автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Технология получения, структура и свойства износостойкого композиционного материала на основе карбида титана, полученного с использованием СВС

На правах рукописи

РГБ ОД

2 2 дг:;

ВОДОЛАЖЕНКО Роман Анатольевич

УДК 669:546.821 '261].002.237

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ИЗНОСОСТОЙКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ КАРБИД А ТИТАНА ПОЛУЧЕННОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВС

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и

композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2000

Работа выполнена на кафедре физики и математики Пятигорской государственной фармацевтической академии.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кудимов Ю. Н.

Научный консультант:

кандидат физико-математических наук, доцент Гаврилов Н. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дорофеев В. Ю.

кандидат технических наук, инженер отдела главного технолога ООО «Новочеркасский магнит» Куликов В. В.

Ведущее предприятие: Карачаево-Черкесский технологический

институт, г. Черкесск

Защита диссертации состоится «30» ноября 2000 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета К. 063.30.10 в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮРГТУ (НПИ).

Автореферат разослан: «2т» октября 2ООО г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к. т. н., доцент

Горшков С. А.

мм ЯП/г /г о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. * Внимание к проблеме создания композиционных металлических материалов с заданными физико-механическими свойствами под конкретные условия эксплуатации непрерывно возрастает, начиная с середины 60-х годов. Это объясняется прежде всего тем, что возможность повышения механических свойств традиционных металлических материалов конструкционного назначения практически полностью исчерпаны. В то же время методы проектирования композиционных материалов (КМ) позволяют на практике реализовать научные принципы конструирования материалов с заданными физико-механическими свойствами.

Проблему разработки КМ и, в особенности, КМ с металлической матрицей, можно рассматривать в виде суперпозиции нескольких крупных задач: достижения оптимального уровня взаимодействия компонентов КМ, разработки и создания специализированных технологических процессов получения КМ конкретного назначения, исследования физико-механических свойств КМ для наиболее эффективного их применения.

Эти материалы- также являются перспективными ввиду своей относительно низкой стоимости, уникальным свойствам и, в первую очередь, высокой износостойкости. Особое внимание в последние годы уделяется созданию износостойких КМ с особыми свойствами на основе карбида титана.

Создание таких КМ возможно при применении пршщипиально новых технологических процессов получения КМ, например,

самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в порошковой смеси чистых элементов и металлической связки. Соединение в едином цикле СВС химического соединения и динамического компакгирования продукта реакции открывает широкие возможности для получения КМ с заданными свойствами.

Однако, высокие скорости экзотермических реакций синтеза и фазовых превращений при получении износостойких КМ методом СВС создают значительные трудности в управлении технологическим процессом.

Поэтому для технологии получения КМ на основе карбида титана необходимо решить ряд задач, прежде всего оптимизировать технологические режимы получения КМ на основе математических моделей процессов СВС химических соединений в порошковых смесях исходных элементов, а также исследований структуры и механических свойств синтезированных под давлением сплавов и КМ на их основе.

В связи с вышеизложенным представляется целесообразным исследование закономерностей высокотемпературного синтеза карбида титана в режиме теплового взрыва порошковой смеси чистых элементов и порошковой смеси с инертным наполнителем и оптимизация технологического процесса получения износостойкого материала на основе карбида титана методом СВС.

Исследования были осуществлены на кафедре физики и математики ПятГФА. Работа была выполнена в соответствии с темой «Контактное

плавление и жидкофазное спекание композиционных материалов на основе карбида титана» (регистрационный номер 01.960.009195), включённой в план НИР ПятГФА.

Цель и задачи исследования. Целью работы является оптимизация параметров технологического процесса получения износостойкого композиционного материла на основе карбида титана методом СВС.

Для решения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать математическую модель высокотемпературного синтеза карбида титана в системе чистых элементов с инертным наполнителем порошка нихрома в режиме теплового взрыва;

- исследовать влияние объемной долн инертного наполнителя на термограмму процесса синтеза карбида титана и фазовый состав конечного продукта;

- изучить влияние объемной доли инертного наполнителя на полноту протекания реакции высокотемпературного синтеза карбида титана в режиме теплового взрыва порошковой системы титан-углерод;

- исследовать структуру КМ на основе карбида титана, полученного методом СВС-комнагсгированиеем и сравнить со структурой КМ полученных традиционными методами порошковой металлургии;

- определить свойства композиционных порошковых материалов, полученных механическим измельчением СВС-металлокерамического компакта;

- разработать технологию получения материала с наиболее высокими для данной системы прочностными свойствами при мелкозернистой структуре и минимальной пористости и рекомендации по её практической реализации.

Научная новизна. На основе физических представлений о диффузионной кинетике образования химического соединения на границе раздела разнородных порошковых частиц разработана математическая модель процесса синтеза карбида титана с инертным наполнителем. Путем совместного решения уравнений диффузионной кинетики образования химического соединения и уравнения теплового баланса определены количественные закономерности процесса синтеза карбида титана в зависимости от скорости нагрева, дисперсности порошковой системы и объемной доли инертного наполнителя.

Практическая значимость работы. Создана математическая модель высокотемпературного синтеза карбида титана в режиме теплового взрыва порошковой смеси чистых элементов с нихромовой связкой, позволяющая оптимизировать процесс высокотемпературного синтеза карбидных композиционных материалов заданного фазового состава.

Реализация результатов работы. Из сплавов на основе карбида титана с нихромовой связкой, полученных с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, изготовлены ножи экструдеров для грануляции полиэтилена. Изготовлена опытно-промышленная партия ножей, которые успешно прошли производственные испытания на МП ПНТЦ (г. Пятигорск).

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на Северо-Кавказской региональной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Эдельвейс - 96» (Нальчик, 1996 г.), Всероссийском, симпозиуме «Математическое моделирование и компьютерные технологии» (Кисловодск, 1997) и ежегодных научных конференциях ПятГФА (Пятигорск 1996,2000 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Структура н объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений, содержит 120 страниц машинописного текста, 21 рисунок, 5 таблиц, список литературы из 127 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Кратко отражена история создания безвольфрамовых твёрдых сплавов (БВТС). Выявлены факторы, на которых основывается дальнейшее развитие разработки новых БВТС. Отмечены недостатки и преимущества сплавов на основе карбида титана по сравнению с твёрдыми сплавами - Со. Обоснована актуальность разработки сплавов на основе Т1С, лишённых присущих им недостатков, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведён обзор опубликованных работ по теме диссертации, на основании которых сделаны следующие выводы:

- КМ на основе карбида титана являются одними из наиболее перспективных материалов в силу своей высокой твёрдости, коррозийной стойкости, довольно высокой технологичности и сравнительно низкой стоимости;

- одна из основных трудностей, с которой сталкиваются при изготовлении композитов на основе НС, заключается в получение мелкозернистой структуры. Твёрдость БВТС определяется их составом \ структурой: чем меньше карбидные зерна, тем твёрже материал;

- известно положительное влияние на твёрдость и износостойкосп добавок дополнительных упрочняющих фаз, однако применение этих добаво) сдерживается их отрицательным влиянием на характеристики пласгачносп КМ. Количество добавок выбирается, как правило, экспериментально;

- имеется большой экспериментальный материал по влияню легирования связки и температуры спекания на свойства КМ на основе карбид титана с нихромовой связкой, но не связаны воедино: концентраци легирующих компонентов, температура спекания, структура и свойств материала.

Проведен обзор известных работ в области исследований процессов СВ химических соединений в дисперсных системах с различным характере взаимодействия компонентов методами структурной макрокинетики, основ которой были заложены в фундаментальных работах Семенова Н.Ь Зельдовича Я.Б., Франк-Каменецкого Д.А. и Мержанова А.Г. Обсуждек

сформулированные Мержановым А.Г. элементарные модели горения, учитывающие только контролирующие скорость горения факторы и позволяющие в максимальной степени упростить задачу прогнозирования теплофизических параметров процессов синтеза химических соединений в конкретных порошковых системах. Рассмотрен механизм безгазового горения порошковых систем, образующих интерметаллические соединения. Взаимодействие компонентов в таких системах определяется процессами реакционной диффузии и растворения, а образование прослоек продуктов взаимодействия на поверхностях раздела происходит на фоне непрерывного процесса растворения твердых продуктов в расплаве. Суперпозиция процессов образования и растворения продуктов химической реакции взаимодействия исходных компонентов имеет диффузионную природу и моделируется в рамках макроскопической кинетики образования химических соединений на основе дифференциальных уравнений теплопроводности и диффузии, отражающих движение границ фаз и перераспределение концентрации вещества в фазах элементарной ячейки порошковой смеси.

Во второй главе дана характеристика используемых материалов, технологического и исследовательского оборудования, описаны методики теоретических и экспериментальных исследований, технология получения КМ методом СВС.

