автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Оптимизация структуры и свойств композиционных материалов на основе карбида титана и их соединений со стальной основой методом контактно-реактивной пайки

/ / 7

/

Пятигорская государственная фармацевтическая академия

На правах рукописи

Касян Светлана Викторовна УДК 621.762:669(043.3)

Оптимизация структуры и свойств композиционных материалов на основе карбида титана и их соединений со стальной основой методом контактно-реактивной пайки

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и

композиционные материалы

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор

Кудимов Ю. Н.

Научный консультант Кандидат физ.- мат. наук, доцент Гаврилов Н. И.

Пятигорск 1998

Оглавление

стр

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ТИТАНА. ПРОБЛЕМЫ КРЕПЛЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН К КОРПУСУ ИНСТРУМЕНТА 9

1.1. Влияние микроструктуры на свойства безвольфрамовых твердых сплавов 9

1.2. Формирование структуры твердых сплавов при спека- 18

НИИ

1.3. Проблемы крепления износостойких вставок к корпусу стального инструмента 39

1.4. Постановка цели и задач исследований 45 ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, МЕТОДЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 47

2.1. Материалы и методы исследования 47

2.2. Механические испытания 51

2.3. Методика контактно-реактивной пайки КМ со сталью 52

2.4. Статистический анализ результатов и оценка погрешности экспериментов 53

2.5. Математическое планирование эксперимента 55 ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА СВЯЗКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ТИТАНА 63

3.1. Выбор состава композиционного материала и его влияние на свойства композита 64

3.2. Алгоритм определения состава композиционного материала со связкой из никеля и хрома 67

3.3. Определение количества легирующего компонента в связке из никеля КМ на основе Т1С 86

3.3.1. Состав связки на основе никеля, легированной бором 86

3.3.2. Состав связки на основе никеля, легированной ниобием 89

3.4. Выводы 94 ГЛАВА 4. КОНТАКТНО-РЕАКТИВНАЯ ПАЙКА СО СТАЛЬЮ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ТИТАНА 96 СО СВЯЗКОЙ ИЗ НИКЕЛЯ

4.1. Контактно-реактивная пайка композита ТЮ - N1 - Сг к корпусу стального инструмента 98

4.2. Контактно-реактивная пайка композита ТЮ - № - В к корпусу стального инструмента 109

4.3. Комплексное легирование никелевой связки КМ хромом, алюминием и титаном при КРП со сталью 117

4.4. Влияние ультразвуковых колебаний на структуру и свойства переходной зоны композит-сталь при контактно-реактивной пайке 122

4.5. Выводы 128 ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА СО ВСТАВКАМИ 130 ИЗ КМ НА ОСНОВЕ Т1С И №

5.1. Технологическая инструкция изготовления деталей в лабораторных условиях 132

5.2. Применение технологии изготовления деталей с износостойкими вставками в производстве штамповой оснастки 135

5.3. Выводы к главе 138 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1 Приложение 2 Приложение 3 Приложение 4

157

158 162

163

164

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современных технологий в машиностроении, энергетике и других отраслях промышленности требует создания новых конструкционных материалов, которые могли бы улучшить важнейшие параметры двигателей, механизмов машин, приборов, повысить их массовые показатели, надежность, срок службы и снизить материалоемкость. Этим требованиям соответствуют композиционные материалы, уровень свойств которых выше уровня свойств традиционных сплавов. Благодаря высоким удельным характеристикам жесткости и прочности и особенностям технологии переработки, позволяющим создавать материалы с заданной ориентацией свойств, композиты вышли на первый план среди современных конструкционных материалов. Композиционные материалы нашли применение в тех отраслях промышленности, где наиболее важным является повышение жаропрочности, антикоррозийные и износостойкие свойства получаемых изделий [1].

Современная металлургия обладает рядом различных методов получения сплавов, полуфабрикатов и изделий из них. Эти методы, включая различные виды литья, процессы порошковой металлургии, обработки давлением, напыления, осаждения, находят применение при получении металлических композитов.

