автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Создание карбидостали с высокой абразивной износостойкостью на основе стали Гадфильда

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ЙАУК ШИРОКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ' Институт физики прочности и материаловедения

На правах рукописи

ЯЕЛСКСВА Ольга Васильевна

СОЗДАНИЕ КАРШОСТШ С ВЫСОКОЙ АБРАЗИВНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ НА ОСНОВЕ СТАЛИ ГАДШШ /специальность 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степенл кандидата технических-наук

Томск - 1993

?абот выполнена в Институте физики прочности к материаловедения СО РАН.

Научные руководители - академик РАН В.Е.Панин,

доктор физ.-мат. наук С.Н.Кулысов •

С;ициа«ьнне оппоненты - профессор, доктор технических наук

Л.И.Тушинский,

доцент, кандидат технических наук А.И.Сйосман *

Ведущая организация - Сибирский физико-технический институт ии. Б.Г.Кузнецова / г. Томск/

Защита диссертации состоится 1993г.

в ос> час, на заседании специализированного совета Д ,003.61.01 при Институте физики прочности и материаловедения СО РАН по адресу: 62 048, г. "омск, пр. Академический, 2/1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН.

Отзнвы по автореферату диссертации просим направлять по указанному адресу а двух экземплярах не позднее, чем за две недели до защиты.

Автореферат разослан " ^Л^ 1993г.

7чеш;; секрзтарь спецсовета, лектор с аз.-мат. наук

Е.В.Чуллов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Развитие современной техники предъявляет все более жесткие требования к материалам, работакшм в условиях высоких давлений, скоростей, деформаций, агрессивных сред и т.д. Использование методов порошковой металлургии при создании новых материалов позволяет обеспечить оптимальное сочетание технологии получения, структурных и рабочих характеристик, при этом обеспечивается минимальная потеря металла и снижается себестоимость изделий. Общим требованием ко всем материалам является достаточная прочность, особенно в связи с наличием остаточной пористости. Классическим примером такого иг- " териала является твердый сшгав, в котором одна из составляпци.х-твердое износостойкое тугоплавкое соединение, а другая состав--ляющая-мэталлическая связка, обеспечивающая необходимую прочность, термостойкость, ударо- и вибростойкость. Однако, обладаг высокими значениями твердости, прочности,- модуля упругости, износостойкости, твердые сплава подвержены хрупкому разрушению в процессе эксплуатация. Традиционные пути повитакия пластических свойств твердых сштвов-совсрагэнствование микроструктуры, устранение дефектов за счет улучшения скачивания, использование более пластичных сложных карбидов исчерпаны, поэтому проблема создания . заменителей твердых сплавов является, безусловно, актуальной.

Практика создания н применения безвольфра-говых твердых сплавов на основе кпрбдда и тсарбонитрида титана с ///'- Мо связкой показала, что эти сплавы могут заманить волысгжгосодержашке, но для инструмента- ударного действия они практически нгпрзгодхи из. за высокой хрупкости. Перспективными материалам для работы в условиях интенсивного износа и в агрессивных средах является карбидостали, получаемые из смеси порошков легированных сталей и специально вводимых карбидов. Карбиды придам твердость, износостойкость, улучшают рдяущиз свойства материала, а сталь яграет роль связки, которая придает материалу вязкость, пластичность и прочность. Направленный выбор связка позволяет получить харбндо-сталь, обладающую высокой износостойкостью. Из литературных данных следует, что в качестве стальной связки для карбидосталой с высокой абразивной износостойкостью необходимо применять вязкую аустенитную сталь. Среди аусгенитных износостойких сталей наибольшее распространение получила сталь Гадфильда. Ола использу-

ется для изготовления деталей, работавших в условиях абразивного изнашивания в сочетании о ударными нагрузками я большими удельными давлениями. Однако, способность стали Гадфильда х упрочнена» в процессе пластической деформации ограничивает ее использование в качестве конструкционного материала из-за чрезмерно трудной обработки резанием. Используя ее в качестве связки для получения карбидостали методами порошковой'металлургии, при которых нэ нунна дополнительная обработка изделий,' является перспективным при формировании оптимальных свойств создаваемого материала.

Цель работы. Изучение закономерностей формирования структуры карбидосталвй на основе стали Гал£®льяа при различных режимах спекарчя и на основе этого изучения разработка технологии получения карбидостали с оптимальной исходной структурой, обеспечивавшей высокую ударно-абразивную износостойкость.

Основные положения-, вннослше на защиту.

1. Зсспериментадьные данные офазовом и структурном состоянии карбидосталей на основе стала Гадфальда с различным содераа-нием карбида титана, реализующиеся при хидкофазном спекании. *

2. Технология получения карбидостали на основе стали Гад-фильда с оптимальной структурой, обеспечивающей высокие эксплуатационные свойства материала.

