автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Физико-химические основы и технология твердых сплавов на основе сложного титановольфрамового карбида с интерметаллической никель-алюминиевой связкой

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи Для служебного пользования Экз.№

Смирнов Юрий Иванович

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СЛОЖНОГО ТИТАНОВОЛЬФРАМОВОГО КАРБИДА С ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ НИКЕЛЬ-АЛЮМИНИЕВОЙ

СВЯЗКОЙ

Специальность 05.16.06. - Порошковая металлургия и

композиционные материалы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-1998

Работа выполнена на кафедре редких металлов и порошково металлургии в Московском Государственном институте стали и сплаво] (Технологический университет).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор ПАНОВ B.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук ШИЛЬДИН В.В. кандидат технических наук, доцент ШЛЯПИН С.Д. Ведущее предприятие: Государственное унитарное предприятие Всесоюзный научно-исследовательский институт твердых сплавов

(г. Москва)

Защита диссертации состоится «¿/) » 1999 г.

час. на заседании специализированного совета в Московское институте стали и сплавов. Адрес института: 117936, Москва, ГСП-1 Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской института стали и сплавов.

Автореферат разослан « у>дхС1у,й-^<1}\99% г.

Ученый секретарь специализированного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Одна из наиболее острых проблем инструментальной промышленности - потребность в совершенствовании твердосплавного инструмента, которая обусловлена актуальностью проблем повышения его работоспособности. В машиностроении широко используются твердые сплавы групп ВК, ТК и ТТК. Дальнейшее расширение производства сплавов сдерживается дефицитом исходного сырья, в особенности вольфрама и кобальта. Существующие твердые сплавы уже не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним, в первую очередь по жаропрочности. Основной элемент связки твердых сплавов - кобальт разупрочняется при высоких скоростях обработки. Кроме того, стандартные твердые сплавы недостаточно противостоят воздействию агрессивных сред, не стойки к термическим ударам, что снижает работоспособность инструмента, особенно при повышенных температурах. Поэтому основная задача совершенствования состава стандартных твердых сплавов является поиск нового связующего вещества и замена им дорогостоящего и дефицитного кобальта, не отвечающего запросам современной техники.

Перспективен путь увеличения жаропрочности сплавов за счет замены кобальтовой цементирующей фазы на интерметаллидную. Данная проблема представляет несомненный научный и практический интерес - в литературных источниках приведено немало примеров теоретических и экспериментальных изысканий в области совершенствования технологии и состава твердых сплавов. Анализ современных высокотемпературных материалов показывает, что значительный интерес в качестве связующей фазы может представлять интерметаллическое соединение №3А1, который имеет лучшие рабочие показатели по сравнению со стандартными твердыми сплавами, причиной тому является ряд уникальных свойств, в частности, сочетание жаропрочности и жаростойкости.

Работы, проведенные на кафедре, также показали принципиальную возможность применения никелида алюминия в качестве связующей фазы для твердых сплавов. Было установлено, что по прочности эти сплавы уступают сплавам ВК группы, но находятся на уровне стандартных ТК сплавов, а по жаропрочности, окалиностойкости, коррозионной стойкости существенно превосходят их.

В соответствии с изложенным, разработка состава и технологии твердых сплавов, позволяющих при замене дефицитного и дорогостоящего кобальта на интерметаллидную никель-алюминиевую фазу повысить предельные рабочие температуры инструмента и стойкость к воздействию агрессивных сред, является весьма актуальной задачей современного материаловедения. Настоящая работа выполнена в рамках Программы в области фундаментальных проблем металлургии, тема «Разработка и получение новых твердых сплавов с интерметаллической связующей фазой».

Цель работы. Целью настоящей работы явилось установление физико-химических закономерностей для выяснения возможности замены кобальта на интерметаллид №3А1 в твердых титановольфрамовых сплавах. Для достижения этих целей в работе поставлены и решены следующие задачи:

-изучение характера взаимодействия сложного

титановольфрамового карбида с никелидом алюминия; -определение оптимального давления прессования; -исследование механизма жидкофазного спекания, установление оптимальных режимов и условий спекания;

-проведение структурных исследований и изучение физико-механических характеристик сплавов;

-определение жаропрочности и жаростойкости, коррозионной стойкости изучаемых сплавов;

-анализ областей оптимального использования сплавов и производственные испытания.