Из ряда выше перечисленных методов следует выделить методы порошковой металлургии, благодаря которым можно изготавливать изделия из тугоплавких материалов, создавать материал с особыми, уникальными свойствами, структурой и составами. Методы порошковой металлургии позволяют существенно улучшить экономические показатели изделий из металлических порошков, такие как уменьшение материалоемкости изделий, увеличение коэффициента использования материала, повышение производительности труда, снижение энергозатрат [2].

Важной задачей порошковой металлургии является получение таких

КМ, использование которых в производстве деталей и узлов механизмов вело бы к сокращению расхода сырья, энергоемкости производства, повышению надежности и срока службы машин и механизмов [3].

Широкое применение во многих отраслях промышленности получили твердые сплавы на основе вольфрама, кобальта и титана, благодаря ряду экстремальных свойств: особой тугоплавкостью, твердостью, хрупкостью, весьма низкой сжимаемостью и малым коэффициентом теплового расширения [4-6].

Цементированные композиты, состоящие из хрупкого твердого материала, внедренного в вязкий цементирующий металлический материал, обладают уникальным сочетанием механических и химических свойств, благодаря которым они находят широкое применение в таких операциях, где необходима высокая износоустойчивость инструментального материала. Износостойкость КМ во многом зависит от структуры и свойств составляющих элементов, пористости композита.

Особый интерес в последнее время представляет использование безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС) на основе карбида титана, вследствие близости их свойств к свойствам материалов на основе дорогостоящих и остродефицитных карбидов вольфрама, молибдена, тантала и других материалов [5]. Создание материалов на основе карбида титана, не уступающих, а иногда и превосходящих по некоторым свойствам дефицитные сплавы, является актуальной задачей. Однако, следует отметить, что из-за недостаточной механической прочности их применение ограничивалось механической обработкой стали со скоростью от умеренной до высокой.

Повышение уровня механических БВТС на основе карбида титана может быть обеспечено путем правильного подбора состава, в том числе выбором соответствующего состава металлической связки, соблюдения условий обработки, регулирования микроструктуры.

БВТС на основе НС применяются при изготовлении режущих инструментов, использующихся при чистовой обработке сталей, никелевых и алюминиевых сплавов, деревянных и пластиковых изделий [7]. Причем при чистовой обработке сталей инструменты из сплавов на основе карбида титана выдерживают изменения скорости резания в более широком диапазоне по сравнению со сплавами на основе карбида вольфрама [8].

К недостаткам БВТС можно отнести следующее:

1) прочность меньше, чем у твёрдых сплавов на основе WC;

2) низкий коэффициент теплопроводности, что соответствует низкому сопротивлению деформации, которое ограничивает скорость подачи;

3) коэффициент термического расширения выше, чем у твёрдых сплавов на основе WC, что способствует появлению трещин на тяжёлых прерывистых режимах резания;

4) сопротивление образованию трещин значительно ниже, чем у самых прочных твёрдых сплавов на основе \¥С.

Анализ работы многих механизмов показывает, что детали узлов трения находятся в эксплуатации только до износа рабочей поверхности, причём деталь теряет не более 1 - 2 % собственной массы. Из-за высоких дефицитности и стоимости, а также низкого предела прочности при растяжении и изгибе при изготовлении инструментов твердые сплавы применяют в большинстве случаев в виде вставок, пластин, которые соединяются тем или иным способом со стальным корпусом инструмента.

Для соединения твердосплавных вставок с корпусом стального инструмента применяют пайку припоями на основе меди, диффузионную сварку с применением промежуточной прослойки [9] и т. д. Пайка является наиболее простым в технологическом отношении методом получения биметаллических изделий. В большинстве случаев пайка не сопровождается появлением заметных внутренних напряжений и не вызывает изменения механических свойств материалов. Однако следует отметить, что недостатками

пайки являются низкая прочность соединения, особенно при вибрации и переменных нагрузках, невысокая производительность и низкая долговечность.

