошков, покрытых наночастицами TiN. Высокая удельная поверхность и реакционная способность нанопорошков обеспечивают возможность снижения керамической фазы в электроконтактных материалах (до 2,0–3,0 % вместо 10–15 % в сравнении с известными коммерческими марками). В результате сохраняются на достаточно высоком уровне основные свойства, характерные для матричного материала (меди): теплои электропроводность, и, одновременно, повышается общий уровень физико-механических (твердость, прочность, износостойкость) и эксплуатационных свойств композиционных псевдосплавов. Основные характеристики композиционных материалов на основе меди: электросопротивление (ρ ~ 0,025 мкOм·м), прочность соединения с материалом контактодержателя (σ ~ 2 MПa), включения дисперсной керамической фазы – обеспечивают снижение электроэрозионного износа (до 2,5 раз) в сравнении с традиционными материалами.

The multi-method investigation of Cu–ZnO (nano), Cu–TiN (nano) copper-based materials using standard mechanical testing methods along with metallographic, electron-microscopic research using energy-dispersive and thermal analysis allowed to identify stable correlative relationships between the content of nanoparticle additives, microstructure parameters and mechanical-and-physical properties of pseudoalloys. Processing technologies are suggested and justified to improve the uniform distribution of ZnO and TiN modifying nanoparticle additives over the pseudoalloy volume eliminating their conglomeration. The paper proposes novel original methods of nanoparticle introduction to the matrix material as master alloys of Cu–Al–ZnO or copper powders coated with TiN nanoparticles. High surface area and reactive capacity of nanopowders provides for reduced ceramic phase in electrocontact materials (down to 2,0–3,0 % instead of 10–15 % compared with known commercial ones). In this way, general properties typical for matrix materials (copper), i.e. heat and conductivity, remain significantly high, and at the same time, the general level of mechanical-and-physical properties of composite pseudoalloys such as hardness, strength and wear resistance as well as their operational properties is increased. Main properties of copper-based composites include resistivity (ρ ~ 0,025 μΩ·m), strength of bonding to  Тугоплавкие, керамические и композиционные материалы 20 Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия  4  2017 the contact support material (σ ~ 2 MPa), dispersed ceramic phase inclusions that reduce electroerosive wear (2,5 times) in comparison with conventional materials.

наночастицыкомпозиционные порошкипсевдосплавы на основе медимикроструктурные параметрыэлектроконтактные материалыnanoparticlescomposite powderscopper-based pseudoalloysmicrostructure parameterselectrocontact materialsReferencesГнесин Г.Г. Спеченные материалы для электротехники и электроники: Справ. изд. М.: Металлургия, 1981.Gnesin G.G. Spechennye materialy dlya elektrotekhniki i elektroniki: Sprav. izd. [Sintered materials for electrical engineering and electronics: Reference ed.]. Moscow: Metallurgiya, 1981.Braunovic M., Konchits V.V., Myshkin N.K. Electrical contacts: Fundamentals, applications, and technology. London, N.Y.: CRC Press, Teilorand Francis Group, 2007.Braunovic M., Konchits V.V., Myshkin N.K. Electrical contacts: Fundamentals, applications, and technology. London, N.Y.: CRC Press, Teilorand Francis Group, 2007.Holm H. Electric contacts. Berlin: Springer-Verlag, 2010.Holm H. Electric contacts. Berlin: Springer-Verlag, 2010.Doducodate book of electrical contacts. Doduco GmbH — Stieglitz Verlag, Auflage, Neuauflage, 2012.Doducodate book of electrical contacts. Doduco GmbH — Stieglitz Verlag, Auflage, Neuauflage, 2012.Zhou D., Qiu F., Wan H., Jian Q.J. Manufacture of nanosized particle-reinforced metal matrix composites // Rev. Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.). 