В качестве исходных материалов использовали порошки Ti, сажи ПМ-15 TiC, Ni, Cr, NiCr и A1 Донецкого завода химических реактивов.

Исходные порошки подвергали измельчению в шаровой вибромельнице со стальными шарами при соотношении масс шары/смесь - 5/2, с частотой вращения 250 мин'1 и амплитудой 20 мм. Содержание карбида титана варьировалось от 30 до 80 мае. %. Порошки подвергали входному контролю, просеивали, в .необходимых пропорциях смешивали, в смеси вводили пластификатор (1 % - ный раствор каучука в бензине), протирали через сито с ячейкой 1 -2 мм. Навески смесей прессовали в пресс-формах на гидравлическом прессе П6324 при давлении прессования 98 МПа. Пористость исходной прессовки мало зависила от состава и находилась в интервале 28-34 %.

Основная порошковая смесь для исследования синтеза состояла из титана и углерода в виде сажи, смешанных в стехиометрическом отношении 4 : 1, и нихромовой связки. Компоненты предварительно просушивали и просеивали через сито. Размер частиц титана составлял 40-100 мкм, что отвечает их наибольшей реакционной способности. Основа порошковой смеси для исследования синтеза состояла из частиц титана размером 40-100 мкм, что отвечает их наибольшей реакционной способности, и углерода в виде сажи, смешанных, в стехиометрическом отношении 4:1, и нихромовой связки. Компоненты предварительно просушивали и просеивали через сито. Навески смесей прессовали. С помощью электрического тока через нихромовую проволоку, которая .была приведена в соприкосновение с образцами и через тоководы подсоединена к трансформатору,. иницнровали СВС. В процессе нагрева и синтеза регистрировали ток и температуру порошковой смеси с помощью вольфрамо-рениевых термопар. Подключение к термопаре

if

светолучевого осциллографа позволило получить температурные зависимости от различных параметров. Композиционный порошок получали механическим измельчением композиционного компакта.

Для получения беспористых материалов была использована созданная лабораторная установка СВС-компактирования, в которой разогретый волной горения СВС-продукг подвергается уплотнению путём обработки давлением (рис. 1). Достоинством данного способа является простота проведения

процесса.

Спекание образцов осуществлялось в вакуумной печи СНВЭ - 1,3.1 /1 б ИЗ с остаточным давлением не выше 10"3 Па. Температуру спекания варьировали в диапазоне 1573 - 1730 К, а время изотермической выдержки до 3600 с. Управление изменением температуры осуществлялось микропроцессорным устройством "Протар 100" по заранее заданной программе.

Плотность материала определяли методом гидростатического взвешивания образца в воде я на воздухе по ГОСТ 18898 - 89. Погрешность в определении остаточной пористости составляла 1%. Измерения проводили не менее чем для 5 образцов каждого состава.

Микроструктуру образцов после спекания исследовали с помощью металлографического микроскопа МЙМ - 10. Образцы шлифовали на алмазных пастах. Отполированные поверхности образцов подвергались тепловому травлению реактивом Мураками. Определяли средний размер карбидных зерен и среднее расстояние между ними методом случайных секущих.

Образцы полученных сплавов испытывали по стандартным методикам. Твердость HRC определяли с помощью TP - 5006, при этом твёрдость каждого образца определяли в пяти точках и усреднялись данные для трёх образцов. Предел прочности при поперечном изгибе определялся но ГОСТ 20019 - 74 по трехточечной схеме. Микротвёрдость структурных составляющих измеряли с помощью прибора ПМТ-3 (ГОСТ 9450-76) по 10 замерам на 5 однотипных участках, чтобы избежать влияния случайных факторов.

Металлографический анализ, образцов полученных методом СВС-компактирования, выполняли с помощью микроскопа МИМ-10. Остаточную пористость КМ - методом секущих.

Исследование полученных функциональных зависимостей осуществляли с помощью персонального компьютера PC Pentium и программы Mathcad 8.0.

Третья глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процесса высокотемпературного синтеза карбида титана в системе чистых элементов с инертным наполнителем.

Рис. 1. Схема СВС-компактирования:

1 - пуансон; 2 -кольцо; 3 - шихта СВС; 4 - тепло-изолятор; 5 - прессформа; 6 - инициирующее устройство

Предложена следующая качественная картина взаимодействия углерода с титаном в волне горения: образование карбида титана на границе раздела компонентов предшествует растворению карбида в расплаве.

Оптимизация технологического процесса СВС КМ "П-С-инерт может быть реализована путем моделирования СВС процесса карбида титана в порошковой смеси титана с углеродом и нихромовой связки. Математическое моделирование синтеза карбида титана может быть построено по следующей схеме взаимодействия между титаном и углеродом:

1. Началом заметного взаимодействия при горении системы ТьС можно считать момент появления жидкой фазы.

2. После появления жидкой фазы на границе раздела компонентов образуется твердофазный продукт 'П-С, который непрерывно растворяется на границе раздела карбид - жидкая фаза.

С учетом перечисленных требований математическую модель необходимо рассматривать в приближении теплового взрыва (объемное реагирование). Исходная порошковая среда в модели может быть представлена как совокупность элементарных сферических ячеек, в центре которых находится частица тугоплавкого компонента (углерода). Температура разогрева термореагирующей системы вычисляется путем решения уравнения теплопередачи, уравнений движения границ фазы НС и диффузии вещества в ней. Необходимо рассмотреть задачу влияния объемной доли инертного наполнителя в виде порошка сплава ИСг и размера углеродной частицы на термограмму теплового взрыва порошковой смеси и фазовый состав конечного продукта реакции.

Предполагалось, что заметное взаимодействие в рассматриваемой системе начинается после плавления и капиллярного растекания титана по участкам среды, занятым тугоплавким мелкодисперсным компонентом -углеродом. До температуры плавления титана порошковая система нагревается за счет внешнего источника энергии.

Рассматривается цилиндрический образец, полученный прессованием смеси порошков титана и углерода с инертным металлическим наполнителем и без него. Смесь равномерно прогревается тепловым потоком мощностью \У. Объем образца V вычислялся по формуле:

У = (1)

где Ь - длина образца, йю - радиус поперечного сечения. В рамках модельных представлений о порошковой смеси чистых элементов с инертным наполнителем считаем:

1. Инертный наполнитель распределен в объеме порошковой смеси равномерно и делит порошковую смесь на микрообъемы, соотношение порошковых компонентов в которых соответствует их соотношению в общем объеме смеси.

2. Инертный .наполнитель не принимает участия в реакции синтеза карбида титана.

Началом взаимодействия титана с углеродом в процессах воспламенения и горения можно считать температуру плавления металла. В этой связи необходимо оценить величину мощности теплового потока, нагревающего данный образец до температуры* плавления титана, определить влияние инертного наполнителя на скорость нагрева порошковой смеси. Будем считать, что порошковая смесь нагревается внешним источником энергии до температуры плавления титана и тепловыделение от химических источников на этой стадии пренебрежимо мало.

Уравнение теплового баланса для образца из порошковой смеси титан -углерод запишется в виде:

Су V— = - аУ(Т - Т0) - сБ'(Т4 - Т04), (2)

(11

при (=0, Т=Т0,

где Су - объемная темлоемкость порошковой системы титан-углерод, V -объём образца, Т - температура, I - время, Б = гсК^ - площадь поперечного сечения образца, = +2яЯ0Ь - площадь поверхности образца, а -коэффициент теплообмена образца с окружающей средой, ст - коэффициент излучения в окружающую среду, То - температура окружающей среды.

Математическая модель теплового взрыва в системе ТьС-№Сг разработана на основе уравнений диффузионной кинетики образования химических соединений и уравнения сохранения энергии. Предполагалось, что хметаллический наполнитель делит порошковую смесь на элементарные микрообъемы и не принимает участия в реакции синтеза карбида титана.

При воспламенении порошковой системы титан-углерод, согласно диаграмме состояния этой системы на поверхности частиц углерода происходит растворение углерода в расплаве титана и образование карбида титана. Этот процесс описывается уравнениями диффузии углерода в карбиде титана и в расплаве титана:

дс/а = Б(Т) (д^/аг2 - 2/г дс/дг), п < г < г2 (3)

с0т-2) = сь с(г2.о) = с2

дс/& = ЩТ) (82с/5г2 - 2/г дс/дг), г2 < г <

с(г2_о) = сь дс/дг (Ке) = 0

где С) и с2 - предельные значения концентрации углерода в области гомогенности карбида титана, С1 - предел растворимости углерода в расплаве титана, Гь г2 - границы карбида титана, - радиус элементарной ячейки.