3. Экспериментальное доказательство определяющего влияния метастабильного состояния стальной связки на повышение механических свойств карбидосталей на основе стали Гадфильда.

Научная новизна. В работе впервые проведено исследование карбидостали на основе стали. Гадйильда, изучена кинетика спекания карбида титана, со сталью ГадТшльда а взаимодействие карбида титана с этой сталью в широком концентрационном интервале содержания карбида титана.

В результате проведенных исследований получены экспериментальные доказательства определяющей роли метастабильного состоя- . ния связувдей фазы в повышении прочностных свойств сплавов.

Предложена технология получения карбг встали на основе стали Гадфильда с оптимальной структурой, обеспечивающей высохую уларнс-аОразивную износостойкость / на уровне сплавов ВК /.

.;сактмческал ценность. 3 результате проведенной работы была создана карСидосталь, именная твердость, прочность и износостойкость сравнимые с всшЛрамасодараащими твердыми сплавами. Проведенное испытания полученных карбидосталой в условиях про--••киенного производства в качестве шарошек для бурения, пластин

_ для зубков баровых малаш, сопел распылительных камзр для окрасочных агрегатов высокого давления позволяют рекомендовать их для изготовления деталей, работающих в условиях ударных нагрузок и интенсивного износа. Испытания показали, что карбидостали не уступают по стойкости волъфр&мосодарка^им твердым сплавам.

Апробания работ и публикации. Основные результаты проведенных исследований изложены в <■ публикациях и обсуждены на Региональной научно-технической конференции по порошювыи магериа-■ лам и плазменным покрытиям / Барнаул, 1988г./, Республиканской 'конференции "Современные проблеш порошковой металлургии, керамики п композиционных материалов" / Киев, 1990г./, III Региональной научно-технической конференции по порошковым материалам и • покрытиям / Барнаул, 1Э90г./. . ...

• Структура а объам диссертации. Диссертация состоит из введения, в глав, основных выводов к приложения. Она содерь«гг 1С9 «транпц, в том числе 52 рисунка, 4 таблицы и библиографический список из 159 навшновалий.

...'.. ' ■ ';СОДЕРЖАНИЕ РДБОШ /. " .

Во введении. обосновывается актуальность настоящей работы, формулируется ее основная цель п положения, выносимые на защиту.

Первач глава посвящена обзору литературных данных о струк-' туре а свойствах твердых сплавов как зольфрамосодэржаанх, так и ' бззЕОЛьфрамоЕых, ж областях их прсмыллэнного примзкения. Подробно рассмотрен вопрос получения карбидосталвй, при этом особое внимание уделено форсированно структура карбйдсстглей. Показано, что прн аадкофазноь. спекании усадка обусловлена тремя основными процессами: перегруппировкой частиц, растворзиием-осаздекпем и образованием жесткого скелета, прз ртом в зависимости от природа спэказшх компонентов, количества образованной жидкости, раз-мэра Tsspmax частщ и начальной пористости парсшссвой формовки какая-либо из стадий аадкофазногэ спекания становится преобладающей, а са\я стадии в процессе спекания накладывается одна на дру- \ гул. Формирование..структуры карбидостали обусловлено этими процессам. Однако, аз-за многокомпеяентноати слстекн диффузионное . процессы в различим температурннх интарвалзх слояны и • недостаточно. нзучены, хотя большоЗ экспериментальный материал дает ос-ковапие говорить о взаимодействия карбида титана со сталью с образованном "кольцобоЗ оболочки". В результата, ягого взаамодей-ствия мзшготся свойства карбида и класс стати. Окончательная

структура карбидостали формируется после проведения термообработки, которая также имеет свои особенности, благодаря наличии пор, межчастичных границ, химической и структурно неоднородности.

Анализ влияния микроструктуры на свойства карбидов алей показывает, что варьируя содераание компонентов стали, можно получить оптимальное сочетание различных свойств для каждой) случая эксплуатации изделий из карбидос. али в условиях агрессивных сред и пониженных температур.

Вторая г-два . посвящена .постановке задачи, обосновании выбора материалов.

Учитывая ограниченное число работ по спеканию келезо-марганцевых сплавов и отсутствие данных по спеканию карбида титана с этими сплавами, необходимо выяснить принципиальную возможность получения компактных материалов из порошков этих смесей. Исходя из этого,, сформулированы следующие задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели работы.

1. Исследовать кинетику хидкофазного'спекания карбидостали "ПС-сталь ИЗ. -.