2014. Vol. 27. No. 5. P. 798—805.Zhou D., Qiu F., Wan H., Jian Q. J. Manufacture of nano-sized particle-reinforced metal matrix composites. Rev. Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.). 2014. Vol. 27. No. 5. P. 798—805.Slade P.G. High current contacts: A review and tutorial // Proc. 21st Intern. Conf. on electrical contacts (Sept. 2002). Zurich, Switzerland: University of Zurich, 2002. P. 413—424.Slade P.G. High current contacts: A review and tutorial. In: Proc. 21st Intern. Conf. on electrical contacts (Sept. 2002). Zurich, Switzerland: University of Zurich, 2002. P. 413—424.Ahn B.D., Kang H.S., Kim J.H., Jee S.H., Yoon Y.S., Kim D.J. Synthesis and analysis of Ag-doped ZnO // J. Appl. Phys. 2006. No. 100. P. 093701.Ahn B.D., Kang H.S., Kim J.H., Jee S.H., Yoon Y.S., Kim D.J. Synthesis and analysis of Ag-doped ZnO. J. Appl. Phys. 2006. No. 100. P. 093701.Dulin F.H., Rase D.E. Phase equilibria in the system ZnO—TiO2 // J. Amer. Ceram. Soc. 1960. Vol. 43. No. 3. P. 125—131.Dulin F.H., Rase D.E. Phase equilibria in the system ZnO— TiO2. J. Amer. Ceram. Soc. 1960. Vol. 43. No. 3. P. 125—131.Findik F., Uzun H. Microstructure, hardness and electrical properties of silver-based refractory contact materials // Mater. Design. 2003. No. 24. P. 489—492.Findik F., Uzun H. Microstructure, hardness and electrical properties of silver-based refractory contact materials. Mater. Design. 2003. No. 24. P. 489— 492.Shubin A.A., Sidorak A.V., Ivanov V.V. Synthesis of complex oxides CdO—ZnO—SnO2 for electrical contacts // Russ. J. Appl. Chem. 2014. Vol. 87. No. 3. P. 258—264.Shubin A.A., Sidorak A.V., Ivanov V.V. Synthesis of complex oxides CdO—ZnO—SnO2 for electrical contacts. Russ. J. Appl. Chem. 2014. Vol. 87. No. 3. P. 258—264.Hemmi R., Yokomizu Y., Matsumura T. Anode-fall and cathode-fall voltages of air arc in atmosphere between silver electrodes // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. Vol. 36. P. 1097—1106.Hemmi R., Yokomizu Y., Matsumura T. Anode-fall and cathode-fall voltages of air arc in atmosphere between silver electrodes. J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. Vol. 36. P. 1097—1106.Leung C., Streicher E., Fitzgerald D. Welding behavior of Ag/SnO2 contact material with microstructure and additive modifications // Proc. 50th IEEE Holm Conf. on electrical contacts and the 22nd Intern. Conf. on electrical contacts (20—24 Sept. 2004). Seattle, USA, 2004. P. 64—69.Leung C., Streicher E., Fitzgerald D. Welding behavior of Ag/SnO2 contact material with microstructure and additive modifications. In: Proc. 50th IEEE Holm Conf. on electrical contacts and the 22nd Intern. Conf. on electrical contacts (20—24 Sept. 2004). Seattle, USA, 2004. P. 64—69.Gordeev Yu.I., Zeer G.M., Zelenkova E.G., Abkaryan A.K., Surovtsev A.V., Teremov S.G., Plotnikov N.P. Prospects of nanoparticles application in contact of urban electric transport // Russ. J. Non-Ferr. Met. 2012. Vol. 53. No. 4. P. 351—355.Gordeev Yu.I., Zeer G.M., Zelenkova E.G., Abkaryan A.K., Surovtsev A.V., Teremov S.G., Plotnikov N.P. Prospects of nanoparticles application in contact of urban electric transport. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2012. Vol. 53. No. 4. P. 351—355.Gordeev Yu.I., Abkaryan A.K., Zeer G.M., Lepeshev A.A., Zelenkova E.G. Effect of liquid-phase sintering as means of quality enhancement of pseudoalloys based on copper // IOP Conf. Ser. J. Phys. 2017. Vol. 803. P. 012050.Gordeev Yu.I., Abkaryan A.K., Zeer G.M., Lepeshev A.A., Zelenkova E.G. Effect of liquid-phase sintering as means of quality enhancement of pseudoalloys based on copper. In: IOP Conf. Ser. J. Phys. 2017. Vol. 803. P. 012050.Николаева Н.С., Иванов В.В., Шубин А.А., Сидорак А.В. Электропроводность композита Ag/ZnO на основе химически осажденных смесей // Персп. материалы. 2013. No. 8. С. 68—73.Nikolaeva N.S., Ivanov V.V., Shubin A.A., Sidorak A.V. Elektroprovodnost’ kompozita Ag/ZnO na osnove khimicheski osazhdennykh smesei [The conductivity of the composite Ag/ZnO-based chemically precipitated mixtures]. Perspektivnye materialy. 