Б(Т) = Бо ехр(-ЩК Т)), ЩТ) = ехр(-Е|/(К. Т)) - коэффициенты диффузии углерода в карбиде титана и в расплава титана, соответственно, Е, Е1 - энергия активации образования карбида титана и растворения углерода в расплаве титана, О0, Ци - предэкспонентциальные множители, К - постоянная Больцмана.

Движение межфазных границ углерода с карбидом титана и карбида титана с расплавом титана в процессе образования и роста карбидной фазы описывается следующими уравнениями:

(1-сО Лч/й = В(Т) дс/дг | г1+0 (4)

Т < Тгщ.т;с

-О(Т) 5с/5г | г2_о - Е>1(Т) дс/дг | г2+<), где Тагта - температура плавления карбида титана.

Уравнение теплового баланса экзотермической реакции образования карбида титана в элементарной ячейке порошковой системы титан-углерод после нагрева последней до температуры плавления титана:

СуУ^ = Ш - КУС^р-п ^- аБ'(Т4 - Т04), (5)

при I = 0, Т = Тт.п

где Су - объёмная теплоемкость порошковой системы ТьС-№Сг, V -объём образца, Т - температура, {- время, N - количество элементарных ячеек в единице объема порошковой системы, N = (1-Р \^1)/(4/3 % К3е), Ф - скорость тепловыделения, То - температура окружающей среды, V) - относительная доля инертного наполнителя, У^- объём расплавившегося инертного наполнителя,

Объемную теплоемкость термореагирующей порошковой системы вычисляли по правилу смеси:

Су = СрБ Рт; Ут; - Срс Рс Ус - СР1 Р1 V;, (6)

где Сто, Срс, Ср - теплоемкость титана, углерода и инертного наполнителя, рхг, рс, Р\ и Уп, Ус, V, - плотности и относительные объемы титана, углерода и инертного наполнителя, соответственно.

При нагреве порошковой прессовки до температуры плавления титана, наряду с образованием на поверхностях раздела углеродных частиц с расплавом титана карбида титана, происходит растворение карбида титана в расплаве. Эти два процесса описываются уравнениями диффузии углерода в карбиде титана и в расплаве титана.

Количество, углерода, перешедшего к текущему моменту реакции синтеза карбида титана в пределах элементарной ячейки:

Г1

1 = 4я[сг2ёг. (7)

ъ

Количество углерода, перешедшего к текущему моменту реакции синтеза карбида титана в расплав титана:

1,,=47г |сг2с1г. (8)

Скорость тепловыделения в элементарной ячейки порошковой системы при растворении углерода в расплаве титана и образовании карбида титана:

лт .г Гз Т2

Ф = дРс_ + дьРс5^ или ф = Рс(1(д|сг2ёг + 01 |сг2с1г)с11, (9)

г,

где 0 - тепловой эффект химической реакции образования карбида титана в пересчете на единицу массы углерода, С - концентрация углерода в фазе, г -

пространственная координата в пределах элементарной ячейки, С>1 - тепловой эффект реакции растворения углерода в расплаве.

Решение уравнений (1-8) проводились численным методом с помощью ПЭВМ.

Выполненные расчетные кинетические зависимости температуры синтеза карбида титана в порошковой системе титан-углерод при различных содержаниях инертного наполнителя показали, что с увеличением содержания в исходной порошковой смеси инертного наполнителя количество реакционных элементарных ячеек в единице объёма порошковой смеси уменьшается, что приводит к снижению скорости и величины максимальной температуры разогрева термореагирующей порошковой смеси, увеличению времени синтеза карбида титана. (Рис. 2.) Но при этом, даже при содержании инертного наполнителя 40,0 об.%, остаются достаточно высокими температура разогрева продукта реакции и скорость реакции образования карбида титана для получения КМ "карбид титана - металлическая связка" высокого качества в режиме высокотемпературного синтеза под давлением.

Рис. 2. Расчетные термограммы стадии горения в режиме теплового взрыва порошковой смеси титан-углерод стехиометрического состава при различной содержании металлической связки (об. %): 1-0,2-20, 3-30,4-40

Экспериментально установлено, что увеличение содержания в термореагирующей порошковой смеси металла-связки до 50,0 об.% слабо влияет на полноту протекания реакции синтеза карбида титана (рис. 3) (расчетное содержание карбидной фазы в конечном продукте уменьшается только на 3,0 об.%).

1,0

1

2

0,95

25

50 У;,об%

Рис. 3. Зависимости коэффициента полноты превращения порошковой смеси титана с углеродом стехиометрического состава в карбид титана в режиме теплового взрыва от содержания металлического инертного компонента при различном размере углеродных частиц в смеси: 1 - 0,2 мкм, 2-2 мкм.

Значительное влияние на зависимость величины полноты превращения в процессе теплового взрыва порошковой смеси углерода с титаном в карбид титана от содержания в ней инертного металлического наполнителя оказывает размер углеродных частиц. С уменьшением размера углеродных частиц влияние такого содержания уменьшается и при размере углеродных частиц 0,2 мкм величина т практически не зависит от содержания в смеси металлической компоненты. Последнее означает, что при применении в качестве углеродной компоненты ламповой сажи, возможен СВС КМ "карбид титана -металлическая связка" при содержании металлической компоненты до 50,0 об.%. и гарантированном получении карбидной фазы стехиометрического состава.

4®

2300 ГТ, К

1500

700

Т,К

1,с

300 - 700 1100 1500 1900

40

80 120

Рис. 4. Зависимость объёмной теплоёмкости порошковой смеси П-С от температуры при различном содержании в смеси инертного наполнителя: 1-0, 2 -10, 3-20, 4-30, 5-40 (об.%)

Рис. 5. Термограммы процесса нагрева прессовки из стехиометрической смеси титана с углеродом в зависимости от объемного содержания в смеси металлического инертного наполнителя: 1-0; 2-10,0; 330,0; 4-40,0 (об.%)

С разбавлением порошковой смеси титана с углеродом инертным металлическим связующим значительно повышается теплоемкость исходной порошковой прессовки (рис.4), что приводит к уменьшению скорости и увеличению времени нагрева порошковой смеси до температуры плавления титана (рис.5).

В процессе нагрева порошковой смеси часть тепловой энергии расходуется на плавление металлического инерта (нихромовоя связка). На расчетной термограмме синтеза карбида титана наблюдается изотермический участок, соответствующий процессу плавления металлического инерта (рис. 6). С увеличением объемного содержания последнего в порошковой прессовке протяженность изотермического участка увеличивается.

Рис.6. Термограммы процесса нагрева стехиометрической смеси титана с углеродом в окрестности температуры плавления инертной компоненты при различном ее содержании в смеси: 1 -10,0; 2 - 30,0; 3 - 40,0 (об.%)

Сравненние расчетной и экспериментальной зависимости величины максимальной температуры разогрева порошковой смеси углерода с титаном от содержания в ней металлического инерта (никелевого сплава) при размере углеродных частиц в смеси 0,1 мкм (ламповая сажа) показало удовлетворительную сходимость (рис.7). Превышение расчетных значений максимальной температуры разогрева над экспериментальными обусловлено, по-видимому, тем, что расчет был проведен для режима теплового взрыва порошковых смесей, а экспериментальные данные получены при фронтальном горении порошковой смеси.

Увеличение времени синтеза карбидной фазы до (5,0 - 10,0)10"5 с при повышении содержания в исходной порошковой смеси металлического наполнителя позволяет эффективно синхронизировать процессы высокотемпературного синтеза карбида титана и компакгирования продукта реакции синтеза в едином технологическом цикле получения

высококачественного композиционного компакта из карбида титана с металлической связкой при содержании последней в композите до 60,0 об.%.

Рис. 7. Расчетная (1) и экспериментальная (2) зависимости максимальной температуры разогрева стехиометрической смеси титана с углеродом в процессе высокотемпературного синтеза карбида титана от содержания в смеси металлического никельхромового сплава

Синхронизация процессов высокотемпературного синтеза карбида титана и механического компактирования продукта реакции позволяет получать композиты на основе высокодисперсного карбида титана с практически любыми связующими заданного химического состава - металлическими, интерметаллическими и керамическими при высоком уровне сплошности синтезированного композиционного материала и высоких значениях прочности св'язи карбидных включений с материалом связки.

В четвёртой главе описаны результаты исследования структуры и свойств КМ на основе карбида титана, полученных различными методами.

В соответствии с физическими принципами конструирования износостойких КМ выбор компонентов перспективных композиций определяется сочетанием износостойких и стойких к окислению при повышенных температурах компонентов. Оптимальной структурой поверхностных слоев пары трения является структура материалов дисперсного строения: дисперсные частицы износостойкой фазы позволяют эффективно регулировать соотношение износостойкого и высокопрочного компонентов на поверхности трения. Одним из наиболее перспективных в качестве износостойкого компонента КМ является карбид титана, характеризующийся

высокими значениями твердости, химической стойкости, малым коэффициентом трения по большинству металлов и низкой стоимостью.