На базе проведенных исследований разрабатывалась технология производства изделий с требуемым уровнем свойств для эффективного применения в условиях повышенных температур и в коррозионных средах.

Научная новизна. Выполнены комплексные исследования механических, физических, химических свойств сплавов WC-TiC-Ni3Al, позволившие определить наиболее эффеетивные составы для изделий инструментального назначения. Развито представление о характере изменения свойств сплавов WC-TiC-Ni3Al в зависимости от структурообразования.

Теоретически рассчитана и подтверждена экспериментально стабильность компонентов предложенной системы. Проведенные расчеты равновесных концентраций конечных продуктов при помощи универсальной программы "REAL" указали на перспективность метода термодинамического моделирования при изучении процесса спекания твердых сплавов, особенно при разработке новых марок. Выявлены условия формирования беспористой структуры сплавов: совершенное смачивание тугоплавкого соединения расплавом никель-алюминиевого интерметаллида, взаимная ограниченная растворимость компонентов и перекристаллизация карбидной фазы через жидкую фазу.

Сформулирована гипотеза о возможности повышения жаропрочности и жаростойкости материалов при замене цементирующей фазы на интерметаллидную. Обосновано увеличение стойкости к окислению на воздухе и повышение стойкости к воздействию азотной кислоты и щелочи по сравнению со стандартными твердыми сплавами.

Практическая ценность. На основании проведенных исследований разработана и предложена технология твердосплавного инструментального материала \VC-TiC-Ni3AI взамен стандартных твердых сплавов группы ТК.

С целью определения эксплуатационных свойств были проведены испытания в лаборатории ВНИИТС резцов из сплава ТВА8 и на Московском заводе спецсплавов волок из сплава ТВА4.

Установлено, что по уровню физико-механических, химических и эксплуатационных свойств разработанные сплавы ТВА4 и ТВА8 не уступают стандартным твердым сплавам группы ТК, а по жаропрочности превосходят их. Внедрение новых сплавов в действующее производство без капитальных затрат приведет к существенному снижению себестоимости, поскольку стоимость интерметаллида в 2-3 раза ниже стоимости кобальта.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на Московской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, 1995 г. По теме диссертации опубликована работа в журнале «Известия вузов. Цветная металлургия».

Объем работы. Диссертационная работа содержит 150 страниц, в том числе, 30 таблиц, 40 рисунков, список литературы, включающей 128 наименований. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, общих выводов и приложения. В приложении представлены документы и акты об испытаниях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введение обоснована актуальность работ по изучению физико-химических основ и разработке технологии нового твердого сплава с интерметаллической связкой, сформулированы цель и задачи настоящих исследований.

В 1-ой главе проведен аналитический обзор литературы в области инструментальных материалов с точки зрения их предельной рабочей температуры. Существующие марки твердых сплавов обладают сравнительно небольшой красностойкостью. По уровню жаропрочности и жаростойкости они уступают инструментальной керамике и сверхтвердым материалам.

Анализ диаграмм предельной жаропрочности сплавов показал, что комбинацией различных механизмов упрочнения можно повысить жаропрочность до относительно больших температур при замене кобальта на упорядоченную интерметаллическую фазу, которая может обладать дополнительными - дисперсионным и дисперсным - механизмами упрочнения.

Тенденцией развития твердосплавного производства является совершенствование технологии: от новейших способов получения компонентов твердого сплава до имплантации ионами бора и обработкой высокотемпературной плазменной струей или электронным пучком.

Общими тенденциями развития, как вольфрамсодержащих, так и безвольфрамовых твердых сплавов являются совершенствование состава и структуры, удешевление путем замены дефицитных материалов Повышение теплостойкости достигается как при легировании кобальтовой фазы, так и за счет усложнения состава связки. Повышение жаропрочности сплавов происходит вследствие твердорастворного упрочнения связки, так и при ее дисперсионном упрочнении выделениями частиц. Так как легирование кобальтовой связки не позволяет существенно повысить температуру ее разупрочнения, учитывая также высокую стоимость кобальта, более перспективным является изыскание новых видов жаропрочных связок.

Из совокупности рассмотренных систем и соединений самое широкое распространение получил никелид алюминия. Причиной тому является ряд уникальных свойств, в частности, сочетание жаропрочности и жаростойкости, а также других характеристик.