Следовательно, работоспособность инструмента находится в большой зависимости от качества соединения твердый сплав - сталь [7,8]. Вследствие этого, кроме улучшения свойств композитов вызывает интерес получение надежных неразъемных соединений их со стальным корпусом инструмента, изучение и улучшение свойств полученных соединительных швов.

В связи с вышеизложенным целью настоящей работы является оптимизация состава безвольфрамовых твердых сплавов на основе НС с никелевой связкой, легированной микродобавками и параметров технологии процесса крепления твердосплавных вставок к стальному корпусу инструмента методом жидкофазного спекания.

ГЛАВА 1

Твердые сплавы на основе карбида титана. Проблемы крепления твердосплавных пластин к корпусу инструмента

1.1. Влияние микроструктуры на свойства безвольфрамовых твердых

сплавов

Широкое применение КМ для изготовления деталей и узлов механизмов невозможно без точного определения их износостойкости. Разнообразие комбинаций материалов, составляющих КМ, велико, поэтому необходимо детальное исследование прочностных свойств материалов в конструкциях [10].

Ресурс работы деталей и узлов в определенной степени обусловлен износостойкостью материалов, из которых они изготовлены. К материалам, используемым для обработки резанием, предъявляют ряд высоких требований: твердость, упругость, температурный коэффициент линейного расширения, температура схватывания со сталью, окалийность и т. д. [11]. Композиционные материалы позволяют в широких пределах менять состав, структуру и свойства. Улучшение свойств композитов на основе карбидов осуществляется оптимизацией их структуры. Данная задача усложняется достаточно большим количеством параметров: количество, дисперсность, модуль упругости карбидной составляющей, состав и механические свойства связки, толщина прослоек.

В качестве режущего материала в промышленности в последнее время используются твердые сплавы, благодаря ряду высоких физико-механических свойств, таких как износостойкость и упругость материалов. Твердые режущие материалы составляют группу материалов, которые значительно тверже, чем инструментальные стали, и находят очень важное применение из-за их устойчивости к износу. Эта группа включает алмаз и

керамические инструментальные материалы, но спеченные карбиды являются крупнейшей частью этой группы. Карбиды или цементированные карбиды, состоящие из хрупкого твердого материала, внедренного в вязкий цементирующий металл, обладают уникальным сочетанием механических и химических свойств, благодаря которым они находят широкое применение в таких операциях, где необходима износоустойчивость инструментального материала. Типичными примерами является использование их в качестве вставных резцов при резке металлов, режущих вставок при бурении по породе, матриц для отливки, прессования, волочения проволоки, т. е. для изнашивающихся частей [12].

Широкое распространение в промышленности при изготовлении износостойких деталей получили традиционные твердые сплавы на основе карбида вольфрама. Однако, вследствие дороговизны вольфрама, экономический эффект от применения данных деталей минимален. Твердые сплавы с содержанием карбида титана являются многообещающими заменителями различных сортов карбида вольфрама в специальных приложениях в области механической обработки металлов.

Оживление интереса к ТЮ произошло после второй мировой войны. Были затрачены огромные усилия на исследования систем ТЮ и их применение в авиапромышленности, но металлокерамические сплавы на основе ТЮ не могли сравниться по прочности со сплавами на основе вольфрама. Проведенные П. Шварцкопфом и Р. Киффером [13] опыты по применению карбида титана в качестве основного твердого компонента для сплавов ТЮ -Мо2С - № из-за незначительной прочности не обратили на себя внимания.

Благодаря работам М. Гуменика, Н. М. Патриаха [14], классические твердые сплавы на основе ТЮ опять стали в центре внимания. На основе этих работ в США были получены сплавы ТЮ - М - Мо для режущего инструмента, который применяется при прецизионной обработке с высокой скоростью резания (300 - 600 м/мин). Однако эти сплавы уступали сверх-

твердым сплавам по стойкости к тепловым ударам и сопротивлению пластической деформации при высоких температурах. С целью улучшения этих свойств были разработаны керметы с добавками \¥С, ТаС и др. [ 15 ].