Реализация высоких потенциальных свойств частиц карбида титана з износостойком КМ возможна путем подбора жаростойких химсоставов металлической связки, обеспечивающих достаточный уровень демпфирования и механических свойств материала при повышенных температурах, стойкость к агрессивным средам и высокую прочность связи (адгезии) металлической связки с частицами карбида. Формирование демпфирующей структуры композиционного материала во многом определяется смачиваемостью частиц карбида металлической связкой в процессе консолидации компонентов композиции. Известно, что при спекании порошковых смесей карбида титана с металлами IV, V, VI групп или с различными переходными и непереходными элементами ни один переходный и, тем более, непереходный металл при контактировании с карбидом не образует нулевого угла смачивания ни в атмосферах водорода или аргона, ни в вакууме. Наименьшие краевые углы смачивания образуются при контактировании карбида титана с расплавами кобальта, марганца и никеля (8 = 0,6°, 15° и 25°, соответственно).

Для создания износостойких КМ класса карбид титана - металлическая связка наибольший интерес в качестве матрицы представляют жаростойкие сплавы на никелевой основе. Большинство промышленных сплавов на никелевой основе - многокомпонентные системы, содержащие 6-8 легирующих элементов. Карбид титана имеет с никелем эвтектическую диаграмму состояния с температурой плавления эвтектики 1553 К. Система никель-хром также имеет диаграмму состояния с минимумом на кривой ликвидус. Экспериментальные исследования характера взаимодействия карбида титана с никель-хромовыми сплавами различного состава при нагреве в вакууме показали, что на поверхностях раздела компонентов композиции образуется расплав эвтектического состава при температуре 1513 К.

Таким образом, легирование никеля хромом в порошковой смеси с карбидом титана приводит к снижению температуры образования эвтектики между карбидной и металлической компонентами на 313 К по сравнению с Тгл эвтектики в системе "карбид титана - никель". Последнее имеет важное значение при отработке оптимальных режимов получения износостойкого КМ путем спекания порошковых смесей карбида титана с никель-хромовой связкой.

Для определения оптимальных режимов спекания и создания технологии производства износостойких при повышенных температурах материалов инструментального назначения проведено комплексное экспериментальное исследование зависимостей микроструктуры и физико-механических свойств износостойкого композиционного материала карбид титана-никель-хромовая связка в зависимости от химсостава связки, соотношения компонентов з композиции, дисперсности компонентов в порошковых смесях, температуры и времени спекания, режимов прессования и т.п.

На начальной стадии эксперимента была получена зависимость пористости, твердости и прочности на изгиб от содержания Т1С (рис. 8).

Параметр, принятый нами в качестве критерия качества материала - твердость, зависит в первую очередь от содержания карбида в материале, а теоретически известно, что при малых краевых углах смачивания структура, близкая к беспористой сохраняется до 35-40 мае. % связки (в случае рассматриваемых нами материалов 50 - 60 мае. %). Полученные зависимости свидельствуют о резком возрастании пористости при увеличении содержания карбида титана в материале более 60 мае. %.

Можно сделать вывод, что удовлетворительными свойствами материалы обладают при 50- 60 мае. % "ПС. При меньшем содержании ТЮ материал обладает недостаточной твердостью, при большем происходит увеличение остаточной пористости, и, как следствие, снижение прочности на изгиб. Все это делает эти материалы непригодными для использования в качестве износостойких.

Для снижения остаточной пористости материала никелевую связку легировали хромом, который позволяет снизить температуру спекания и краевой угол смачивания до 23°. Анализ псевдотройной диаграммы состояния показывает, что в интервале температур от эвтектической до плавления карбида титана в материале будут находиться твердый ТлС и жидкость. При спекании материала заданного состава процесс спекания должен удовлетворять двум основным условиям: весь материал связки должен перейти в жидкое состояние, в противном случае резко возрастет пористость; перегрев над температурой ликвидус для данного сплава должен быть минимален с целью предотвращения перераспределения карбида титана по механизму растворение-осаждение через жидкую фазу.

Установлено, что микроструктура КМ и, прежде всего, дисперсность его компонентов определяются содержанием хрома в никелевой связке. Анализ полученных нами зависимостей мехаЕшческих свойств от содержания Сг (рис. 9) свидетельствуют, что оптимальное содержание хрома в материале лежит в области 10-15 мае. % Сг от общего состава.

КМ материал на основе карбида титана содержащий до 50,0 об.% частиц карбидной фазы, отличается слабой адгезией. При увеличении объемного содержания карбидных частиц в исходной композиции наблюдается тенденция к образованию сплошного карбидного каркаса при спекании КМ и увеличению остаточной пористости в спеченных материалах. Эти нежелательные явления приводят к значительному снижению механических свойств спеченных материалов. Другими словами, технология спекания в свободном состоянии порошковых смесей карбида титана с никель-хромовыми сплавами обеспечивает получение качественных износостойких покрытий с остаточной пористостью 0,2-0,5 % и твердостью до 62 ЖС.

В соответствии со схемой компактирования материала в ходе СВС химсоединения, возможно получение КМ с уникальными физико-механическими свойствами: кристаллизация в условиях одностороннего (одноосного) сжатия в замкнутом объеме создает сдвиговые деформации на фоне общего сжатия, что приводит материалы в новое состояние с новыми физико-механическими характеристиками.

Рис. 8. Зависимость твердости, прочности на изгиб и остаточной пористости от содержания карбида титана для материала "ПС+№ Температура спекания 1670 К: 1- твердость (НИСЭ); 2- остаточная пористость (П, %); 3-прочность при изгибе (сн, МПа)

Рис. 9 Зависимости твёрдости и прочности на изгиб КМ от содержания хрома: 1- твердость ШСЭ; 2 - прочность на изгиб с„ (МПа)

Для сравнения материалов, полученного методом СВС и традиционным методом жидкофазного спекания мы в качестве исследуемой композиции выбрали твердый сплав с никепьхромовой связкой. Металлографические исследования показали, что структура композиционного материала "ПС + 50 мас.% №Сг, "ПС + 40 мас.% №Сг, "ПС + 30 мас.% №Сг полученного методом СВС, лучше, чем полученного методом жидкофазного спекания.

Преимущество в том, что частицы карбидной фазы имеют более округлую форму, более равномерно распределены по объему, не срастаются друг с другом, образуя жесткий каркас. Это очень важно при эксплуатации материала на предельных нагрузках, т.к. разрушение твердых сплавов на основе карбида титана, как правило, идет за счёт распространения трещины через сросшиеся частицы карбидов.

Структура твердого сплава, полученного методом СВС химического соединения наиболее энергоёмка для распространения трещины: благодаря наличию прослоек связи между частицами или группами частиц карбида титана, происходит релаксация напряжения в связке. Для спечённого же материала наличие каркаса из зёрен карбида титана создаёт благоприятные условия для распространения трещины и, следовательно, разрушения материала. Твёрдость и прочность на изгиб образцов, полученных методом СВС значительно выше, чем у материала такого же состава, полученного методом жидкофазного спекания. Это объясняется не только лучшей структурой композиции или особым состоянием матрицы, подвергнутой при кристаллизации деформации при всестороннем сжатии, но и достижением методом СВС более высокого уровня связи между матрицей и карбидной фазой с сохранением состава как карбидной фазы, так и матрицы.

Для КМ (табл. 1), полученных жидкофазным спеканием, характерно наличие в объёме остаточной пористости, возникающей вследствии невысокой адгезии расплава" связки к карбидному каркасу. В ходе СВС КМ на основе карбида титана за счёт высокой температуры саморазогрева н одновременного наложения внешнего давления удайтся преодолеть этот барьер и получить беспористый материал, который характеризуется высокой дисперсностью карбидной фазы.

Таким образом, КМ на основе карбида титана, полученный методом СВС, имеет прочность на изгиб на 40^-50 %, а твёрдость до 3+5 % выше, чем материалы полученные традиционными методами порошковой металлургии.

Экспериментально установлено, что при массовом содержании 40-45 % нихрома в порошковой смеси Т1+С+№Сг конечный продукт имеет микроструктуру с наиболее мелкодисперсной карбидной фазой, равномерно распределённой по всему объёму материала. Отклонение от указанного содержания нихрома приводит к росту карбидных частиц в конечном продукте (при одинаковом исходном порошке), получаемом методом СВС.

