автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Разработка термо-механо-химического процесса получения твердых сплавов ТiС-Fе из феротитана для высокоизносостойкого инструмента

•7 б Ц\\

АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ім. І.Н.ФРАНЦЕВИЧА

на правах рукопису

ПОТАПЕНКО ВОЛОДИМИР ОЛЕКСАНДРОВИЧ

. УДК:621.762

РОЗРОБКА ТЕРМО-МЕХАНО-ХІМІЧНОГО ПРОЦЕСУ ОТРИМАННЯ ТВЕРДИХ СПЛАВІВ ТіС-Ре З ФЕРОТИТАНУ ДЛЯ ВИСОКОЗНОСОСТІЙКОГО ІНСТРУМЕНТУ

Спеціальність 05.16.06 - порошкова металургія та композиційні матеріали

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на отримання вченого ступеню кандидата технічних наук

Кнїв-1994.

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства НАН України.

Науковий керівник: професор, д.т.н. Ковальченко М.С!

Офіційні опоненти: професор, д.т.н. Шлюко В.Я.

д.т.н. Уварова І.В.

Ведуча організація: ВО ім. С.П.Корольова

Захист відбудеться " Ю " 1994 р. в (0 годин,

на засіданні спеціалізованої ради Д.016.28.02. при Інституті проблем матеріалознавства НАН України за адресою: 252680, Київ-180 ДСП, вул. Кржижанівського, З

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства АН України.

1994 р.

Вчений секретар Спеціалізованої ради д.т.н.

Автореферат розісланий

. з

Актуальність теми.

Збільшення терміну використання деталей промислового обладнання, що ірацюють в умовах тертя, є важливим завданням. Для досягнення цієї мети іінроко застосовують деталі з твердих сплавів на основі карбіду вольфраму. Зднак, ці сплави є дефіцитними і дорогими. Родовища їх компонентів W,Co) відсутні в Україні. Натомість такі елемента як титан, вуглець та алізо видобуваються в великій кількості. Безвольфрамові тверді сплави на снові карбіду титану досить широко відомі. їх використання в Японії осягло 15% від загального обсягу використання твердих сплавів.

Карбідотитанові тверді сплави в порівнянні з вольфрамовими мають ищу твердість, низьку схильність до адгезії з металами, низький коефіцієнт ертя, більшу корозійну стійкисть і, крім того, вони більш дешеві. Однак, ри існуючих технологіях ЇХ'виготовлення не вдається забезпечити належну истоту міжфазних границь, що сутьтево зменьшує їх міцність. Відомо, що рн термомеханічній обробці гетерофазних матеріалів найкращий звязок між азами досягається в умовах виділення фаз при розпаді твердих розчинів, {є ж явище повинно мати місце при виделенні карбідних фаз з матриці ітерметалідів. Крім того, зносостійкість твердих сплавів підвищується при .іеньшснні розміру зерен карбідної фази. А це можливо досягти при груванні ростом зерен, що зароджуються в матриці інтерметалідів.

Таким чином, актуальною є задача розробки нового підходу в одержанні ісокостійких до зносу дрібнозернистих безвольфрамових твердих сплавів, з ікористанням дешевої сировини феротитану та вуглецю.

Ціль і задачі роботи.

Ціль роботи: разробити термо-механо-хімічний процес отримання

ісокостійких к зносу дрібнозернистих твердих сплавів ТіС-Ре з дефіцитних і наявних в Україні матеріалів феротитану та вуглецю. Для ісягнення наміченної цілі необхідно вирішити наступні задачи:

1. Раціонально підібрати склад вихідних матеріалів, та вивчити їх астивості при отриманні з них порошкових сумішей.

2. Провести дослідження фізіко-хімічних процесів, які мають місце при гріванні композиції феротитан-вуглець.

3. Удосконалити систему контролю за кінетикою ущільнення і чператури об’єкта при його гарячому вакуумному пресуванні. Провести слідження процесів в системі (Ті-Ре)+С при гарячому пресуванні. .

4. Вивчити особливості сплавоутворення при формуванні сплаву ТіС-Ре умовах реакційного гарячого пресування, і засувати механізм отримання ібнозернистого сплаву.

' 4 ■

5. Вивчити особливості легування фаз сплаву при термо-механо-хіминному процесі.

6. З'ясувати міцністні властивості отриманих при термо-механо-хімічному процесі сплавів, їх стійкість до зносу та корозійну стійкість.