2013. No. 8. Р. 68—73.Zhu Y., Zhou Y. Preparation of pure ZnO nanoparticles by a simple solid-state reaction method // Appl. Phys. A. 2008. Vol. 92. Р. 275—278Zhu Y., Zhou Y. Preparation of pure ZnO nanoparticles by a simple solid-state reaction method. Appl. Phys. A. 2008. Vol. 92. Р. 275—278.Norton D.P., Heo Y.W., Ivill M.P. ZnO: growth, doping and processing // J. Mater. Today. 2004. Vol. 6. P. 34—40.Norton D.P., Heo Y.W., Ivill M.P. ZnO: growth, doping and processing. J. Mater. Today. 2004. Vol. 6. P. 34—40.Hahn Y.B. Zinc oxide nanostructures and their applications // Korean J. Chem. Eng. 2011. Vol. 28. No. 9. P. 1797—1813.Hahn Y.B. Zinc oxide nanostructures and their applications. Korean J. Chem. Eng. 2011. Vol. 28. No. 9. P. 1797—1813.Andrievski R., Glazer A. Strength of nanostructures // UFN. 2009. Vol. 179. No. 4. P. 337—358.Andrievski R., Glazer A. Strength of nanostructures. UFN. 2009. Vol. 179. No. 4. P. 337—358.Колобов Ю.Р., Валиев Р.З. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов. Новосибирск: Наука, 2001.Kolobov Yu.R., Valiev R.Z. Zernogranichnaya diffuziya i svoistva nanostrukturnykh materialov [Grain boundary diffusion and properties of nanostructured materials]. Novosibirsk: Nauka, 2001.Зеер Г.М., Зеленкова Е.Г., Белоусов О.В., Белецкий А.А., Николаев С.И., Ледяева О.Н. Электроконтактный материал на основе серебра, дисперсно упрочненный никелем, оксидами титана и цинка // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. No. 9. C. 935—940.Zeer G.M., Zelenkova E.G., Belousov O.V., Beletskii A.A., Nikolaev S.I., Ledyaeva O.N. Elektrokontaktnyi material na osnove serebra, dispersno uprochnennyi nikelem, oksidami titana i tsinka [Electric contact material based on silver, dispersion strengthened by nickel, oxides of titanium and zinc]. Fizika metallov i metallovedenie. 2017. Vol. 118. No. 9. P. 935—940.Zeer G.M. Investigation of the microstructure and properties of electrocontact silver-zinc oxide nanopowder material // Phys. Met. Metallogr. 2012. Vol. 113. No. 9. P. 902—906.Zeer G.M. Investigation of the microstructure and properties of electrocontact silver-zinc oxide nanopowder material. Phys. Met. Metallogr. 2012. Vol. 113. No. 9. P. 902—906.Gordeev Y.I., Abkaryan A.К., Binchurov A.V., Yasinsky V.B. Design and investigation of hard metal composites modified by nanoparticles // Adv. Mater. Res. 2014. Vol. 1040. P. 13—18.Gordeev Y.I., Abkaryan A.К., Binchurov A.V., Yasinsky V.B. Design and investigation of hard metal composites modified by nanoparticles. Adv. Mater. Res. 2014. Vol. 1040. P. 13—18.Коршунов А.В. Размерные структурные эффекты в процессах окисления металлов. Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2013.Korshunov A.V. Razmernye strukturnye effekty v protsessakh okisleniya metallov. [Dimensional structural effects in the metal oxidation process]. Tomsk: Izd-vo Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2013.Белошапко А.Г., Букаемский А.А., Кузьмин И.Г., Ставер А.М. Динамический синтез порошков диоксида циркония // Физика горения и взрыва. 1993. Vol. 29. No. 6. C. 111—112.Beloshapko A.G., Bukaemskii A.A., Kuz’min I.G., Staver A.M. Dinamicheskii sintez poroshkov dioksida tsirkoniya [Dynamic synthesis of powders of zirconium dioxide]. Fizika goreniya i vzryva. 1993. Vol. 29. No. 6. P. 111—112.Ушаков А.В., Редькин В.Е., Жарков С.М., Соловьев Л.А. Влияние давления газовой смеси на свойства электродуговых порошков нитрида титана // Неорган. материалы. 2003. Vol. 39. No. 3. С. 337—341.Ushakov A.V., Red’kin V.E., Zharkov S.M., Solov’ev L.A. Vliyanie davleniya gazovoi smesi na svoistva elektrodugovykh poroshkov nitrida titana [The effect of pressure on the properties of the gas mixture of powders of titanium nitride electric]. Neorganicheskie materialy. 2003. Vol. 39. No. 3. P. 337—341.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.