Рассмотрены примеры повышения долговечности и жаростойкости сплавов при использовании твердосплавных покрытий.

Таким образом, на основании анализа современных данных о составе и тенденциях развития инструментальных материалов, в частности,

твердых сплавов, а также исследования механизмов упрочнения связующей фазы твердых сплавов, установлена возможность повышения жаропрочности и коррозионной стойкости твердого сплава путем использования интерметаллического упрочненного соединения Ni3Al в качестве связки.

Во 2-ой главе приведены данные о составе и свойствах исходных материалов. Описан принцип термодинамического расчета равновесных концентраций конечных продуктов при помощи универсальной программы "REAL". Температурный интервал в расчетах составлял 900-1700°С, давление варьировали от 1,33*10"2 до 1,33*10'4Па. Для всех вариантов задач включали 0,2% масс, кислорода, тем самым отражая максимально возможное содержание кислорода, суммарно присутствующее в порошковых композициях и обусловленное способами их получения. Расчет равновесного состава конденсированных фаз в условиях вакуума позволил установить, что количество исходных веществ существенно не меняется, так как устойчивость основных составляющих сплава достаточно высока. При этом следует отметить, что имеется возможность разложения NijAl при высоких температурах, а оксид алюминия присутствует вплоть до 1700°С, но устойчивость его падает с увеличением разряжения.

Проведенные термодинамические расчеты преследовали своей целью определение возможности образования различных фаз в системе, задаваемой в исходном состоянии карбидом вольфрама, сложным титано-вольфрамовым карбидом и алюминидом никеля при высоких температурах в вакууме. Таким образом, моделировали процессы взаимодействия между компонентами в условиях жидкофазного формирования структуры материала при спекании в вакууме, исследовали вероятность образования фаз, способных влиять на конечные свойства спеченных изделий вследствие, например, появления свободного углерода, разложения алюминидов, карбидов, рассматривалась возможность образования оксидных фаз при взаимодействии компонентов.

В 3-ей главе изучался характер взаимодействия составляющих сплава: смачиваемость карбидной основы расплавом интерметаллида; растворимость элементов тугоплавких соединений в твердой и жидкой фазах интерметаллида; фазовый состав и температуры фазовых превращений в системах.

На рис.1, представлены закономерности смачивания карбидов титана, вольфрама и их смесей расплавом никелида алюминия в вакууме при температуре 1550°С.

Кинетические кривые смачивания карбидов расплавом №3А1 при Т=1550 град. С

70

♦ - - » 6 »• > " у 1

........

§

о

2

3

4

5

6

7

Время, мин.

-♦— 1-Т1С

—Ж— 2-50%'ПС-50о/<ЛУС —Д— 3-30%"ПС-70%\УС —о— 5-7,5%"ПС-92,5%\УС —в— 6 - \УС

■в—4-18%Т1С-82%\\'С

Рис.1.

Установлены параметры смачивания в системе ИСЛУС: конечный краевой угол смачивания достигается за 2-7 минут, а величина равновесного краевого угла смачивания в значительной степени зависит от температуры и содержания карбида титана и изменяется в диапазоне от 5 до 11°. Рассчитанные значения работы адгезии свидетельствуют о химической природе взаимодействия на границах фаз.

Было установлено, что растворимость титановольфрамового карбида в твердой фазе №3А1 не значительна, а при температуре близкой к

температуре жидкофазного спекания твердых сплавов(~1550°С) достигает 1,5 масс.%. Проведено термографическое изучение порошковых смесей; исследован квазибинарный разрез диаграммы Ть\¥-С-№-А1. Установлено, что сплавы ТВА группы принадлежат к равновесной диаграмме эвтектического типа с температурным интервалом плавления эвтектики 1370°±5°С. Изучаемые порошковые композиции претерпевают только одно фазовое превращение - плавление или кристаллизация.

4-ая глава посвящена исследованию процесса измельчения в шаровой мельнице в среде этилового спирта смесей сплавов ТВА группы, состав которых приведен в табл. 1.

Таблица 1. Составы исследуемых композиций.