Наукова новизна:

- вперше вивчено фізико-хімічні та кінетичні процеси, що мають місце при гарячому пресуванні суміші феротитану та вуглецю. 3-ясовано можливісті отримання твердих сплавів ТіС-Ре при температурах 1085-1200°С;

- вперше науково і експериментально обгрунтовано узагальнений механізм протікання ущільнення композиції феротитан-сажа за термін менше секунди при гарячому пресуванні, що реалізується через значне зменьшення В'язкості композиції завдяки плавленню феротитану (1085®С) та одночасному протіканню хімічних перетворень;

-вперше встановлено можливість отримання субмікронної структури твердого сплаву ТіС-Ре завдяки керуванню процессом сплавоутворення через зменшення екзотермічних ефектів при введенні в сплав легуючих елементів в складі сполук, що беруть участь в хімічних реакціях.

Положення, що захищаються.

1. Результати дослідження впливу подрібнення феротитанового сплаву в порошок на його морфологічні, гранулометричні, та хімічні властивості.

2. Результати дослідження фізико-хімічних процесів при нагріванні

суміші феротитан-вуглець з мстою З'ясування температур протікання перетворень та інтенсивності теплових ефектів, що супроводжують перетворення. .

3. Результати дослідження особливостей кінетики ущільнення та зміни температури об'єкту при гарячому пресуванні суміші феротитану та вуглецю.

4. Механізм формування сплаву ТіС-Ре що харатеризуеться як термо-механо-хімічний процес. .

5. Принцип легування сплаву ТіС-Ре при термо-механо-хімічному пр9цесі.

Наукова і практична цінність.

Результати, отримані в роботі, розвивають уявлення про кінетику ущільнення і структуроутворення сплавів ТіС-Ре при низькотемпературному гарячому пресуванні суміші феротитану і сажі. Дають нові знання пре принципіально відмінний від відомих механізм формування сплавів ТіС-Ре Осмислення процесів при термо-механо-хімічному сплавоутворенні дал< змогу виробити новий підхід в легуванні сплавів через введення легуючоп компонента в складі сполуки, яка приймає беспосередню участь в хімічни:

■ 5

претворениях. В результаті відкрито нові можливості в керуванні процесом творення субмікронних структур сплавів.

Практичним результатом роботи є отримання сплаву ТіС-(Ре-6 ас.%Сг) з міцністю при вигині 1400±60 МПа, твердістю 87 НИА, при ьому сплав по зносостійкості та коррозійній стійкості перевищив сплав ВК-. Філ'єри сепараторів первинного миття вовни, вироблені з його сплаву, ройшли успішне випробування в промислових умовах Чернігівскої фабрики ервинної обробки вовни і перевищили термін зксплуатації фільер з сплава 'К у два рази.

Апробація роботи.

Положення дисертації викладені і обговорені на V Республіканьскій онференції "Эрозионностойкие порошковые материалы и покрытия" .Таллін, 1988 р., на конференції "Современные проблемы порошковой еталлургии, керамики и композиционных материалов”, м. Київ, 1990 р.

Публікації.

В результаті виконаних досліджень опубліковано 4 статті та подана аявка на винахід.

Структура та обсяг роботи.

Дисертація викладена на 107 сторінках, складається з вступу, шістьох лаа, висновків, списку літератури з 103 найменувань; додатку, вміщує 19 аблиць, 40 малюнків. •'

Зміст роботи.

У вступі наведено обгрунтування актуальності теми, визначено задачі оботи та основні положення, які є предметом захисту'. -

У першій главі зроблено аналітичний огляд літературних даних: аведено подвійні і потрійні діаграми стану системи Ті-Ре-С; зроблено наліз особливостей технологій отримання сплавів ТіС-сталь та відомих етрадиційних технологічних підходів до отримання сплавів на основі ТіС, а акож особливостей процесу саморозповсюджівного високотемпературного интезу (СВС); наведено властивості та склад відомих марок карбідосталей; а основі крітичного аналізу фактів зроблено постановку задач досліджень.

При розгляді діаграм стану зясовано, що їм не суперечить теоретична южливість отримання сплаву ТіС-Ре з інтерметаліду ТіРе та вуглецю, при ,ьому відмічено наявність низькоплавкої евтектики в системі Ті-Ре.

При розгляді особливостей відомої технології отримання сплавів ТіС-таль спіканням порошків карбіду титану і сталі вказано на наявність таких роблем, як незадовільне змочування карбіду титану розплавом заліза чи талі, наявність плівок кисневих сполук на поверхні зерен карбіду, активний

6 . .

ріст зерен карбідної фази, зміна хімічного складу фаз при спіканні сплаву.

Таким чином, традиційна технологія має вади, які не дозволяють отримати сплави ‘ з максимально чистими міжфазннми контактами, більш дрібнозернистою структурою, та контрольованим складом фаз сплаву.