Табл. 1. Значения твёрдости и прочности на изгиб композиционного материала НС-№Сг, полученного различными способами

Способ получения СВС карбидной фазы с одновременным компактированием Спекание I (в течение 40 минут при | температуре 1620 К) ;'

Состав ТЮ, мае % 50 60 70 50 60 70 | )

Оа, Мпа 1460 1100 900 560 500 450

Твёрдость, НУ 770 850 915 710 820 870 1

Видимо для проявления эффекта диспергирования в ходе безгазового горения требуется выполнение ряда условий, среди которых время контакта расплава взаимодействующих компонентов с тугоплавкой частицей, скорость движения волны горения и протяженность зоны реакции. Так, если содержание нихрома в порошковой смеси не достигает 40 %, то скорость движения волны взаимодействия компонентов настолько велика, что диспергирование не успевает произойти. При содержании нихрома в порошковой смеси более 45 % время пребывания частицы карбида титана в расплаве нихрома возрастает и проявляется эффект роста частиц карбида титана. Другими словами, эффект «закалки» мелкодисперсной структуры пропадает.

Широкие возможности спекания износостойких металлокерамических материалов с объемным содержанием частиц карбида титана от 50 до 75 об.% открывает применение КМ, полученных механическим измельчением СВС-металлокерамического компакта, полученного в режиме теплового взрыва под давлением исходной порошковой смеси углерода с титаном и металлической связки. Отличительными особенностями СВС-металлокерамического компакта являются высокая дисперсность частиц карбидной фазы (1-3 мкм), равномерное их распределение в объеме материала, близкая к сферической форма частиц и высокая прочность связи на границах раздела частиц карбидной фазы с металлической матрицей. Порошковые частицы в высокой степени наследуют микроструктуру исходного металлокерамического компакта.

При дисперсности частиц композиционного порошка 20 мкм и объемном содержании в них частиц карбидной фазы 70%, число последних в каждой частице композиционного порошка достигает 400 ед. Из них число частиц карбида, расположенных непосредственно на поверхности композиционных частиц, не превышает 5 %. Последнее означает, что при спекании металлокерамики из композиционного порошка необходимо решать только задачу спекаемости металлической связки, т.к. достаточно высокий уровень

адгезии на границах раздела карбид титана-металлическая связка достигнут в процессе получения КМ в режиме СВС под давлением.

Энергия активации спекания металлической связки значительно ниже энергии активации спекания композиционной смеси карбида титана с металлической связкой. Поэтому при спекании композиционных порошков возможно получение спеченных материалов с объемным содержанием карбидных частиц до 75 % (при более высоких содержаниях карбидной фазы начинает происходить образование единого карбидного каркаса).

Твёрдый сплавы, спеченные из композиционных порошков, класса безвольфрамовых твердых сплавов карбид титана - никель-хромовый с объемным содержанием карбидных частиц 60 и 75 % имеют твердость 65 ИКС и 88 НКА, прочность на изгиб 1400 и 1300 МПа, соответственно.

В пятой главе приведена технологическая схема мелкосерийного производства в лабораторных условиях высококачественных износостойких деталей с применением метода СВС-компактироования, которая может использоваться при изготовлении узлов трения с большим сроком службы и широким спектром применения. Из сплавов на основе карбида титана с нихромовой связкой, полученных с использованием метода СВС-компактирования изготовлены ножи экструдеров для грануляции полиэтилена, которые успешно прошли производственные испытания на МП ПНТЦ (г. Пятигорск).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Создана математическая модель высокотемпературного синтеза карбида титана в системе чистых элементов с инертным наполнителем (нихром) в режиме теплового взрыва;

2. Исследовано влияние объемной доли инертного наполнителя (нихрома) на термограмму процесса синтеза карбида титана и фазовый состав конечного продукта. С увеличением объёмной доли нихрома в порошковой смеси титана с углеродом увеличивается время её нагрева и увеличивается время высокотемпературного синтеза КМ на основе карбида титана.

3. С увеличением объёмной доли нихрома максимальная температура высокотемпературного синтеза КМ на основе карбида титана в волне горения снижается. Такой результат удовлетворительно согласуется с расчётом.

4. Проведённые расчёты показали, что нихром практически не влияет на полноту протекания реакции высокотемпературного синтеза карбида титана в режиме теплового взрыва порошковой системы титан-углерод. Так, при содержании в термореагирующей порошковой смеси металла-связки до 40 об%, когда с!с=2 мкм, расчетное -содержание карбидной фазы в конечном продукте реакции уменьшается на 3%. Причиной такой зависимости является то, что нихром не участвует в экзотермической реакции и является потребителем энергии (стоком тепла), которое требуется на создание теплового равновесия между ним и реагирующей системой.

5. Из расчётов следует, что с увеличением размера углеродной частицы в условиях интенсивного теплообмена с окружающей средой за счет теплопотерь, затрудняющих дореагирование, возможно снижение объёмной доли карбида титана в конечном продукте. Последнее означает, что для достижения заданного фазового состава конечного продукта при введении в исходную порошковую смесь инертного наполнителя необходимо использовать как можно более дисперсный углеродный материал.

6. КМ на основе карбида титана, полученный методом СВС с одновременным компактированием имеет прочность на изгиб на 40+50 %, а твёрдость до 3+5 % выше чем материалы, полученные традиционными методами порошковой металлургии.

7. Структура КМ на основе карбида титана полученного СВС-компактированием, лучше, чем полученного методом жидкофазного спекания.

8. Спеченные из композиционных порошков материалы класса безвольфрамовых твердых сплавов карбид титана - никель-хромовый сплав с объемным содержанием карбидных частиц 60 и 75 %. имеют твердость 66 HRC и 88 HRA, прочность на изгиб 1400 и 1300 МПа, соответственно.

9. Применение композиционных порошковых материалов, полученных механическим измельчением СВС-металлокерамического компакта открывает широкие возможности для создания износостойких материалов с объёмным содержанием карбида титана от 50 до 80 %.

10. Разработана технологическая схема мелкосерийного производства в лабораторных условиях высококачественных износостойких деталей с применением метода СВС-компактироования, которая может использоваться при изготовлении узлов трения с большим сроком службы и широким спектром применения. Из сплавов на основе карбида титана с нихромовой связкой, полученных с использованием метода СВС-компактирования изготовлены ножи экструдеров для грануляции полиэтилена, которые успешно прошли производственные испытания на МП ПНТЦ (г. Пятигорск).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Водолаженко P.A. Жидкофазное спекание и контактное плавление системы карбид титана - никель - хром. Сев.-кав. Регион, конференция студентов и аспирантов по фундаментальным дисциплинам «Эдельвейс 96» -Нальчик, 1996.-С. 53.

2. Кудимов Ю.Н., Приходько В.Г., Гаврилов Н.И., Водолаженко P.A. Разработка и исследование новых износостойких материалов, применяемых в качестве измельчителей при производстве мазей из кристаллических вешеств. Материалы 52 регион, конф. по фармации, фармакологии и подготовке кадров. -Пятигорск, 1997. - С. 42..

3. Кудимов Ю.Н., Гаврилов Н.И., Коротков Д.Г., Водолаженко P.A. Математическое моделирование параметров процесса жидкофазного спекания материала на основе быстрорежущей стали с добавкой карбида титана. Сб.

науч. тр. Всеросс. симпозиума «Математическое моделирование и компьютерные технологии»,- Кисловодск, КИЭиП, 1997.-С.55-56.

4. Водолаженко P.A., Гаврилов К.И., Кудимов Ю.Н., Гаврилов Н.И. Математическое моделирование процесса теплового взрыва в порошковой смеси титана с углеродом и инертной металлической составляющей NiCr. Материалы 55 регион, конф. по фармации, фармакологии и подготовке кадров. -Пятигорск, 2000,-С. 60-61.

5. Водолаженко P.A., Гаврилов К.И., Кудимов Ю.Н., Гаврилов Н.И. Получение композиционного материала на основе карбида титана методом СВС и жвдкофазным спеканием. Материалы 55 регион, конф. по'фармации, фармакологии и подготовке кадров. - Пятигорск, 2000,- С. 61.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТВЁРДЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ТИТАНА. ПРОБЛЕМА УЛУЧШЕНИЯ ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ.

1.1. Микроструктура и физико-механические свойства безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС).

1.2. Структура и свойства БВТС, получаемых при жидкофазном спекании.

1.3. Основные закономерности самораспотраняющегося высоко-темпераурного синтеза (СВС) КМ

1.3.1. Основные закономерности высокотемпературного синтеза КМ

1.3.2. Кинетика горения СВС-систем

1.4. Постановка цели и задач исследований

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, МЕТОДЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Материалы и методы исследования

2.2. Механические испытания

2.3. Методика проведения СВС

2.4. Статистический анализ результатов и оценка погрешности экспериментов

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА КАРБИДА ТИТАНА В СИСТЕМЕ ЧИСТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ИНЕРТНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ

3.1. Математическое моделирование процесса высокотемпературного синтеза карбида титана в системе чистых элементов с инертным наполнителем

3.2. Результаты экспериментальных исследований процесса СВС

3.3. Выводы.