2. Исследовать процессы явддофазного спекания карбидо- ' сталей с различным соотношением компонентов с цельв • получения сплава с оптимальной структурой /для получения высокой износостойкости/. * •

3. Определить фазовый .остав карбидорталей с различный ■ содержанием Т; С.

4. Определить основные механические характеристики хар-бидосталей различного состава. ' •

о. Разработать "ехнологию изготовления карбидостали с оптимальной структурой, обеспечивающей высокие эксплуатационные свойства материала в условиях интенсивного нагружения при резании мерзкого грунта.

Описаны способы получения карбидосталей, экспериментальна методики я методы расчета.

Сплавы приготовляли из порошков карбида тагана / ТУ 48-Ху^в-^З/ и стали Гаадильда /СБ110ПЗ/ по стандартной для порошковой металлургии схеме, включавшей -приготовление смеси из порошков исходных компонентов, прессование "жеси с пластификатором, спекание.

Плотнеть спеченных образцов определяли циклометрическим ?;етодом.

.Для исследования микроструктур полученных карбидост?.-

лей использовали металлографию, электронномикроскопическо и с-, следование проводили на микроскопе РЯЛ-200. Для изменения фазового состава использовали рентгеносгруктурный анализ на установке "ДРОН-3" и микроренигеноспектральный анализ на установке "ЗХ -100я.

Механические испытания полученных образцов проводили по стандартным методикам. Твердость по Роквеллу определяли при нагрузке 490Н /ГОСТ 20017-74/. Испытания на прочность при изгибе /ГОСТ 20019-74/ и сжатии /ГОСТ 25602-80/ проводили на установке "ИНСТР0Н-ИЯ5".

При испытаниях на износ по мерзлому : тунту оце: -¡вали работоспособность сплавов.

Третья глава посвящена изучению формирования менфазной границы при спекании и кинетики спекания карбида титана со сталью Гадфильда. Поскольку спеченные сплавы, как правило, неоднородные, то -эксплуатационные свойства их во многом определяются не только исходными вещестгами,. но и температурно-временными характеристиками спекания, поэтаду изучение кинетики зпекаяия-обязательное условие при разработке технологии получения новых сплавов. Обычно температуру спекания карбвдостали выбирают вывг температуры плавления суали и ниже температуры плавления карбида, ориентируясь на температуру плавления стали. Но для стали . Гадфильда температура плавления имеет довольно широкий интервал-от 1560К до 1680К, поэтому градставляло интерес исследование спекания. Т/ С со сталью Гадфильда в инте^але генератор от 1470К до 1720К,. что дает возможность проследить начало появления жидкой фазы и установить температуру, при которой происходит интенсивное взаимодействие карбида титана со сталью. Образцы для исследования получали из порошка СППОПЗ в виде таблеток высотой 5 и диаметром 10 мм, в которые запрессовывали пластинку из спеченного карбида титана. Образцы спекали в защитной атмосфере гелия при 1470,' 1520, 1570, 1620, 1670 и 1720К с выдержкой при каждой температуре в течение I часа. В плоскости образцов, перпендикулярной зоне контактирования, готовили шлиф и проводили металлографический и рентгеновский фазовый анализы. Металлографические исследования спеченных образцов показали, что плавление стальной связки происходит при 1570К., В связи с тем, что диффузионные процессы проходя: в твердом состоянии кинетика спекания определяется взаимодействием компонентов порошковой смеси стали: происходит "рассасывание" мекчасгичных границ установление ме-

таллкческого контакта, при этом линия границы мезду частицами разделяется на ряд разобщенных друг от друга участков, форма частиц исходного порошка не сохраняется. При плавлении стальной связки вследствие растекания жидкой фазы быстро увеличивается меявазная поверхность. Зерна стальной связки приобретают полиэдрическую форму, увеличиваясь в размерах, а поры обосабливаются и становятся круглыми. Расплав пропитывает карбидную пластину, при этом увеличивается глубина зоны взаимодействия. На границе карбида титана и стали появляется множество мелких карбидов, а в глубине полосы наблюдается рост карбидных зарен при увеличении температуры спекания.

Измерение шкротвердости показало, что при низких температурах спекания /1470К, 1520К/ микротвердость стали Гадфильда- -^:400.'Ша, а карбида титана -29600Ша. С повышением температуры спекания микротвердость стала увеличивается по мере приближения к карбидной полосе, что свидетельствует о взаимодействии карбида титана со сталью, при этом микротвердость карбидных зерен снижается /рис. I/.

Рентгеноструктуряый анализ показал, что структура образцов, спеченных при 1720К, после охлаждения состоит из трех фаз: Т.С, ¡г-:.г.за и ¿<-<Т'аза, которая отсутствует з исходных порошковых материалах, а также у образцов, спеч'енныхпри более низких температурах. Таким образом,- увеличение температуры . спекания до 1720К. приводит к активному взаимодействию Т!С со сталью.