Розгляд нетрадиційних підходів до формуваня сплавів на основі TiC-Fe показує, що найчастійше застосовують приципи СВС процесу. При цьому завдяки зародженю фаз при хімічній реакції створюються умови для

досягнення найкращої чистоти межфазної поверхні, однак високі температури реакції між титаном і вуглецем та проблеми з ущільненням сплавів не дозволяють отримати дрібнозернисті щільні сплави. В роботі намічено обійти проблеми СВС процесу і отримати дрібнозернисті сплави завдяки використанню низькоплавкої евтектики сплаву Ti-Fe, відомого як феротитановий сплав.

У другій главі описано вибір вихідних материалів, дослідження

особливостей отримання порошку з феротитанового сплаву, методика’ проведення спікання і гарячого пресування, стандартні методи досліджень.

Для досліджень відібрано промисловий феросплав марки ФТи68-6 з розміром кусків до З мм. Цей сплав має склад близький до евтектики 70Mac.%Ti-Fe і вміщує невелику кількість домішок. Другим реагентом є вуглець технічний пічний П324НТ. В ролі легуючого компоненту застосован карбід хрому (СГ3С2), що вміщує Смг-12,8 мас.%, Св-Иьк -0,2 мас. %.

Подрібнення феротитанового сплаву в порошок з розміром частинок до 80 мкм здійснювався в конусній інерційній дробарці з водяним охолодженням КІД-100. Подальше інтенсивне подрібнення здійснювалось в планетарному млині з водяним охолодженням АІР-0,015-М1 в сталевих

барабанах сталевими шарами в ацетоні. Вивчена на растровому електронному мікроскопі Cambridge stereoscan S4-10 морфологія поверхні часток пророшку вказала на крихкий характер його руйнування, що підтвердило коректність вибору засобів подрібнення. З’ясовано, що термін подрібнення сплаву й приготування його суміші з вуглецем в планетарному млйні оптимально складає 10 хв. Дослідження гранулометричного складу порошку лазерним аналізатором (Laser micron sizer PRO 700) вказало, що при цьому досягається середній розмір часток феротитану до 10 мкм з мінімальним внесенням домішок кисню. Склад сумішей феротитану та вуглецю брався з розрахунку отримання ТіСх в межах х=0,6-1,0.

Вивчалась можливість отримання сплаву із суміші феротитан-вуглець спіканням з використанням технології замішування суміші на 5%-му розчині каучуку в бензині, пресування зразків, відгонки каучуку, спікання- в

куумній печі ОКБ-8086 при 610*1 Па, з витримкою 1 година, при 1000, 50, 1300°С.

Гаряче пресування вивчалось на лабораторному вакуумному пресі рячого пресування. Автором було удосконалено прес системою одночасного нтролю за кінетикою ущільнення і температури безпосередньо з об*єкту їй його гарячому пресуванні. Гаряче пресування вели в графітовій «сформі (0ВН. 14мм.) з графітовими пуансонами. Пресформу було •зміщено в робочій камері, де вона була затиснута між двома копідводами. Навантаження здійснювалось через верхній рухомий плунжер, робочій камері підтримували вакуум в межах до 6-10*1 Па. Нагрівання іесформи здійснювалось прямим пропусканням струму. Ущільнення об-екту нтрольювалось переміщенням верхнього плунжера пресу, яке за допомогою остату змінювалось на електричний сигнал, що фіксувався самописцем, гмпература фіксувалась самописцем, до якого подавався електричний сигнал термопари, розміщенної безпосередньо біля об>екту пресування.

Дослідження температур фазових і хімічних перетворень виконувалось по :тодиці діференційного термічного аналізу (ДТА) на установці ОиРопІ-90. Структури сплавів досліджувались на електронних мікроскопах ^М-200ЕС)Ь) і СашеЬах БХ-50. Хімічний склад фаз сплавів досліджувався :тодом електронної Оже-спектроскопії на пристрої ІАМР-ЮБ ОЕОЬ). 'азовнй склад сплавів досліджувався також рентгенографічним методом на іистрої ДРОН-3 в кобальтовому випромінюванні з залізним фільтром, імічний аналіз ТіС, що утворився в сплаві, вивчався хімічним аналізом здрібнених зразків, оброблених в 50%-му розчині НСІ для вилучення лізної з>вязки.

Зносостійкість сплавів досліджувалась на машині тертя М22-М при .вантажені 500 Н, лінійній швидкості ковзання 1 м/с, на зразках 4x4x10 л. (по 3 на кожний склад сплаву) при терті по контртілу 040мм з Ст.45 к5НИ.С) протягом 1 години з застосуванням мастила И-20 при цьому ітримувались схеми вал-площина. Щільність сплавів визначалась за ГОСТ 1898-78. Міцність при вигині визначалась на машині Р-1246 при видкості згинаючого ножа (02 мм.) 0,5 мм/хв на зразках 4x4x25 по ьохдотиковій схемі з базою 20мм. Твердість визначалась на пристрої жвела ТК-2М по стандартній методиці. Корозійна стійкість сплавів імірювалась потенціостатичним методом в 5% розчині Нг304 в умовах рації при 25 °С.