Рассмотрев и сравнив свойства карбидов тугоплавких металлов IV -VI групп периодической системы элементов [ 16 ], можно прийти к выводу, что именно карбид титана перспективен в качестве основы твердого сплава. Карбид титана, имеющий высокую твердость и небольшую плотность, даже несмотря на низкое значение модуля упругости, представляет особый интерес в качестве заменителя карбида вольфрама. ПС сравнительно дешев, а месторождения титановых руд намного превосходят запасы вольфрама.

Обычный кристалл карбида титана представляет собой структуру, в которой атомы титана занимают позиции в ГЦК- решётке, а атомы углерода находятся в октаэдрических парах. Это представление больше соответствует природе карбида титана - фазы внедрения с широкой областью гомогенности, которую можно описать формулой Т1СХ (где 0,6 < х < 1,0) [ 17, 18 ].

В подрешётке углерода всегда имеются вакансии, причём доля вакантных узлов может достигать 50%. Соответственно меняется период решётки Т1СХ [18].

Скольжение в карбиде титана происходит по системе (111)<110> [19, 20 ]. Прочность и хрупкость карбида титана обусловлена наличием направленных ковалентных связей металл-металлоид. Скольжение дислокаций в его решётке вызвано разрывом этих связей. Число возможных систем скольжения в карбиде титана ограничено, поскольку каждый атом окружён преимущественно чужеродными атомами, и равно шести. Отметим, что согласно правилу Мизеса для пластического деформирования необходимо существование, по крайней мере пяти независимых систем скольжения.

Электронно-микроскопические исследования показали, что по дислокационной структуре карбид титана очень напоминает ГЦК - металл с высокой энергией дефекта упаковки [ 19 ]. Заметного расщепления дислока-

ций и парных дислокаций не обнаружено. Наблюдаемые элементы дислокационной структуры свидетельствует о лёгкости поперечного скольжения.

Однако подвижность дислокаций при комнатной температуре незначительна, что определяется высоким напряжением Пайерлса-Набарро, которое для тугоплавких карбидов равно 7-10 ГПа [ 20, 21 ]. С повышением температуры напряжение Пайерлса-Набарро понижается пропорционально экспоненте [ 22 ]. Кроме того, высота барьеров Пайерлса снижается с уменьшением числа малодеформативных гомополярных связей металл-металлоид в области гомогенности. Соответственно падает напряжение течения: по данным Келли [ 23 ] для Т1Со,75 оно равно 0,4 - 0,25 ГПа при 1873-2073 К. Следовательно, пластичность карбида титана должна повышаться с ростом давления и температуры деформирования, а также с уменьшением содержания углерода в области гомогенности.

Карбид титана можно представить себе как твёрдый раствор углерода и вакансий по углероду в ГЦК-титане. Полное заполнение узлов углеродной подрешётки достигается редко. Это объясняется тем, что углерод отдаёт свои электроны в ё-полосу титана, при некотором его содержании все связующие ё-орбитали оказываются заполненными и электроны углерода попадают на антисвязующие орбитали [ 17, 18 ]. С этим представлением коррелирует максимум температуры плавления при составе ТлСо987-

Диаграмма состояния НС приведена в работах [17, 24]. Свойства карбида титана существенно изменяются в пределах области гомогенизации, например микротвердость ТЮ^ в два раза выше микротвердости Т1С0.5.

С повышением содержания углерода в ТЮХ растёт прочность и твёрдость, однако, фактически исчезает пластичность. Карбид титана удовлетворительно смачивается расплавами железной триады.

Карбид титана устойчив к действиям серной, соляной и фосфорной кислот, а также щелочей, но растворим в царской водке и смеси азотной и плавиковой кислот. Карбид титана обладает сравнительно высокой стойко-

стью к окислению: интенсивное окисление на воздухе начинается при температура