ГЛАВА 4. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КМ, ПОЛУЧЕННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ

4.1. КМ, полученные спеканием и в процессе СВС

4.2. КМ, полученные из порошка СВС

4.3. Выводы

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КМ И ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1. Технология получения КМ методом СВС-компактирования

5.2. Технологическая инструкция изготовления деталей в лабораторных условиях

5.3. Выводы 103 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 104 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 106 ПРИЛОЖЕНИЕ

Внимание к проблеме создания композиционных металлических материалов с заданными физико-механическими свойствами под конкретные условия эксплуатации непрерывно возрастает, начиная с середины 60-х годов. Это объясняется прежде всего тем, что возможность повышения механических свойств традиционных металлических материалов конструкционного назначения практически полностью исчерпаны. В то же время методы проектирования композиционных материалов (КМ) позволяют на практике реализовать научные принципы конструирования материалов с заданными физико-механическими свойствами.

Проблему разработки КМ и, в особенности, КМ с металлической матрицей можно рассматривать в виде суперпозиции нескольких крупных задач: достижения оптимального уровня взаимодействия компонентов КМ, разработки и создания специализированных технологических процессов получения КМ конкретного назначения, исследования физико-механических свойств КМ для наиболее эффективного их применения [ 2 ].

Эти материалы также являются перспективными ввиду своей относительно низкой стоимости, уникальным свойствам и, в первую очередь, высокой износостойкости.

Особое внимание в последние годы уделяется созданию износостойких КМ с особыми свойствами на основе карбида титана [ 7 ].

Создание таких КМ возможно при применении принципиально новых технологических процессов получения КМ, например, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в порошковой смеси чистых элементов и металлической связки. Соединение в едином цикле СВС химического соединения и динамического компактирования продукта реакции открывает широкие возможности для получения КМ с заданными свойствами [ 71 ].

Однако, высокие скорости экзотермических реакций синтеза и фазовых превращений при получении износостойких КМ методом СВС создают значительные трудности в управлении технологическим процессом. Поэтому для технологии получения КМ на основе карбида титана необходимо решить ряд задач, прежде всего оптимизировать технологические режимы получения КМ на основе математических моделей процессов СВС химических соединений в порошковых смесях исходных элементов, а также и исследований структуры и механических свойств синтезированных под давлением сплавов и КМ на их основе.

В связи с вышеизложенным представляется целесообразным исследование закономерностей высокотемпературного синтеза карбида титана в режиме теплового взрыва порошковой смеси чистых элементов и порошковой смеси с инертным наполнителем и оптимизация технологического процесса получения износостойкого материала на основе карбида титана методом СВС.

Исследования были осуществлены на кафедре физики и математики ПятГФА. Работа бала выполнена в соответствии с темой «Контактное плавление и жидкофазное спекание композиционных материалов на основе карбида титана», регистрационный номер 01.960.009195, включённой в план Пятигорской государственной фармацевтической академии.

Общие выводы

1. Создана математическая модель высокотемпературного синтеза карбида титана в системе чистых элементов с инертным наполнителем нихром в режиме теплового взрыва;

2. Исследовано влияние объемной доли инертного наполнителя на термограмму процесса синтеза карбида титана и фазовый состав конечного продукта. С увеличением объёмной доли металлической связки в порошковой смеси титана с углеродом увеличивается время её нагрева и увеличивается время высокотемпературного синтеза КМ на основе карбида титана.

3. С увеличением объёмной доли инертного наполнителя Ni-Cr максимальная температура высокотемпературного синтеза КМ на основе карбида титана в волне горения снижается. Такой результат удовлетворительно согласуется с расчётом.

4. Проведённые расчёты показали, что инертный наполнитель практически не влияет на полноту протекания реакции высокотемпературного синтеза карбида титана в режиме теплового взрыва порошковой системы титан

ПП u углерод. Так, при содержании в термореагирующеи порошковой смеси металла-связки до 40 об%, когда dc=2 мкм, расчетное содержание карбидной фазы в конечном продукте реакции уменьшается на 3 %. Причиной такой зависимости является то, что инерт не участвует в экзотермической реакции и является потребителем энергии (стоком тепла), которое требуется на создание теплового равновесия между ним и реагирующей системой.

5. Из расчётов следует, что с увеличением размера углеродной частицы в условиях интенсивного теплообмена с окружающей средой за счет теплопотерь, затрудняющих дореагирование, возможно снижение объёмной доли карбида титана в конечном продукте. Последнее означает, что для достижения заданного фазового состава конечного продукта при введении в исходную порошковую смесь инертного наполнителя необходимо использовать как можно более дисперсный углеродный материал.

6. КМ на основе карбида титана, полученный методом СВС с одновременным компактированиев имеет прочность на изгиб на 40^50 %, а твёрдость до 3-^5 % выше чем материалы, полученным традиционными

KJ методами порошковой металлургии.

7. Структура КМ на основе карбида титана полученного СВС-компактированием лучше, чем полученного методом жидкофазного спекания.

8. Спеченные из композиционных порошков материалы класса безвольфрамовых твердых сплавов карбид титана - никель-хромовый сплав с объемным содержанием карбидных частиц 60 и 75 %. имеют твердость 65 HRC и 88 HRA, прочность на изгиб 1400 и 1300 МПа, соответственно.

9. Применение композиционных порошковых материалов, полученных механическим измельчением СВС-металлокерамического компакта открывает широкие возможности для создания износостойких материалов с объёмным содержанием карбида титана от 50 до 80 %.

10. Разработана технологическая схема мелкосерийного производства в лабораторных условиях высококачественных износостойких деталей с применением метода СВС-компактироования, которая может использоваться при изготовлении узлов трения с большим сроком службы и широким спектром применения. Из сплавов на основе карбида титана с нихромовой связкой, полученных с использованием метода СВС-компактирования изготовлены ножи экструдеров для грануляции полиэтилена, которые успешно прошли производственные испытания на МП ПНТЦ (г. Пятигорск).

1. Применение композиционных материалов в технике. Композиционные материалы. т.З. Пер. с англ./ Под ред. С.Е. Салибекова. М., Машиностроение, 1978.-507 с.

2. Larsen-basse J. Effektof Composition, Microstrukture and Service Conditions jn the Wearc of Cermeted Carbides // Journal of Metals. 1983. - V.35.-№11 -P.35-42.

3. Kieffer. R., u. P. Schwarzkopf: Hartstoffe und Hartmetalle, Spriger- Verlad, Wien 1953.

4. Humenik M., Parikh N. Cermets: Fundamental consepts related to microstructure and physical propeties of cermet systems// Journal of the American Ceramic Society. 1956. - V. 39. - № 2. - P. 60-61.

5. Огородников В В., Роговой Ю. И. Закономерности изменения упругих тепловых и энергетических свойств в ряду кубических монокарбидов переходных металлов // Порошковая металлургия. 1993. - JM25. - С. 78- 83.

6. Самсонов Г.В., Упадхая Г.М., Нешпор B.C. Физическое материаловедение карбидов. Киев: Наукова думка, 1974. - 240 с.

7. Стромс Э. Тугоплавкие карбиды. М.: Атомиздат, 1970. - 304 с.

8. Hollox G.E., Smallman R.E. Plastic Behavior of Titanium Carbide//Appl. Physics. 1966. - V. 37. - № 2. - P. 818 - 823.

9. Стасюк Л.Ф., Нешпор B.C. Микропластичность карбида титана, полученного спеканием под высоким давлением// Сверхтвёрдые материалы. 1986.-№ 4.-С. 21-25.

10. Андриевский Р.А. Прочность тугоплавких соединений// Журн. Всес. хим. общества им. Менделеева. 1979. - Т. 24. - № 3. - С. 258 - 262.

11. И. Сверхтвёрдые материалы/ Под ред. Н.Н. Францевича. Киев: Наукова думка, 1980. - 296 с.

12. Келли А. Высокопрочные материалы. М.: Мир, 1976. - 262 с.

13. Вильк Ю. Н. Диаграммы состояния Ti, Zn, Hf- С// карбиды и нитриды титана, циркония и гафния. Киев, 1982. — С. 15 — 24. — (Препр. / АН УССР. Ин-т пробл. материаловедения; 1)

14. Исследование процесса формирования структуры карбида титанна в условиях высоких давлений и температур / стасюк JI. Ф., Кислый п. С., Кузенкова М. А., Ткач в. Н., Кайдаш О. Н. // Физика и техника высоких давлений . 1983. -№ 11. С. 13-15.