У третій главі викладено результати досліджень фізико-хімічних процесів >и нагріванні композиції феротитан-вуглец. З'ясовано, що спікання пресовок

8 . . з суміші феротитан-вуглець не відбувається при 1000°С, а здійснюється пі 1150Д300°С. Однак, спінені зразки не щільні і нагадують розшарова зразки, якім одержують при СВС процесі. Дані рентгенівского аналіз показали присутність в спіненому сплаві тільки ТіС та а-Ре. Це дги підставу зробити припущення, що розшарування при спіканні має місце звязку з виникненням внутрішніх. напружень в матеріалі, які викликаї екзотермічними ефектами реакцій, газовими продуктами взаємодії домішо кисню з вуглецем та зародженням і ростом нових фаз.

ДТА-аналіз порошку феротитану та його суміші з вуглецем виявивие

що температур

плавлення феротитан (1085°С) збігается : початком екзотермічною ефекту реакції ми компонентами суміш (рис.і).

Таким чином, плавлення феротитану стимулює протікання реакції, а тепло реакції сприяє повному проплавленню феротитану. З 1085°С процес протікає автономно від зовнішнього нагрівання і завершується формуванням композиції ТіС-Ге. Подальше нагрівання композиції показало, що температура плавлення заліза 1360-1430°С, а кристалізація починається при 1378 і завершується прн 1330°С. Відповідно до діаграми стану Ре-С цим температурам відповідає склад перліту.

Проведено дослідження впливу кількості титану в феротитані на тепловий ефект його реакції з вуглецем. З’ясовано, що збільшення кількості титану (73мас.%) призводить до часткового зростання теплоутворення. Зм'еньшення кількості титану до 58 мас.% значно знижує інтенсивність (приблизно в десять разів) теплового ефекту. При цьому зростає тривалість процесу теплоутворення. Ці дані вказують на те, що не варто збільшувати кількість титану в феротитані понад 70%, бо це зменьшить можливості отримання дрібнозернистої структури в сплаві ТіС-Ре.

У четвертій главі подано опис результатів досліджень кинетики ущільнення прн гарячому пресуванні сплаву ТіС-Ре і з застосуванням уточненої теоретичної моделі об’ємно-в’язкої течії пористих матеріалів

Я»-ТІ*С отл 0»І.. ЬАр.-92 Гкм: 15.10.28 '

ЇІІ»: »3.17 МО РИт-. 6РОТА .0

И»І«:2.50ЕСЛ«М ПЯОМ І050°С Ор«Ы«г. К. 0.2 ЇЕК/ТОІМТ

(2) Тип* (тіп)

Рис.і. ДТА аналіз суміші феротитан-вуглець.

розрахована кинетика змши в-язкісті композиції феротитан-вуглець при її ущільненні.

З отриманих фактів по спіканню випливає, що неможливо отримати цільний сплав ТіС-Ее з феротитану і вуглецю традиційною технологією

спікання.

Проведення гарячого пресування суміші феротитан-вуглець з розрахунку отримання

ТіС0і8 дозволило виявити ефект швидкого ущільнення. При цьому термопара зафіксувала виділення тепла (рис.2).

З.ясовано, що

збільшення навантаження (12-50 МПа) призводить до зменьшення

тривалости ущільнення, іідносна щільність формуємого сплаву найкраща (99,6) при навантажені 0-45МПа, при навантаженні понад 45МПа щільність зменьшуеться. Це ояснюється заточенням в порах газу, який утворюється при взаємодії омішок кисню з вуглецем. Спробування збільшити щільність пісдя швидкої :адки підвищенням температури і навантаженням не мали успіху (до :мператур плавлішія залізної зв>язки). Злом кинетичної залежності ‘.мператури співпадає в часу з початком ущільнення.

Швидкість ущільнення вказує на значне зменьшення в>язкісті змпозиції. З теорії об’ємної в’язкої течії ущільнення порістих середовищ домо, що швидкість розсіювання енергії при деформуванні пористого тіла, се. знаходиться в умовах всебічного або однобокого стискання, дорівнює:

Рис.2. Кинетичні залежності: (—)- відносної

щільністі;(* )- температури при навантаженні 35МПа.

(і)

: \/-об>єм пористого тіла; 4і-дисипативна функція; Р-тиск, прикладений до

)ристого тіла; ¿¡-ефективна об>ємна в > яз кість.

Відносну швидкість зміни об.єма пористого тіла при пресуванні в іесформі можна виразити через швидкість зміни відносної щільністі (р):

(2)

__1£у ¿<ір_Р_

V сії р (Зі С,

В роботах Ковальченко М.С. приведені уточнені залежності об'ємної в>язкісті пористого тіла від його відносної щільністі при пресувані в прес-• формі: .