Марка сплава Содержание компонентов смеси, %об. Аналог

Т1С-\УС №3А1

ТВА-4 - 95,8 4,2 Т30К4

ТВА-6 29,2 63,9 6,9 Т15К6

ТВА-8 31,5 58,4 10,1 Т14К8

ТВА-10 57,9 29,1 13,0 Т5К10

ТВА-20 24,3 48,7 27,0 -

ТВА-25 21,8 43,7 34,5 -

-п-

После размола и грануляции смесей изучали зависимость плотности прессовок от давления прессования сплавов ТВА группы в интервале 50-400 МПа. Полученные данные показывают, что с ростом содержания связующей фазы улучшается прессуемость смесей, что объясняется увеличением доли менее твердого материала. Предложены логарифмические зависимости, связывающие относительную плотность прессовок и давление прессования (рис.2.). Оптимальный интервал давления прессования для разрабатываемых сплавов составляет 200-300 МПа.

Логарифмическая диаграмма прессования

1ёЬ

1-ТВА4; 2-ТВА6; 3 - ТВА8; 4-ТВА10 Рис.2.

Установлено, что при оптимальном времени размола, равном 72 часа, средний размер карбидной фазы составляет примерно 1,0+0,1 мкм. Дисперсность смесей не изменяется с ростом содержания связующей фазы. Отмечается незначительное увеличение содержания кислорода в смесях, что объясняется большой длительностью интенсифицированного размола. Текучестью порошки полученных смесей не обладают.

Дано обоснование проведения спекания в вакууме, так как при вакуумном спекании исключается возможность загрязнения сплавов азотом, кислородом и другими вредными примесями, пассивирующими поверхность зерен тугоплавкого компонента и загрязняющих расплавленную связку; уменьшается краевой угол смачивания по сравнению с водородной атмосферой и обеспечиваются наилучшие условия для прохождения диффузионных процессов.

Методом математического планирования эксперимента исследован процесс жидкофазного спекания сплавов ТВА группы. В процессе эксперимента температуру спекания исследуемых сплавов ТВА4-ТВА10

варьировали от 1500 до 1600°С и длительность изотермической выдержки в вакууме от 15 до 60 минут. Основные уровни температуры спекания выбраны на основании данных современного производства твердых сплавов, где температура спекания обычно на 150-200° превышает температуру плавления цементирующей фазы. Рассчитано адекватное уравнение регрессии второго порядка,, связывающее параметр оптимизации - плотность спеченных образцов с варьируемыми факторами - содержанием связующей фазы, температурой и временем изотермической выдержки:

е(=98,95-0,15х1+0,37хг0,45хз+0,95х1*х2+0,39х1*хз-0,59х2г-1,80хз2

Проведен поиск оптимальных режимов спекания. Наибольшую относительную плотность, равную 99,9 %. имел сплав ТВА4, содержащий 4 %об. NijAl и спеченный при 1600°С в течении 60 минут. К сожалению, для

других составов необходимая относительная плотность достигнута не была. Продолжительное спекание или увеличение температуры приводят к снижению относительной плотности в результате интенсификации процесса испарения интерметаллида, а как следствие этого увеличивается пористость сплава.

Представлены экспериментальные данные по формированию структуры композитов в процессе ЖФС. Результаты металлографических и рентгеноструктурных исследований спеченных образцов показали, что в целом она подобна структуре композиционных сплавов Т1С-\УС-Со. То есть для сплавов ТВА6-ТВА10 структура трехфазна, и представляет собой достаточно равномерно распределенные зерна карбидных фаз \УС и Т1С-\¥С с включениями интерметаллической матрицы, а для сплава ТВА4 -двухфазна - это зерна сложного карбида Т1С-\УС, по границам которых расположены тонкие прослойки интерметаллида.

Рис.1.(а,б) Структура сплавов при увеличении х750.

Особенносгью изучаемой системы можно считать несколько менее выраженную габитусную огранку зерен \\'С фазы, наличие в структуре более округлых зерен сложного карбида. Проведен морфологический анализ, который показывает на существующую зависимость огранки зерен и состояния их поверхности от количества жидкой фазы. Представлены гистограммы распределения зерен \УС и "ПС-ШС фаз в зависимости от длительности спекания и содержания связующей фазы. Установлено, что размер частиц ИС-ШС фазы, сохраняя свою округлую форму, существенно не изменяется с увеличением содержания связующей фазы и времени выдержки. Для сплавов с минимальным объемным содержанием связки размер частицы \УС практически не изменяется, что свидетельствует о преобладании роста зерен при спекании путем коалесценции и локальном характере процесса перекристаллизации через жидкую фазу, по причине недостаточного зернограничного проникновении жидкой фазы. При повышении содержания связующей фазы до 25% средний размер зерен \¥С возрастает в связи с интенсификацией процесса перекристаллизации через жидкую фазу, при этом зерна приобретают более ярко выраженную форму призматической огранки. Изучены механизм и кинетика роста карбидного зерна при изотермической выдержке жидкофазного спекания в вакууме. По теории Вагнера установлено, что при спекании в вакууме лимитирующей стадией роста частиц карбида вольфрама является диффузия атомов через жидкую фазу. Исследованы фрактограммы изломов и характер развития разрушающей трещины. Отмечен переход от чисто хрупкого к квазивязкому разрушению с увеличением содержания интерметаллида в сплавах.