15. Snell P.O. The effect of carbon content and sintering temperature formation and propeties of TiC 24 % Mo - 15 % Ni: alloy// Plansecberichtefur Pulvermetallurgie. - 1974. - V. 22 - № 2. - P. 91 -106.

16. Komac M., Novak S. Mechanical and Wear Behaviour of TiC cemented carbides// International Journal of Refractory and Hard Metals. 1985.- V. 4. - № 1.-P. 21-26.

17. Кипарисов С.С., Нарва В.К., Даляева Л.И., Кузнецова К.Ф. Физикохимические исследования взаимодействия компонентов в сплавах карбид титана сталь// Изв. вузов. Цвет, металлургия. - 1976. - № 2. - С. 132 -140.

18. Robish Т. J., Mai М. К., Tarkan S.E. Steel bonded carbiedes now offer hardenable wear overlays// Modern developments in Powder Metallurgy.-1981. -P. 467-483.

19. Kalish H.S. Cutting tool materials// Metal progress. 1983. - № 11. - P. 2127.

20. Komac M., Landge D. The influence of MoCx and NbCx additions on microstructure and mechanical propeties of TiC based carbides// Int. J. of Powder Metallurgy and Powder Technolodgy. 1982. - V. 18.- № 4. - P. 313 - 321.

21. Moscowitz D., Humenik M. Cemented TiC base tools with improved deformation resistance// Modern Development in Powder Metallurgy.- 1981. V. 14.-P. 307-320.

22. Структура, фазовый состав и характер разрушения спеченых композиционных материалов TiC- NiTi/ Кульков С. Н., Полетина Т. М., Чухломин А. Ю., Панин В. ЕМ Порошковая металлургия. 1983. №7. С. 5459.

23. Кюбарсепп Я.П., Вальдма Л.Э., Аннука Х.И. Некоторые пути повышения износостойкости сплавов TiC сталь в абразивной струе//Трение и износ. -1985.-Т. 6.-№4.-С. 696-701.

24. Ellis J.L. Wear resistant alloy bonded carbides produced by Powder Metallurgy// Powder Metallurgy International. 1984. - V. 16. - № 2. -P. 53 - 55.

25. Кюбарсепп Я.П., Аннука Х.И., Решетняк Х.Д., Майстренко A.JL, Чеповецкий Г.И. Трещиностойкость и прочность карбидосталей// Порошковая металлургия. 1990. - № 1. - С. 90 - 94.

26. Дорофеев Ю. Г., Дорофеев В. Ю., Бабец А. В. Основы теории спекания: Учеб. пособие / Новочерк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1996. - 84 с.

27. Федорченко И. М, Андриевский Р. А. Основы порошковой металлургии. -Киев: Изд-во АН УССР, 1961. -420 с.

28. Цукерман С. А. Порошковая металлургия. Изд-во Ан СССР, 1958. - 160

29. Самсонов Г.В., Панасюк Л.Д., Козина Г.К. О взаимодействии металлоподобных карбидов с жидкими переходными металлами// В кн.: Смачиваемость и поверхностные свойства расплавов и твёрдых тел. Киев: Наукова думка, 1972. - С. 85 - 102.

30. Богатин Д. Е. Производство металлокерамических деталей. М.:32. Металлургия, 1988.-128 с.

31. Третьяков В. И. Металлокерамичеекие твердые сплавы. М.: Научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1962.-592 с.

32. Актуальные проблемы порошковой металлургии/ Ред. О. В. Романа, В. С. Аруначалама. —М.: Металлургия, 1990. 232 с.

33. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы / Ред.

34. B. Шатта. Перевод с немецкого под ред Р. А. Андриевского. М.: металлургия, 1983.-520 с.

35. Паничкина В. В. Жидкофазное спекание дисперсных смесей порошков// Свойства и применение дисперсных порошков. Киев: Наук, думка, 1986.1. C. 143-149.

36. Харитонов Ф. Я., Медведовский Е. Я. Кинетика неизотермического жидкофазного спекания керамических материалов // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. -1987. Т. 23, №2.-С. 332-335.

37. Komac М, Novak S. The influence of microstructure and composition on the behaviour of TiC based hard - metals// Sci. Hard Mater.: Prac. Int. Conf. -Bristol - Boston, 1986. - P. 565 - 575.

38. Середа H. H., Ковальченко M. С., Бондарь JI. H. и др. Особенности структуры твердых сплавов на основе карбида титана // Порошковая металлургия. 1985.-№11.-С. 98-103.

39. Moscowitz D., Plummer Н.К. Binder carbide phase interactions in titanium carbide base systems// Science hard Mater.: Proc. Internat. Conf. 23 - 28 Aug. 1981. - Jackson. N.Y. London, 1983. - P. 299 - 309.

40. Самойлов В. С., Дубко Г. В., Панфилов В. С. Безвольфрамовые твердые сплавы. М.: ЦНИИ цветмет экономики и информатики, 1981. с.36.

41. Zao Xingshong, Zhang Gnowei, Ouyang Jinlin// Mocaxue Xuebao= Tribology.-1992.- 12. № 4.-C. 309-316.

42. Guha I.P.,Kolar D. The systems TiC-Cr and ZrC-Cr // J.Less.-Common. Metals.-1973.-31, №2,-P. 331-343.

43. Алфинцева Р. А., Борисенко В. А., Лященко А. Б. Некоторые свойства эвтектических композиций хром-карбид // Диаграммы состояния карбид- и нитридсодержащих систем. Киев: Ин-т пробл. материаловедения АН УССР, 1981.-С. 129-134.

44. Даниленко В. М., Рубашевский А. А., Великанова Т. Я. Алгоритмы расчета равновесий в тройных системах и их реализация/ Препр. -Киев, 1984.- С. 27- (АН УССР. Ин-т пробл. материаловедения; №3.)

45. Иванченко В. Г. Погорелая В. В. Диаграммы состояния Cr- Ti- С// Стабильные и метастабильные фазовые равновесия в металлических системах.-М.: Наука, 1985.-С. 114-118.

46. Егоров Ф. Ф., Пшеничная О. В., Шатохин А. М., Шевченко Ю. В. Межфазное взаимодействие в материалах систем TiC- Cr и Ti(C,N)-Cr/ Порошковая металлургия. 1991.- № 4. -С. 69-74.

47. Full spectrum of granulation// Powder Met. Int/. .-1991.-23, № 6.-c. 382.

48. Олейник Т. С. Роль пластической деформации в структурообразовании керамических материалов.// Порошковая металлургия,- 1992.- № 3.- С. 8088.

49. Влияние механического легирования на тонкую структуру порошков нихрома./ Кондратенко JI. К., Черняков С. В., Шамрай В. Ф./ Изв. АН СССР. Мет.-1991.-№ 5.- С. 174-177.

50. A matematical model for vibration milling of metal powders / Sastry Kalv. S., Moothedath Sureshan // 2nd World Congr. "Part.Technol. "Kyoto, Sept. 19-22, 1990. Pt2.- (Tokyo), 1990.- P. 447- 454.

51. Совместимость границ в композиционных материалах керамика-металл./ Shinoda Т., Hua L., Mishima Y., Suzuki Т.//Нихон киндзоку гаккай кайхо= Bull. Jap. Inst. Metals.- 1991.- 30, № 3.- С. 189-198.

52. Eienkolb, F. Fortchitte der Pulvermetallurgie//Akademie-Verlag, Berlin, 1963.

53. Schatt, W.Pulvermetallurgie Sinter-und Verbundwerkstoffe, VEB Deutscher Verlag fur Grundtoffindustrie, Leipzig, 1979.

54. Lenel, F. V. Powder Metallurgy- Principles and Applications // MPIF Pinceton, NewJercey, 1980.

55. A new powder compaction equation/ Ge Rong-de//Int. J. Powder Met. .-1991.-27. №3,-P. 211-216.

56. Клячко JI. И. Некоторые современные тенденции совершенствования технологии и улучшения свойств твёрдых сплавов, тугоплавких металлов и их соединений// Твёрдые сплавы/ ВНИИТС М.: Металлургия, 1979. - № 20.-С. 14-17.

57. Kortovich С. S. Technical Report AFML- TR- 69- 101// Wright-Paterson Air Forse Base, Ohio, June 1969.

58. Клячко JI. И. Направления совершенствования технологии и улучшения свойств твердых сплавов, тугоплавких металлов и их соединений// Цветные металлы. 1989.-№6.-С. 57-60.

59. Некоторые особенности начальных стадий структурообразования твердых сплавов на основе карбонитридов титана./. Любимов В. Д., Тимощук Т. А. Порошковая металлургия, 1991, 12, С. 29-35.

60. Хохлов A.M. Улучшение качества безвольфрамового твердого сплава КНТ16// Цветные металлы 1979.- № 9.- с. 97-100.