; 2 - р і-р2

(3)

де т|{0)-зсувна В'язкість твердої фази композиції (припускается, що

композиція складається з двух фаз: пор та твердої фази). З рівняння (2) з врахуванням спів-

відношення (3) виходить, що:

0.4 0.44 0.48 0.52 0.56 0.6 0.64

Час, с

Рнс.З Кинетика зміни в>язкісті композиції при реакційному гарячому пресуванні суміші феротитан-вуглець.

Чо)

= Р-

М

Ь£. р

-і

р к (г-р2)

^ На рис.З наведено кинетичну залежність в>язкісті, яка розрахованна з даних рис.2.

Ущільнення сплаву завершується ще в процесі саморозігрівання (рис.2), коли ще присутній розплав феротитану. При цьому композиція має найменьшу розраховану в>язкість 4 МПа-с (для порівняння наведено відомі ; літератури данні, розраховані для оксиду алюминію, що складають 1,2-10-МПа-с при 1300°С).

Таким чином можна стверджувати, що швидке ущільнення сплаву має місце завдяки значному зниженню в>язкісті, що забезпечується плавлення її феротитану та участю усіх компонентів в хімічних претворениях. Протіканш процесу при низьких температурах створює необхідні умови для отриманш чистих поверхнь фаз, які зароджуються та ростуть і формуванні дрібнозернистої структури сплаву.

' У пятій главі описано результати досліджень особливосте! сплавоутворення при реакційному гарячому пресувані суміші феротитан

. 11 •

іуглець, результати вивчення особливостей формування хімічного складу :плаву ТіСх-Ре та залежностей структур сплавів від запланованої :техіоме'трії карбиду титану, запропонован механізм процеса сплавоутворення, іаведено дані про особливості легування сплаву хромом.

При дослідженні складу сплавів, формуємемих реакційним гарячим іресуваням, з>ясовано, що в суміші феротитану та вуглецю, з розрахунку »тримання стехіометрії ТіСх х—0.6;0,85;1,0,- не увесь вуглець приймає участь і реакції. По результатам хімічного аналізу, він частково залишається у іільному стані (табл.1).

Таблицяі. Результати хімічного аналіза складу ТіСх в сплавах.

Запланована стехіометрія г '-заг- Г • '-віль- Ті Ре

Т1С„„ ' 13.2 0.72 83.4 0.12

ТіСПя5 15.5 0.16 81.4 0.23

' т;с,о 17.4 0.33 81.6 0.29

Як вже відмічалось, рентгенофазний аналіз фіксує в сплавах тільки фази ГіС та а-Ре. Розрахунки периодів граток виконаних по рентгенограмам, при зрівняннї їх з відомими залежностями стехіометрії від періоду граток дають аосить низькі значення стехіометрії в порівнянні з хімічним аналізом (табл.2). Це можливо пов’язано з впливом домішок (табл.1) атомів упроваджування О та N. а також атомів заміщування Ре, з меньшим ніж у Ті атомним радіусом. Вони зменьшугать період гратки карбіду (закон Вегарда), що занижує показники стехіометрії. ,

Таблиця 2. Стехіометрія ТіС з хімічного та рентгенофазного аналізів.

Запланована стехіометрія В ТіСх відмитом 3 сплаву 3 результатів рентгенофазного аналЬа.

ТіСо.б ТіСпй ТіСо.59

ТіСо85 ТіСо.75 ТіСо.65

' ТіС10 ТіСо.84 ТіСо.69

Присутність в карбіді О.ГЧ.Ре підтверджують і дані Оже*аналізу, вони ж показують присутність в залізній зв>язці Ті і С. В роботі розглядається також вплив взаємодії вуглецю з домішками кисню на стехіометрію ТіС. Вказано що це призводить до зменьшення стехіометрії приблизно на 10%.

На підставі отриманних результатів зроблен висновок про складність досягнення стехіометрії більшої від ТіСо 85 > та доцільності орієнтування на отримання ТіСд д, при низькій температурі процесу.

Дослідження структур сплавів вказує на те, що при гарячому реакційному спіканні формується в цілому одноманітна структура сплаву з мікронним розміром зерен. Розмір зерен, що значно менший мікрону, формується в зовнішньому шарі, що розташованний біля більш холодної пресформи, яка поглинає виділення тепла. Дослідження поверхнь злому показує, що найслабішою є міцність залізної звязки. Таким чином, керувати ростом зерен можна шляхом зниження температури саморозігрівання системи. Міцність сплаву треба підвищити легуванням зв’язки.