5-ая глава диссертационной работы посвящена исследованию физико-механических характеристик. Зависимость предела прочности при поперечном изгибе носит экстремальный характер. Восходящая ветвь кривой "прочность-состав" связана с меньшей хрупкостью №3А1 по сравнению с карбидными составляющими сплава и с активным торможением

разрушающей трещины интерметаллидными прослойками. Определенную роль на прочность сплава с ростом содержания интерметаллида до 8% оказывает процесс «залечивания» карбидного скелета. В области более высокого содержания связки (10-15 % №дА1) снижение прочности сплавов связано с их более высокой пористостью.

Твердость сплавов, представленная на рис.3, с увеличением содержания менее твердой составляющей твердого сплава уменьшается из-за нарушения сплошности карбидного скелета. Следует отметить, что абсолютные значения твердости ТВА сплавов несколько превышают эти значения для сплавов ТК группы, а значения прочности находятся на уровне ТК сплавов. Представленные зависимости свидетельствуют о подобии механизмов разрушения для разрабатываемых и твердых сплавов группы ТК.

н о о сс сх

О)

па Н

Зависимость твердости от содержания связующей фазы

5 10 15 20

Содержание связующей фазы, % Рис.3.

25

С помощью метода горячей твердости в интервале 500-900°С установлено увеличение жаропрочности сплавов ТВА группы по отношению ТК сплавам. С ростом содержания в сплавах связующей фазы степень разупрочнения увеличивается, однако, интенсивность снижения твердости меньше для сплавов группы ТВА. Данное обстоятельство объясняется положительным влиянием упорядоченной интерметаллической никель-

алюминиевой фазы, температура разупрочнения которой на 200°С выше, чем у кобальта.

Изучены кинетика и механизм окисления кислородом воздуха сплавов группы ТВА. Независимо от скорости нагрева для сплавов кинетика окисления наилучшим образом описывается уравнением Гистлинга-Бронштейна. Значения энергии активации и константы скорости свидетельствуют о диффузионном контроле процесса окисления в данном интервале температур. Величина константы скорости окисления ТК сплава на 4-5 порядков превышает значения константы для сплавов ТВА группы. Улучшение жаростойкости композиционных материалов системы Т1С-\УС-№3А1 происходит вследствие образования сложного оксида №0*А1203 шпинельного типа, который препятствует дальнейшему окислению композиционного материала.

На рис.3 показана повышенная стойкость ТВА сплавов к воздействию азотной кислоты и щелочи. Разработанные сплавы входят во вторую группу коррозионной стойкости (Кь>0,005-0,010 мм/год). Увеличение коррозионной стойкости твердых сплавов группы ТВА по отношению к сплавам с цементирующей фазой на основе кобальта можно объяснить только повышенными свойствами интерметаллического соединения.

Коррозионная стойкость сплавов группы ТВА, ТК и ВК.

С §

Й -i;

¡3 з

со Е

о S

Й- N *

о 2

и

2-10% р-р HN03

/

/ 1-10% р-р NaOH

1-ТВЛ4 2-ТВЛ8 3-Т14К8 4-Т5К10

□ 1-10% р-р NaOH

□ 2-10% р-р HN03

5-ВК10

Рис.4. Коррозионная стойкость сплавов.

6-ая глава посвящена разработке технологии производства твердых сплавов ТВА группы. Совокупность полученных в предыдущих разделах результатов позволила выявить предпосылки и отработать элементы технологической схемы изготовления спеченных твердых сплавов изучаемой системы. В результате изучения основных стадий процесса изготовления твердых сплавов с интерметаллической связкой: прессования, жидкофазного спекания - предложена технологическая схема производства сплавов группы ТВА. Представлены оптимальные параметры проведения наиболее важных операций. Достоинством предлагаемой технологии является возможность внедрения ее в существующее твердосплавное производство

без значительных затрат на приобретение, монтаж и наладку оборудования.