61. Применение безвольфрамового твердого сплава марки ЛКЦ20 / Д. С.Элинсон, Г. П.Швейкин, В. Д.Любимов и др.: Информ. листок.-Свердловск, ЦНТИ, 1986.-№ 86-53.

62. Гессингер Г. X. Порошковая металлургия жаропрочных сплавов// Челябинск.: Металлургия. 1988.-319 с.

63. Мержанов А.Г., Шкиро В.М., Боровинская И.П. Способ получения тугоплавких неорганических соединений//Авторское свидетельство СССР № 255221.-1967. Бюллетень изобретений.-1971, № 10.

64. Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Шкиро В.М. Явление волновой локализации автотормозящихся твердофазных реакций//Государственный реестр открытий СССР.-1984, № 287.

65. Мержанов А.Г., Каширенинов О.Е. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: состояние и перспективы//ВИНИТИ.-М.-1987.-115с.

66. Мержанов А.Г. Проблемы технологического горения//В сб.-.Процессы горения в химической технологии и металлургии.-Черноголовка.-1975.-С. 515.

67. Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Шкиро В.М. Патент № 701436.-1972.-Франция.

68. Мержанов А.Г., Шкиро В.М., Боровинская И.П. Патент № 372 6643.-1973.-США.

69. Алдушин А.П., Мержанов А.Г., Хайкин Б.И. О некоторых особенностях горения конденсированных систем с тугоплавкими продуктами реакции//ДАН СССР.-1972, т. 204, № 5, С. 1139-1142.

70. Семенов Н.Н. Цепные реакции.-Л.:Госхимтехиздат.-1934.

71. Зельдович Я.Б. Теория горения и детонации газов,- М.:Изд. АН СССР, 1944.-71с.

72. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике.-М.:Наука, 1967.-491с.

73. Новожилов Б.В. Скорость распространения фронта экзотермической реакции в конденсированной фазе//ДАН СССР, 1961.-т. 141, № 1.-С. 151153.

74. Мержанов А.Г. Теория безгазового горения//Черноголовка.-1973.-2с. (Препринт ОИХФ АН СССР).

75. Радченко С.Г., Григорьев Ю.М., Мержанов А.Г. Исследование механизма воспламенения и горения систем титан углерод, цирконий - углерод электротермографическим способом//Физика горения и взрыва.-1976.-т. 12, № 5.-С. 676-682.

76. Merzhanov A.G. Combustion and Flame.-1969, № 13, P. 143.

77. Мержанов А.Г. СВС-процесс: теория и практика горения.-1980.-31с. (Препринт ОИХФ АН СССР).

78. Маслов В.М., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. К вопросу о механизме безгазового горения//Физика горения и взрыва.-1976.-т.12, № 5.- С. 703-709.

79. Хайкин Б.И., Худяев С.И. О неединственности температуры и скорости горения при протекании конкурирующих реакций//ДАН CCCP.-1979.-t.245, № 1.-С. 155-158.

80. Некрасов Е.А., Тимохин A.M. К теории стадийного горения с эндотермической реакцией//Физика горения и взрыва.-1984.-т.20, № 4.-С. 21-28.

81. Максимов Ю.М., Смоляков В.К., Некрасов Е.А. К теории горения многокомпонентных систем с конденсированными продуктами взаимодействия//Физика горения и взрыва.-1984.-т.20, № 5.-С. 8-15.

82. Найбороденко Ю.С., Итин B.C. Исследование процесса безгазового горения смесей порошков разнородных металлов. 1.Закономерности и механизм горения//Физика горения и взрыва.-t.l 1, № З.-С. 343-353.

83. Итин В.И., Братчиков А.Д., Доронин В.Н. и др. Формирование продуктов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в системах Ti-Ni и ТьСо//Известия ВУЗов.Физика.-1981, № 12.-С. 75-78.

84. Итин В.И., Найбороденко Ю.С. Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений//Томск: Изд-во Томского ун-та.-1981.-214с.

85. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. -Москва-Ленинград. -1947. -367с.

86. Тодес.Теория теплового взрыва//ЖФХ.-1933.-Ж.-С.78.

87. Вилюнов В.Н. Теория зажигания конденсированных веществ.Новосибирск:Наука.-1984.-186с.

88. Зельдович Я.Б. К теории зажигания//ДАН CCCP.-1963.-t. 150, №2.- С. 283285.

89. Барзыкин В.В., Худяев С.И. К вопросу о критических условиях зажигания при наличии теплопотерь//ДАН CCCP.-1966.-t. 169, № 6.- С. 1366-1369.

90. Аверсон А.Э., Барзыкин В.В., Мержанов А.Г. Приближенный метод решения задач тепловой теории зажигания//ДАН CCCP.-t.178, № 1.-С. 131134.

91. Вилюнов В.Н. К тепловой теории зажигания//Физика горения и взрыва. -1966.-Т.2, № 2,- С. 77-82.

92. Шкадинский К.Г., Хайкин Б.И., Мержанов А.Г. Распространение пульсирующего фронта экзотермической реакции в конденсированной фазе//Физика горения и взрыва.-1971.-т.7,№.-С.19.

93. Мержанов А.Г., Филоненко А.К., Боровинская И.П. Новые явления при горении конденсированных систем//ДАН СССР.-1973.-t.208.-C.892.

94. Хайкин Б.И., Мержанов А.Г. К теории теплового распространения фронта химической реакции//Физика горения и взрыва.-1966.-т.2, № 3.-С.36.

95. Ваганов Д.А., Худяев С.И. Об одной стационарной задаче теории горения//Физика горения и взрыва.-1969.-т.5, № 2.-С. 167.

96. Зельдович Я.Б. К теории распространения пламени//ЖФХ.-1948, № 22.-С.27.

97. Будников П.П., Гинстлинг A.M. Реакции в смесях твердых веществ.-М. :Стройиздат, 1971 .-488с.

98. Evans.Trans.electrochem.Soc.-1947.-N91.-C.547.

99. Любов Б.Я. Кинетическая теория фазовых превращений,-М. :Металлургия, 1969. -256с.

100. Смоляков В.К., Некрасов Е.А., Максимов Ю.М. Моделирование безгазового горения с фазовыми превращениями//Физика горения и взрыва. -1984.-Т.20, № 2. -С. 63-73.

101. Физическое металловедение. Под. ред. Кана.-М.: Мир, 1968, вып.2. -490с.

102. Александров В.В., Корчагин М.А. О механизме и макрокинетике реакций при горении СВС-систем//Физика горения и взрыва.-1987.-№ 5. -С. 55-63.

103. Савицкий А.П. Жидкофазное спекание систем с взаимодействующими компонентами. -Новосибирск. :Наука, 1991 .-с. 181.

104. Некрасов Е.А. Теория диффузионного горения гетерогенных систем с конденсированными продуктами. Док. дис., Томск, ФИСМ АН СССР, 1990. -346 с.

105. Некрасов Е.А., Смоляков В.К., Максимов Ю.М. Математическая модель горения системы титан-углерод//Физика горения и взрыва.-1981.-т. 17, № 5,-С. 39-46.

106. Гаспарян А.Г., Штейнберг А.С. Макрокинетика взаимодействия и тепловой взрыв в смесях порошков Ni и А1//Физика горения и взрыва. -1988.-t.24, № 3. -С. 67-74.

107. Любов Б.Я., Шевелев В.Е. Аналитический расчет кинетики диффузионного растворения сферического выделения иной фазы//Физика металлов и металловедение.-1973.-т.35, № 2. -С. 330.

108. Боровинская И.П., Мержанов А.Г., Новиков Н.П., Филоненко А.К. Безгазовое горение смесей порошков переходных металлов с бором//Физика горения и взрыва.-1974.- т.10, №1.-С.4.

109. Некрасов Е.А., Смоляков В.К., Максимов Ю.М. Математическая модель горения системы титан-углерод//Физика горения и взрыва.-1981.-т. 17, № 5.-С.39-46.

110. Гришталь Р.Д. Механические свойства металлических соединений,-М. :Металлургиздат, 1968.-280с.

111. Вестбрук Д. Исследования и перспективы применения интерметаллических соединений/Металловедение и термическая обработка металлов.-1971.-N4.-С.74-80.

112. Аоки К. и др. О пластичности интерметаллического соединения №3А1//Нихон киндзоку гаккайси.-1977.-т.41,№2.-С. 170-175.

113. И. Г. Зенгидзе. Математическое планирование эксперимента для исследования и оптимизации свойств смесей. -Тбилиси: Мецниереба, 1971.

114. Жидкофазное спекание и контактное плавление системы карбид титана -никель хром. Сев.-кав. Регион, конференция студентов и аспирантов по фундаментальным дисциплинам «Эдельвейс 96».- Нальчик, 1996.-С. 53.