Узагальнюючи данні дослідження реакційного гарячого пресування підсумовується, що механізм отрімання щильного сплаву з суміші феротитан-вуглеиь полягає в тому, що зовнішнє нагрівання спричиняє одночасне протікання плавління феротитану, хімічну реакцію та ущільнення формуемого сплаву під зовнішнім тиском. Виходячи з цього процес можна назвати "термо-механо-хімічним”.

Відомо, що одним з найкращіх легуючих елементів для заліза є хром. Введення в суміш порошку хрому не доцільно в звязку з тим, що процес сплавоутворення в розглядаєміи системі проходіть при низьких температурах і за дуже короткий термін, що не достатньо для дифузії хрому в залізо. Замість хрому було використано введення в суміш феротитан-вуглець карбіда хрому (СГ3С2). Карбід хрому не стійкий в присутності титану, який має значно більше рідство з вуглецем. Карбід хрому вводили в суміш з розрахунку отримання в залізі 6 і 12мас.% хрому. Пропорційно кількості вуглецю в карбіді хрому, зменьшували вміст вільного вуглецю в суміші феротитан - вуглец- карб ід аж до повного використання вуглецю з карбіду хрому.

ДТА аналіз суміші з введеним карбідом титану вказує на зменьшення теплостворення в композиції (рис.4). При повній заміні вуглецю теплостворення не фіксується. При дослідженні мікроструктур з,ясовано, що введення незначної кількості карбіду не змінює суттєво характер утворюваної структури, однак дозволяє отримати розмір зерен карбідної фази в середньому 0,8 мкм.

При введені значної кількості карбіду хрому в структурі відмічаються ділянки металевої звязки до 10 мкм і значне зменьшення розміру карбідних зерен до О.Змкм. Оже-спектральний аналіз вказує на те, що при незначному введені карбіду хрому, карбідна фаза складається з ТіС, а хром

розміщується в залізній зв'язні. При введенні великої кількості карбіду хрому відмічено, що' більшість зерен карбідної фази складаються як з титану, так і з хрому. Ділянки металевої зв>язки містять в собі хром, залізо і домішки титану та вуглецю.

Т аким чином, вплив карбіду хрому на фізико-хімічні претворения і структуроутворення виявляється в частковій чи повній заміні вуглецю, як карбідоутворюючого реагенту, в регулюванні геплоутворювання в системі, в зменьшенні росту зерен карбідної фази та в \егуванні залізної зв-язки.

Слід відзначити, що карбід хрому разом з феротитаном та вуглецем чрнймае участь в -хімічних перетвореннях. З цього випливає, що головним іринцнпом при легуванні сплавів, одержаних при термо-механо-хімічному іроцесі, є введення легуючого елемента в складі сполук, що приймають 'часть в хімічному сплавоутворенні.

У шостій главі наведено результати досліджень властивостей сплавів, триманих при термо-механо-хімічному процесі, їх зносостійкість, міцністні ластивості та їх корозійна стійкисть.

Порівняння зносостійкостей (табл.З) показує, що сплави, леговані при ермо-механо-хімічному процесі, мають показники кращі від сплаву ВК-8 і абагато кращі загартованої швидкоріжучої сталі Р6М5 (50ЬЩС). Ці оказники є результатом отримання дрібнозернистої структури сплаву.

В табл. 4 наведено міцністьні властивості сплавів. З цих результатів іпливає, що зросла зносостійкість сплавів 2 і 3 є також результатом юстання твердості зв-язки та міжфазної міцності. В роботі наведено також

4 О О**. Тіт«: 1427:0$

а« 50 <г мс. ОТА р*в: бРотАаао* сору сжс

Йал: 20 ОЄС/МІМ №1 АП Са*ліог с о г зєоро<КТ

58

Р И ■

У • ІІ0

і ✓ у т

іи * 1 іо.о £

§ у _ і

Г у • «ар

»4 0 во !

е V V- л

п).і 4.0

І ■ ** ' ■

3.2 ' г&

ж' ПА

ко іооо тога (о«о їмо іш> поз 112С >140 и&О 1ІЮ 1200

ОиРвг* 1СМЭ

Рис.4. ДТА аналіз суміші феротитан-вуглець з СГ3С2 із розрахунку отримання 6мас.% Сг в залізі.

результати дослідження поверхнь тертя сплавів, що узгоджуються з наведеними вище твердженнями.

Таблиця 3. Результати дослідження триботехнічних властивостей сплавів.

Склад сплаву, мас.% Об-ємний знос, мм^ Контактний тиск, МПа Коефіцієнт тертя, і

1 72%ТіС-Ре 0.008 125 0.12

2 67%ТіС-(Ре+6%Сг) 0.001 194 0.15

3 75%(Ті,Сг)С-Сг-Ре 0.0008 333 0.14

4 ВК-8 0.003 188 0.11

5 кСт-Р6М5 0.35 38 0.15

Таблиця 4. Міцністні властивості сплавів.