На основании исследований физико-механических характеристик, процессов химической коррозии и теплостойкости сплавов принимались решения об областях эффективного применения разработанных материалов. Уровень механических свойств определяет возможность применения сплава марки ТВА8 в качестве режущих пластин, а сплава ТВА4 в качестве фильер и вставок для блок-матриц. Кроме того, ряд особенностей новых сплавов позволяет рекомендовать их для применения в областях, в которых использование стандартных твердых сплавов не представляется возможным либо не целесообразно. В связи с высокой твердостью и прочностью при повышенных температурах, окалиностойкостью и коррозионной стойкостью сплавы марки ТВА можно использовать в качестве покрытий для износостойких и конструкционных материалов, работающих в агрессивных средах для химической промышленности.

Проведены лабораторные испытания инструмента, изготовленного по разработанной технологии. Было принято решение на операции волочения использовать сплав ТВА4, имеющий самую высокую твердость из сплавов ТВА группы, так как на этой операции важнейшим требованием является износостойкость. Производственные испытания волок из сплава ТВА4 на Московском заводе спецсплавов показали, что при волочении проволоки ПСР-40 и ПСР-45 новый сплав не уступает стандартному сплаву ВК6, коэффициент стойкости ТВА4 равен 1,2 - 1,4 по отношению к стандартному сплаву ВК6. Для операции резания был выбран сплав ТВА6 с оптимальным сочетанием плотности и прочности, так как на операции резания необходимым требованием является противостояние ударным нагрузкам. С целью определения эксплуатационных свойств резцов из сплава ТВАб были проведены испытания в лаборатории ВНИИТС (Всесоюзный научно-исследовательский институт твердых сплавов). В результате испытаний установлено, что при резании серого чугуна марки СЧ 30 резцами

из сплава ТВА6 относительно отраслевого стандартного образца марки ВК8, коэффициент стойкости равен единице, то есть сплав ТВА6 соответствует нижнему допустимому уровню стандартного сплава марки ВК8. Полученные результаты дают возможность рекомендовать сплавы ТВА4 и ТВЛ6 к широким опытно-промышленным испытаниям.

Проведена оценка экономической эффективности производства резцов и фильер из новых сплавов. В связи с тем, что себестоимости разработанных сплавов значительно ниже себестоимостей стандартных сплавов, производство инструментов из новых сплавов взамен применяемых в настоящее время даст ощутимый экономический эффект.

ВЫВОДЫ.

1. На основании анализа механизмов упрочнения сплавов современных твердых сплавов предложена гипотеза о возможности повышении жаропрочности инструментального материала при замене цементирующей фазы - твердого раствора - на интерметаллидную, обладающую дополнительным - дисперсионным - механизмом упрочнения.

2. Проведены термодинамические расчеты равновесного состава конденсированных фаз системы TiC-WC-Ni3Al в интервале температур 900-1700°С в вакууме, который позволил установить, что количество исходных веществ существенно не меняется, так как устойчивость основных составляющих сплава достаточно высока. Оксид алюминия присутствует вплоть до 1700°С, однако устойчивость его падает с увеличением разряжения.

3. Исследована кинетика смачивания карбидных фаз в системе TiC-WC-Ni3Al расплавом интерметаллида при спекании в вакууме. Установлено, что конечный краевой угол смачивания достигается за 2-7 минут, а величина равновесного краевого угла смачивания в значительной степени зависит от

температуры и содержания карбида титана и изменяется в диапазоне от 5 до 11°. Рассчитанные значения работы адгезии свидетельствуют о химической природе взаимодействия на границах фаз.

4. При изучении растворимости сложного титановольфрамового карбида в интерметаллиде было установлено, что растворимость в твердой фазе №3А1 не значительна, а при температуре близкой к температуре

жидкофазного спекания твердых сплавов(~1550°С) достигает значений 1,5 масс.%.

5. Проведено термографическое изучение порошковых смесей системы "ПС-\УС-Ы13А1. Исследован квазибинарный разрез диаграммы Т1-Ш-С-№-А1, при этом установлено, что сплавы ТВА группы принадлежат к равновесной диаграмме эвтектического типа. Температурный интервал плавления эвтектики составляет 1370°±5°С. Изучаемые порошковые композиции претерпевают только одно фазовое превращение - плавление или кристаллизация.