Исследование кинетики спекания проводили на сплаве, содержащем 40 об.,?-'ПС. Спекание проводили при температурах: ■ 1520, 1570, 1620, 1670 и 1720К с выдержками 30 мин., I, 2, 3 и б часов, при этом плотность образцов служила показателем завершения процесса спекания. Анализ зависимостей изменения пористости и твердости спочонкых сплавов от режима спекания показал, что теотература спекания должна быть 1620К-17201С, а длительность изотермической выдзрхки не должна превышать двух часов, т.к. увеличение длительности спекания не приводит к по-мкеяию твердости и плотности карбадосгалеи. Фот режим был признан оптимальным.

"металлографический анализ спеченных карбидосталей показал наличие двух структурных составляющих: округлые зерна Т1С

с-';- -¡ая связка. При невысоких температурах спекания для структуры кя 1x3 идо стел л характерно наличие больших круглых об--.к.геЛ спязкн, окруженных карбидами. Увеличение температуры

Ну/о]

£3 24

го /6

ИПа & /О'К'К а

\ 5 ]

\ 3 /

\ 0 5

\ т ж ¡ею т,к

а

Ш 1570 ¡670 Т,К

ш т № I

Рис. I. Изменение микротвердости зерен Т•С при увеличении температуры спекания /а/ и увеличе-' о., ниэ ширины полосы взаимодействия Т?С со сталью /б/.

Рис. 2. Изменение периода решетки Т| С /I/, /-/2/ и д -фазы /3/ в зависимости от режима спекания: Т =1 /а/ и 6 час. /в/, г -1620К /б/ и Т=1670К /г/.

спекания приводит к сокраг тго размеров этих областей и появ-— т , Г* новых зон, макротвердость которых соответству-Гшкр1ердости 'тегированных карбидов стали. Увеличение давности спекания /3 часа/ приводи- к росту карбидшх з.рен. Бри дальнейшем увеличении изотерической выдержки /6 часов/ происходит миграция жидкой фазы, которая обусловливаетнерав-номэрное распределение связушей фазы но объему сп, шнного б-разца, при этом в структуре сплава образуйся круп^е в^че-ния металлической связки и обедненные ш участки скопления

"Рб^ереш»,гакРотвердости, проведенное в.оль * показало, что увеличение температуры и длительности *зотвг^ес-Г ыдер-и приводит к за^ному повышен стеной связки и уменьшению разброса значении. Однако высокая

—а " =х

«льствует так*е . -»ни. со-дертания элементов Ш и Т," вдоль .лифа, получанное с— микрорентгеноспектрального анализа: при невысока Герату

pax встречаются участки по 20-50. им, в которых концентрация титана равна 0, а концентрация марганца ~>14%, увеличение температуры и длительности спекания приводит к исчезновению таких областей к более равномерному распределению, марганца и титана вдоль шлифа.

Рентгеноструктурнйй анализ показал изменение фазового состава в зависимости от режима спекания / рис. 2/. При невы-^ соках температурах - стальной связке наряду с аустенитом идет образование мартенсита. При увеличении температуры.спекания увеличивается диффузионная подвижность атомов, ч-"0 приводит к перераспределению их и появлению Л-$аьы. Увеличение длительности изотермической выдеркки при спекании приводит к активному взаимодействию- éa-, о чем свидетельствует изменение интерференционных линий карбида титана на дифрактограммах: происходит ■ постепенное улирэ'тие линий карбида титана, а затем их раздвое-. ни9, что говорит об образовании двух карбидов титана с разными параметрами реиетхи. Образование дефектных по углероду карбидов Т(С приводит к обогащению стальной связки углеродом, что,'в свою очередь, способствует образованию карбидов цементитного-типа / £е,Мп/3С, Выделение карбидов / Fe,mn/,C обедняет аусте- . нит углеродом и марганцем и способствует превращению. Для

микроструктуры.птих карбидосталей характерны крупные /до 15 гдаэл/ зерна карбида титана полиэтнической, формы. Следует отметить, что такая форма' карбидов являится, метастабильной. Увеличение длительности спекания /до 6 час./ приводит снова к образованию карбида титана сферической формы. На дифрактограммах карбидо-сталей, спеченны" при изотермической выдержке до 6 часов, раздвоение линий Tic таю: ) кеч зает, но уплачивается содержание oí --'ази в стальной связке. Анализ изменения относительной интенсивности и ширины линий кпрбида титана /200/, /III/ и ^-Fe /IIV, а также изменение шхротвердости от режима опека ¡я позволил представить кинетику спекания следующим образом. При 'i импературе начала жидкофазного спекания происходит растворение карбидов титана в стальной связке и обогащение ее углеродом, что вРпет к образованию карбидов цементитного типа, при птом в стале образуются зоны, сбедненнНе углеродом, в которых при охлаждении образуется мартенсит. Увеличение температуры и длительности спекания веет к диффузионному перераспределению атомов Fe, :.'д, Tí и С, что усиливает процессы карбидообразова-ния и приводит .к появлению участков микронеоднородности, которые являетая наиболее вероятными местами возникновения зароды-