№ п.п. Сплав азг, МПа Твердість, НИА

1 72%ТіС-Ре 800±120 . 84

2 67%ТіС-(Ре+6%Сг) 1400±60 87

3 75%(Ті,Сг)С-Сг-Ре 1000±160 89

4 ВК-8 1700 87,5

Розбіг значень міцності при вигині сплаву ' пов’язано з на*

залишкової пористості, яка викликана більшою кількістю домішок кисню в порівнянні зі сплавом 2. Для сплаву 3 розбіжність пов>язана з присутністю порівняно великих ділянок зв*язки, які в перспективі можна зменьшити, вводячи субмікронний порошок карбіду хрому.

ТаблицяЗ. Корозійні і анодні характеристики твердих сплавів.

Склад сплавів, мас.% Екор • В ■кор, цкА/см2 Еп. В Ікрг дкА/см2 *п. (ікА/см2

1 72%ТіС-Ре -0.25 320 -0.05 5012 5012

2 67%ТіС-(Ре+6%Сг) -0.23 20 -0.19 589 2

3 ВК-8 -0.05 66 0.20 25120 25120

Дослідження корозійної стійкості сплавів (таб.5) вказує, що чим більш позитивний потенціал корозії Екор. більш негативний потенціал пасивації Еп

а нижчі швидкість корозії ікор. » критичний струм пасивації ікр і струм іасивації ¡п, тим вища корозійна стійкисть сплаву. Найбільшу стійкість має плав 2. Це пов-язано з ласуванням поверхні сплаву в 5% розчині Ь^О,*. 'плави 1 і 3 більш чутливі до впливу зовнішнього середовища. При :езначному зміщенні потенціалу від потенціалу корозії в анодному напрямку 20 мВ), швидкість їх розчинення зростає на 1-2 порядка, для сплаву 2 ця міна не суттєва. За своїми показниками сплав 2 відноситься до групи тійких, а сплави 1 і 3 до задовільно стійких сплавів.

Таким чином, властивості сплаву ТіС-Ре, отриманного при термо-іехано-хімічному процесі з суміші феротитану та вуглецю з додаванням егуючего карбіду хрому, дозволяють з успіхом замінювати цим більш ешевим сплавом дефіцитні с (глави ВК у умовах тертя та корозійного зносу.

Загальні висновки.

1. В результаті комплексу проведених досліджень розроблено термо-іехано-хімічний процес отримання дрібнозернистих твердих сплавів ТіС-Ре

недефіцитних матеріалів феротитану та вуглецю, виготовлено сплав егований хромом з міцністью при вигині 1400±60 МПа, твердістьга 87 ІИА та з властивостями кращими ніж у твердого сплаву ВК при икористанні в умовах тертя та корозійного зносу.

2. Визначено умови подрібнення феротитанового сплаву, який має рихкин характер руйнування. Єфективне подрібнення здійснюється прн ггенсивному короткочасному руйнуванні в режимі удару за допомогою онусної- інерційної дробарки та планетарного млина. В результаті отримані ікронні порошки феротитану при мінімальному внесенні домішки кисню.

3. Вивчено фізнко-хімічні процесси в системі феротитан-вуглець. Гясовано, що хімічні реакції між вуглецем та компонентами феротитану -нтерметалідом ТіРе і титаном починаються при температурі плавлення втектичного феротитану (1085°С). Реакції екзотермічні, і призводять до іморозігріву в межах температур 1100-12000С. Кінцевим результатом заємодії є формування фаз ТіС та Ре.

4. Удосконалена установка вакуумного гарячого пресування, що дало ожливість автоматичного запису інформації про кінетику усадки і зміни :мператури безпосередньо в зоні пресування. З’ясовано, що ущільнення дбуваЄться ■ під зовнішнім тиском при хімічній взаємодії феротитану та (Тлецю, при цьому термін одержання щільного сплаву ТіС-Ре складає еньш секунди.

5. В результаті застосування уточненої теоретичної моделі об’ємно-язкої течії пористих матеріалів і виходячі з одержаного експерімеїггального

матеріалу запропановано механізм утворення сплаву TiC-Fe. Перетворення в суміші феротнтан-вуглець починаються з плавлення евтектичного феротитану при 1085°С. Плавлення феротитану ініціюює хімічні реакції. Разом ці процеси суттєво знижують а>язкість середовища, що і забезпечує ущільнення сплаву під впливом зовнішнього тиску за долі секунди. Механізм сплавоутворення в системі феротитан-вуглець можна характеризувати, як термо-механо-хімічний процес.