6. Изучен процесс измельчения смесей сплавов ТВА группы. При оптимальном времени размола определены дисперсность, удельная поверхность, текучесть смесей и содержание кислорода.

7. Исследованы закономерности прессования сплавов ТВА группы в интервале 50-400 МПа, установлено, что прессуемость сплавов увеличивается с ростом давления прессования и количества интерметаллида №3А1. Предложены логарифмические зависимости, связывающие относительную плотность прессовок и давление прессования. Приведены рассчитанные значения постоянных в уравнении Бальшина.

8. Методом математического планирования эксперимента исследован процесс жидкофазного спекания сплавов ТВА группы. Рассчитаны адекватные уравнения регрессии второго прядка, связывающие параметр оптимизации - плотность спеченных образцов с варьируемыми факторами - содержание связующей фазы, температура и время выдержки.

Проведен поиск оптимальных режимов спекания.

9. Показаны гистограммы распределения зерен \УС и "ПСЛУС фаз в зависимости от длительности спекания и содержания связующей фазы. Изучены механизм и кинетика роста карбидного зерна при изотермической выдержке жидкофазного спекания в вакууме. С помощью теории Вагнера установлено, что при спекании в вакууме лимитирующей стадией роста частиц карбида вольфрама является диффузия атомов через жидкую фазу. Исследованы фрактограммы изломов и характер развития разрушающей трещины.

10. Изучены зависимости предела прочности при поперечном изгибе и твердости спеченных по оптимальным режимам образцов от количества связующей фазы. Механические характеристики материалов находятся на уровне стандартных твердых сплавов.

11. С помощью метода горячей твердости в интервале 500-900°С установлено увеличение жаропрочности сплавов ТВА группы по отношению ТК сплавам. С ростом содержания в сплавах связующей фазы степень разупрочнения увеличивается, однако интенсивность снижения твердости, меньше для сплавов группы ТВА

12. Независимо от скорости нагрева для сплавов ТВА группы кинетика окисления наилучшим образом описывается уравнением Гистлинга- Бронштейна. Значения энергии активации и константы скорости свидетельствуют о диффузионном контроле процесса окисления в данном интервале температур, Величина константы скорости окисления ТК сплава на 4-5 порядков превышает значения константы для сплавов ТВА группы.

13. Показано повышение стойкости к воздействию азотной кислоты и щелочи. Разработанные сплавы входят во вторую группу коррозионной стойкости (^>0,005-0,010 мм/год).

14. Разработана технологическая схема изготовления твердосплавных изделий группы ТВА. Представлены оптимальные

параметры проведения наиболее важных операций. На основании исследований физико-механических характеристик, процессов химической коррозии и применения разработанных материалов. Проведены лабораторные испытания инструмента, изготовленного по разработанной технологии. Дана условная оценка экономической эффективности производства резцов и фильер из новых сплавов.

Основные положения диссертационной работы опубликованы и доложены в следующих работах:

1. Панов B.C., Смирнов Ю.И. /Твердые сплавы на основе TiC-WC с никель-алюминиевым интерметаллидом в качестве связующей фазы (тезисы). //Российская научно-техническая конференция. Сборник научных трудов «Новые материалы и технологии», МАТИ, ноябрь, 1994, с.35.

2. Панов B.C., Смирнов Ю.И., Карпов A.B. /Изучение взаимодействия между сложным титановольфрамовым карбидом и никель-алюминиевым интерметаллидом. //Московская научно-техническая конференция. Сборник научных трудов «Новые материалы и технологии». Направление: Композиционные, керамические, порошковые материалы и покрытия. -МАТИ, Москва, 1995г., с.7

3. Исследование свойств сплавов TiC-Ni3Al и разработка технологии изделий из них. /Смирнов Ю.И., Карпов A.B., Мозолева И.А.., Панов B.C.// Известия вузов. Цветная металлургия. - 1996г. -№> 2. -с.21-25

4. Коц Ю.Ф., Мозолева И.А., Смирнов Ю.И. /Теоретическое обоснование и разработка путей оптимизации свойств твердых сплавов с заданной структурой в зависимости от их назначения.(отчет).-МГИСиС, -