шей новой фазы, создавая условия для превращения. Данные иа-водн подтверудазгся результатами, приводимьта в литературе! по исследования влияния содержания .Si и С на структуру металлоке-ромической знсокомаргапповой стали: при дефгпите 1.'а /IO-IIi / структура состоит из аустекита н значительного количества участ-г.ов перлита, а при дефиците углерода /0,9-1£ при 13$ Мл/ наблюдается аустенито-мартексигная структура. Ловыненно содержания /.'it /C-const/ и углерода /Ып,-const / способствует образованию аустенитной структуры.

В четвертой главе приведет-' результаты исследований процессов спекания карбадосталей с различным содержанием карбича титана,' которые прободалась с долью получения компактного ма- • терзала с оягикельной структурой.

Cms хаян е проводили для карбадосталей, содержащих от 30 до 7Q об.;» TiC, по оптЕкашк>Ц7 раяяп/, полученному ранее.

Перед спеканием было изучено лгкзненае плотности npscco-20к с различным содеркагада» карбида титана от давления прессования. В результате выявлено''оптимальное давление прессования /4-6/ IO~:,Va: гкжьпйэ давление прессования ко обеспечивает необходимую прочность прессовок, а высокие давленая пргводят к сокращению срока слуя£ц пресс-форм и, кроме того, увеличение относительной плотности бо ее 75затрудняет хазовцделешге при Епгоракии каучука..

Изучение микроструктура получениях кярбкдосталей показало, что для ког.гпозшйй, содзртотпх Р0-50 oö.f: TiC, хзрак-.-ергга :г з регсуппировка тзердаг частпх иод роздзЯст»;:зм ть-тенпя квдкос-хх и п.оэкрйсталкизвция по мехашзз'лу "растроройне-осзгланис'', причем дк сплавов с наюлевьвпм содержанием карбиде /30 с б.;;/ хзюгкт'зтззэ ксжгчей хотплых областей связки, опругешшх крлкд-Узаглетпе содержания Т/С до -J0 об.,.' приводит к

характерны как агломераты сросшихся карбидных частиц, так и скопления связки. Увеличение содержания Т!С до 70 ой.% приводит к псвшаению однородности структуры, но наблюдается рост карбидных зерен, ч целом процесс перекристаллизации для карби-досталей, содержащих более 50 об.# Tic, играет незначительную роль, определяющим механизмом спека,гия является коалесценция.

•А'-глиз распределения карбидных зерен по размерам з карбидосталях с различным содержанием TiC показал, что неоднородность свойственна всем исследуемым материалам. Однако, для сплавов, содержащих менее 50 о6.% TiC, характерно большое количество мелких зерен, крупных же частиц мало. Так, в карбидоота-ле с 40 об.% Tic частиц размером менее 2 мкм около 56$, а час-тли размером более 5 мкм- примерно На гистограммах, соответствующих сплавам с содержанием TIC менее 50 об./S, хорошо вы-рахено смешение ц.нтра симметрии распределения в сторону мелких частиц. Для карбидостали, содержащей 70 об.% TiC, доля карбидных частиц' размером м^нее 2 мкм составляет приблизительно 2Ь%, а части- размером более 5 мкм - 42&, что свидетельствует о коалбсценции карбидных зерен.

Анализ зависимостей пористости от температуры спекания и- соотношения компонентов показал, чт<° из-за недостаточной смачиваемости удовлетворительно спекаются .:арбидостали, содержа-!цяе ЬО и менее объемных процентов карбида' титана. Увеличение содержания TIC приводит к росту пористости. Известно, что при спекании порошковых смесей, компоненты которых образуют диаграммы состояний с более или менее значительными областями ограни--чанной растворимсзти, образование жидкой фазы может приводить и к увеличению р^-эмероп спо енного образца в силу развития процессов гетеродиффузии.