6. Вивчено особливості легування сплавів, що формуються при термо-механо-хімічному процесі. З’ясовано, що легування можливо лише при введденні легуючого компонента в складі сполук які беруть безпосередню участь в хімічних претворениях. Введення домішок карбіду хрому СГ3С2 зменьшило загальний тепловий ефект екзотермічних реакцій, сприяло формуванню субмікронної карбідної фази та отриманню легованої зносостійкої і корозионостійкої залізної звязки. Філ’єри сепараторів первинного миття вовни, виготовлені з легованого хромом сплаву, пройшли успішне випробування в промислових умовах і превищили термін експлуатації філ’єр з сплаву ВК у два рази.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1. Потапенко В.А., Мамонова A.A. Структурные особенности сплава TiC-Fe, формирующегося при горячем прессовании.//В сб. ‘'Современные проблемы порошковой металлургии, керамики и керамических материалов. Київ:ІПМ АН України,-1990-С.26-29.

2. Потапенко В .А. Спекание сплавов TiC-Fe с реакционным формированием карбида титана.//В сб. ’’Актуальные вопросы материаловедения"-Київ:ІПМ АН України,-1991-с.98-101.

3. Потапенко В.А. Исследование особенностей получения и своисте порошков феротитанового сплава.//В сб. "Современные достижения е области физического материаловедения".-Київ:ІПМ АН України,-1992-с.бб-69.

4. Потапенко В.А., Коржова Н.П. Исследование возможности легирования хромом сплава TiC-Fe, при получении его реакционным горячнь прессованием.//Сб. "Современные проблемы материаловедения." -Київ:ІПІУ АН України,-1993-С.17-19.

Аннотация.

Актуальная задача повышения износостойкости деталей оборудования обычно решается тем применения твердых сплавов на основе карбида вольфрама. Но использование их раничивается из-за дефицита вольфрамового сырья. Используют также безвольфрамовыег ердые сплавы (БВТС). Однако, при их изготовлении, в результате недостатков технологии екания, сложно обеспечить чистоту межфазных границ и соответственно хорошее сцепление 13. Кроме того, при использовании стальной связки имеет место неполная смачиваемость рбида расплавом стали. При получении БВТС не удается затормозить рост зерен рбидной фазы и получить субмикроиную структуру. Известно, что наилучшая связь между 1зами обеспечивается при выделении их из распадающихся твердых растворов. По аналогии, о же явление должно наблюдаться в результате выделения карбидной фазы из ггерметаллидов. При этом появляется возможность контролировать рост зарождающихся рен.

Цель работы: разработать термо-механо-химический процесс получения

геокоизносостойких мелкозернис^гых твердых сплавов TiC-Fe из недорогогих и доступных сериалов ферротитанового сплава и углерода.

Исходными материалами для получения сплава TiC-Fe выбраны ферротитановый сплав ) Mac.%Ti-Fe (Фти68-6) и углерод технический П324НТ. В работе приведены данные :следований особенностей получения порошка из ферротитанового сплава. Показано, что ¡¡фективное дробление реализуется при интенсивном разрушении сплава в режиме удара с >мощью конусной инерционной дробилки и планетарной мельницы. Получены микронные эрошки с минимальным внесением примесей кислорода. Изучены физико-химические эоцессы в смеси ферротитан-углерод. Установлено, что при нагреве смеси имеют место шические реакции между углеродом и составляющими ферросплава Ti и интерметаллидом iFe. Реакции инициируются плавлением эвтектического ферротитанового сплава (1080°С), w экзотермические и разогревают систему до 1100-1200 С. Результат реакций -ормирование фаз TiC и a-Fe Установлено, что спекание не позволяет получить плотный глав. Уплотнение реализуется при горячем прессовании. В результате использования

еретической модели объемного вязкого течения пористых материалов и результатов <сперкмекталькых данных о кинетике уплотнения исследуемой системы, предложен механизм тлотнения сплава TiC. Уплотнение реализуется в результате плавления ферротитана и

шического взаимодействия компонентов, что приводит к существенному снижению вязкости 1стемы и обеспечивает уплотнение под внешним давлением за доли секунды. На основании мшеизложенного, механизм сплавообразования предложено назвать термо-механо-

лмическим. Исследованы особенности структурообразования в получаемых сплавах, отмечена : однородность и зависимость размера зерен карбидной фазы от температуры. Снижение гмпературы ниже 1150°С позволяет получить субмикронные зерна TiC. Учитывая

судовлетв(зрительные свойства железной связки для свойств твердого сплава проведены сследования по легированию сплава хромом. Установлено, что легирование- возможно лишь ри введении Сг в составе СтуСг, принимающего участие в химических реакциях. При этом остигнуто снижение общего теплового эффекта экзотермических реакций и получены убмикронные структуры сплава карбидотитана с железной связкой легированной хромом. 1зготовлен сплав TiC-(Fe-6%Cr) с прочностью 1400±60 МПа, твердостью 87 HRA, с носостойкосгью и коррозионностойкостью выше чем у сплава ВК..