Рентгеноструктурный анализ показал, что все спеченные карбидостали содержат три TIC, ¿--Fe и d-Fe, причем с .-т-ач-.-вдем содержания карбида типна в сплаве увеличивается содержание <*-Fe в стальной связке, что, в свою очередь, умень-пет содержание ¿-Ге, т.е. происходит изменение отношения 1:птенс,.внссте'' /-фазы и «-фазы /рис._ з/.-Другим словами, с увеличением содержания TiC в карбидостале образование е*-фазы идет интенсивнее, что вообще характерно для сплавов ТГС-сталь. Таким образом, при высок'м содержании карбида титана, когда г.роадэйки свяяуэдей стальной фазы оказываются тонкими, состав стальной связки в результате взаимоде!'ствия карбида титана со

-о 13 -

сталью значительно изменяется, а содеркание связанного углерода в TIC приближается к стехаометрическому, что приводит к ухудшению смачиваемости. Для уменьшения времени контакта карбид-связка в работе был использован метод инфильтрации карбидотита-нового каркаса расплавом стали Гадфильда. Микроструктура такой карбидостали состоьт в основном из разобщенных зерен TiC. Гистограмма карбидных зерен показывает, что для содержания Tic в сплаве. этих сплавов характерна малая

дисперсия размеров зерен карбидов, почти нет крупных зерен, средний размер карбидных частиц примерно 2 мкм, причем более 5 мки частиц почти нет, т.е. величина карбидных зерен после пропитки меньше по сравнили с исходным порошком Tic, что свойственно карбидосталям, полученным пропиткой.

Рентгеноструктурный анализ показал, что при пропитке в вакууме фазовый состав стальной связки изменяется. Высокая склонность марганца к сублимации при нагрэве стали в вакууме приводит к изменению фазового' и химического, состава материала. Проведение пропитки в защитной' атмосфере гелия при избыточном давлении 0,1 Ша показало, что фазовый состав стали не изменился по сравнению с исходны!,га порошками.. Однако увелгчрчие длительности пропитки, т.е. более длительный контакт карбид-св: зка, способствует появлению-в структуре стали е<-фазы, количество которой увеличивается с увеличением времени пропитки.

Пятая глава посвящена изучению механических свойств карбядосталей с различным содержанием карбида титана.

изучение влияния содержания Tic на пористость карбядосталей показало, что наименьшая пористость соответствует спла-. вам, содержащим 50.об.;» Т/С, Уменьшение содержания карбида _и-тана несколько увеличивает пористость, что связано с ухудшением однородности микроструктуры, а увеличение содержания /более 50 об.;* / резко увеличивает пористость карбядосталей, сникая прочностные свойства их. Порисюсть менее 1% соответству-

Рис. 3. Изменение отношения Jу/1* для линий /III/ £-Fe и /ПО/ ¿-Ге в зависимости от

г

О-щг, 2,0

1.6

12

0,8

О,А

О

ГПа 7a : (Хх, Г/& 2.3

■ кГД Нл 2,0

\ \ J 1.6

Q ¿г ' 1Л

30 l¡0.59 60 70 30 40 5Q 60 70 T/ücS.%

Рис. 4. Изменение предела прочности, при изгиба /а/ к снатьм/б/ в зависимости от содержания Т(С в карбидостале / * -сплавы, полученные пропиткой /.

ег карбидосталяы, полученный пропиткой, прочностныэ свойства мткг карбвдосталэ:'. самые высокие /рис. 4/. -Закономерности из-иэнения механических свойств /твердости и прочности/ в зависимости ог содержания Т?С в карбидостаяях аналогичны твердый сплавам. йарбцдная составлявшая оказывает значительное влияние на • структуру стальной .связки, фазовые превращения в ней п, соот-взтстЕаано, на свойства карбздосталой в цзлпм. Ректгенострук-турный анализ показал, что увеличение Ы-фаза в стальной связке 'существенно снижает прочносгсшз свойства карбидосталэй /рис.5/ Анализ дайтэактограм:.! полученных карбадосталей показал, что сшгап, содоргаудк сталь с иакболза нзстабильным аустенито:.?, обладает егшга шеоккж прочноса-шйЕ сво-гтЕамп, что связано с дзйор-ущткэпкза связка. Цровсдешше ранее пссяедозалгк салеврв и^-ПЗ. а метасуабшъЕох состоянии аустскгсс. ¿охаяла, цуо в крякосоз гроисходаг накол-езкао дс^з::хоь, ¿г-

корглгсогких и дг-чп^сз что пс;.зол;:ит г?-

рзлг-::с:.рзг-;с-.тл- .-гх^уг^.я " хгоргр^спрсгдалять

л;;, про-.кссг:: :: п."стпч-

г.эгл'::.

У.: ДД-„

:::ого корзргепрдь

•■'■О "Г

.ДК.Э .с

д.. г-:,; тгл".

О- 15 -

Рис. 5. Изменение предела прочности при изгибе э зависимости от содержания ■ с<-фазн з стала.

30 40 50 60 ГО■ Т:С)о£.%

Рис. 6. Влияние закалки на изменение износостойкости нарбидосталай / * -закален-.шо образцы/.

на я стальной связкой количества с>£-фазы в стала уменьшается, а. ¿¡'-¿ваза образуется, с попаленным содержанием углерода. Известно, что наиболее устойчивой к разрушению является марганцовистая сталь с наиболее нестабильным аустенитом. Повышение износостойкости стальной связки вед^т к увсличзнпю износостойкости карби-достали в целом /рис. 6/. Износостойкость по мерзлому грунту полученных пропиткой карбидосталей, в которых стальная связка находится в состоянии кетастабилЗьного аустенита, равна износостой-■ кости Еольфрамокобальтовнх твердых сплавов.

Таким образом, при репенип вопроса повышения эксплуатационных свойств материала следует асходить из конкретно'условий работы с учетом преобладающего вида нагружения и механизма изнашивания, при ятом для каждого реального случая получать оптимальный фазоЕо-структуршй состав стальной связки, обеспечи-ваядиГ благоприятное сочетание износостойкости и способности сопротивляться хрупкому разрушений з условиях нормальных и пониженных температур.

В шестой главе приведены результаты опытных лсштаний карбидосталей в качество материалов, работаьдих в условиях интенсив:.ого износа.

Испытания показали, что пласткни для зубков барогнх ма-

шин, изготовленные из карбвдостали, обладизт теш ке показателями ударно-абразивной.износостойкости, что и твердосплавные пластины Ш-8. Шарошки для бурового инструмента такке показали хорошую работоспособность.

Замена твердого сплава БК-8 на полученную карбидосталь повысила срок службы сопел распылительных камер для окрасочных агрегатов высокого давления в 4 раза.

Расчет экономической целесооиразности замены твердых сплавов полученной карбвдосталыо показал, что дане при равной износостойкости большой экономический эффект образуется -а счет более низкой цены получения прбидостали: цена получения пластины из карбидостали в 3 раза дешевле, чем пластины из Ш-8.

Проведенные испытания позволили рекомендовать получегчузо карбидосталь для широкого использования в качестве износостойких деталей.,

основные вывода

в работе иьучена карбидосталь, в которой в качестве связки использовалась сталь ГаЩнльда, а в качестве упрочните-дя- карбид титана. в результате проведенных всследовакх: предложены оптимальные составы карбидосталей, рожимы их получения и термической обработки в соответствии с теми требованиями, которые предъявляются при эксплуатации. Следует отметить, что при изготовлении инструмента сложной формы целесообразно применять жид эфазное' спекание, а для деталей простой формы использовать метод инфильтрации карбидотитанового каркаса сталью Гадфильда. Проведенный комплекс исследований позволяет сделать следующие выводы.. •

I. Исследование взаимодействия карбида титана со сталью Гадркдьда в интервале температур 1470К-1725К показало, что до ' температуры 1570К спекание осуществляется по твердофазному ке*-.. ханизму. При температуре спекания 1570К происходит плавление стальной связки, при этой- усиливаются диффузионные процессы,• что способствует появлению пористости на границе карбид титана-сталь Гадфильда вследствие гегеро,эффузии. С увеличением температуры спекания взаимодействие карбида титана со сталью усиливается, в результате чего карбидные зерна увеличиваются в раз-ме|кзс, а в стальной связке происходит изменение фазового состава /появляется еС -фаза/.

2. Изучение кинетики спекания карбидостала показало, что существенную роль в формировании структуры играет образование карбидов из-расплава пересыщенной по Ti и С связки при растворении Tic. При температуре начала жидкофазного спекания в стальной связке происходит выделение карбидов цементитного типа /Ге,Мп/3С. которые обедняют аустенит углеродом и марганцем, что приводит к образованию мартенсита при охлаждении. Увеличение температуры, а такке длительные изотермические выдержки усиливают эти процессы, в результате в стальной связке образуется ¿-фаза.

Найден оптимальный режим спекания карбидостали.

3. Установлены особенности формирования структуры карби-досталей с различным содержанием Tic. Показано, что при содержании TiC менее 50 oö.i, уплотнение происходит за счет процессов перегруппировки и растворения мелких карбидных частиц и осавдения их на крупных карбидшх частицах, при этом при охлаждении из насыщенного расплава выпадает много мелких частиц карбида. Для карбидосталей, содержащих свыше 50 об.? TiC, одновременно протекают оба процесса - перекристаллизация через явдкуп фазу и коалесценция, при птом резко возрастает средний размер карбидного зерна. Структура этих карбидосталей счень неоднородная. Ввиду недостаточной объемной доли жидкой фазы происходит сращивание карбидных частиц за счет взаимной диффузии и интенсивное взаимодействие Ti'C со связкой, благодаря уменьшению прослоек жидкой фазы мезду карбидными зернами. В результате этого взаимодействия состав стальной связки сильно изменяется, а содержание связанного углерода в TiC приближается к стехиометри-ческому, что приводит к ухудшению смачиваемости, и, следовательно, к увеличению пористости. Применение метода инфильтрации карбида титана сталью Гадфильда позволяет избежать нежелательных эффектов, связанных с взаимодействием компонентов в карбидостала с высоким содержанием TIC, л получить компактный материал с однородной структурой с карбидным зерном порядка'2 мкм

4..Рвятгеноструктурный анализ.полученных карбидосталей позволял установить влияние режима и способа спекания, а также содержания карбида титана в карбидостала на процесс'структурных изменений в стальной связке. Показано, что изменение фазового состава стальной связки происходит в результате-взаимодействия Tic со сталью Гадфильда при кидкофазном спекании или вследствие сублимации марганца при пропитке в вакууме. При увеличении со-

держания Tí С в карбидостале образование л-фазы идет интенсивнее, при атом количество ^-фазы уменьшается, что отрицательно сказывается на свойствах карбидосталей.

5. Определены физико-механические свойства карбидосталей с различным содержанием Ti С при разных режимах спекания. Наиболее высокие прочностные свойства характерны спеченным карбидо-сталям, содержащим 50 об,% TÎC, к карбидосталям, полученным пропиткой. Анализ связи микроструктуры со свойствами показал, что применение пропитки для получения карбидостали с высоким содержание» TÎC повышает прочностные свойства в 3-4 раза по сравнению со спеченными карбидосталями такого ке состава. Анализ изменения фазового состава стальной связки показал, что прочностные свойства карбидостали выше, когда стальная связка находится в метастабильном состоянги, что позволяет перераспределить нагрузку на карбидные частицы. Применение закалки с целью получения метастабильной стальной связки позволяет улучшить-механические свойства карбидосталей. Наибольший я№.ект закалки проявляется при испытании карбидосталей на износостойкость, т.к. самым высоким сопротивлением ударно-абразивному изнашиванию обладает сталь с наиболее нестабильным аустенитом.

6. Проведены испытания карбидосталей в условиях промышленного производства Испытания показали, что пластины для зубков баровых машин, а также шарошки для бурового инструмента, изготовленные из карбидостали, обладают теми же показателями удар-но-абразивной"износостойкости, что и твердый сплав БК-8. Заме-, на твердого сплава БК-8 на полученную карбидосталь повысила срок службы сопел распылительных камер окрасочных агрегатов высокого давления в 4 раза.

ИспользованЕ карбидостали в качестве износостойких деталей' конструкционных материалов позволяет получить экономию вольфрама и кобальта, пги этом экономическая эффективность полученных карбидосталей составляет 72000 руб./т, благодаря низкой стоимости исходных порошков для карбидостали по сравнению с вольфрамосодержащивд сплавал: i /расчет произведен в ценах 1990 г./.

* Основные результаты диссертации опубликованы в следующие работах: " ч

I. Панин В.Е., Кульков С.Н., Яблокова О.В. Формирование межфазной границы при спекании карбида титана со сталью Гад-фпдьда // Порошковая металлургия.-1985.-Jé 7.-е. 37-39.

2. Яблокова О.В., Кульков С.Н. .Получение карбидостали Т/С-ПЗ// Тезисы конф. "Порошковые материалы ; плазменные покрытия", Барнаул,- 1988. • '

3. Яблокова О.В. Влияние фазового состава на механические свойства карбидостали // Тезисы докладов конф. "Современные проблемы порошковой металлургии, керамики и композиционных материалов".- Киев,- 1990.

4. Яблокова О.В., Кульков С.Н. Исследование кинетики спекания карбидостали ТГС-ПЗ // П рошковая металлургия.- 1990.-

й 7.- с. 13-16.

5. Яблокова О.В. Нетяние термообработки на износостойкость карбидостали // Тезисн научно-техяической конф. "Порошковые материалы и покрытия".- 1990.

6. Яблокова О.В., Купысов С.Н. Влияние состава на свойства сплавов карбид титана-сталь ИЗ // Порошковая металлургия.-1992,- й 4.- с. 95-97.

7. Яблокова О.В., Кульков С.Н. Структура и свойства сплавов Т!С-сталь ПЗ // Изв. ВУЗов, се±'. Черная металлургия.-1992.- »-4,- с. 51-53.

4..