ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. При разработке композиционных материалов, способных выдерживать высокие статические и динамические нагрузки, большое внимание уделяется связующей фазе. Использование сталей со структурной неустойчивостью, например, Fe-Mn-C сталей в качестве связующей фазы композитов является перспективным направлением, благодаря их высокой способности к деформационному упрочнению и наличия нескольких мартенситных превращений. Они обеспечивают в композите эффективную релаксацию возникающих вблизи карбидных частиц, концентраторов напряжений при нагружении материала вследствие свободного формоизменения в межкарбидном пространстве и передают внешнюю нагрузку карбидным зернам. Подобным исследованиям посвящено ряд работ, однако при получении карбидосталей WC-(Fe-Mn-C) возможно изменение элементного состава связующей фазы вследствие технологических особенностей их изготовления методами порошковой металлургии. Поэтому исследования влияния изменения содержания марганца в стальной связке Fe-Mn-C на фазовый состав и механические свойства карбидосталей WC-(Fe-Mn-C) важны и актуальны. Цель работы: исследование фазового состава и его влияние на механические свойства карбидосталей WC-(Fe-Mn-C) при изменении концентрации марганца в связующей фазе. В работе исследованы карбидостали WC-(Fe-Mn-C), содержание марганца в связующей фазе которых менялось от 4 до 18 вес. %. Материалы и методы. Карбидостали получены методом пропитки каркасов WC с последующей закалкой в масло при температуре 1150 °С. Исследования карбидосталей после получения и испытаний на осевое сжатие проводили методами рентгенофазового, рентгеноструктурного анализа, растровой электронной микроскопии. Результаты и обсуждение. Содержание карбидной фазы в полученных карбидосталях составило 82 об. %, средний размер зерна карбида вольфрама – 2,4 мкм, при этом пористость не превышала 0,5 %. Увеличение содержания марганца в связующей фазе карбидосталей приводит к изменению фазового состава связующей фазы, и увеличению параметра решетки аустенита. Когда связующая фаза находится в однофазном состоянии, при содержании марганца 8 вес.%, наблюдается максимальная относительная деформация до разрушения равная 6,5 %. При увеличении содержания марганца в связующей фазе предел прочности на осевое сжатие уменьшается с 4050 до 3500 МПа. Разработанные карбидостали могут быть использованы в качестве различного рода инструмента. Полученные данные могут быть применены при разработке новых композиционных материалов с высокими физико-механическими свойствами.

1. Термические напряжения в твердом сплаве WC-Co после спекания / В.А. Погода, В.П. Кебко, М.Г. Лошак, Л.И. Александрова // Проблемы прочности. – 1990. – № 12. – C. 87–93.

2. Compressive deformation and fracture in WC materials / D. Rowcliffe, V. Jayaram, M. Hibbs, R. Sinclair // Materials Science and Engineering: A. – 1988. – Vol. 105/106, pt. 2. – P. 299–303. – DOI: 10.1016/0025-5416(88)90710-0.

3. In situ loading response of WC–Ni: origins of toughness / J.W. Paggett, A.D. Krawitz, E.F. Drake, M.A.M. Bourke, V. Livescu, B. Claussen, D.W. Brown // Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2006. – Vol. 24, iss. 1–2. – P. 122–128. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2005.06.005.

4. Measurement and modeling of room temperature co-deformation in WC–10 wt.% Co / V. Livescu, B. Clausen, J.W. Paggett, A.D. Krawitz, E.F. Drake, M.A.M. Bourke // Materials Science and Engineering: A. – 2005. – Vol. 399, iss. 1–2. – P. 134–140. DOI: 10.1016/j.msea.2005.02.024.

5. Mechanical deformation of WC–Co composite micropillars under uniaxial compression / J.M. Tarragó, J.J. Roa, E. Jiménez-Piqué, E. Keown, J. Fair, L. Llanes // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2016. – Vol. 54. – P. 70–74. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2015.07.015.

6. Microstructure and anodic dissolution mechanism of brazed WC–Ni composite coatings / L.X. Gao, T. Zhou, D.Q. Zhang, K.Y. Lee // Corrosion Engineering, Science and Technology. – 2014. – Vol. 49, iss. 3. – P. 204–208. – DOI: 10.1179/1743278213y.0000000124.

7. Erosion–corrosion behaviour of zirconia, WC–6Co, WC–6Ni and UNS S31600 / N. Andrews, L. Giourntas, A.M. Galloway, A. Pearson // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2015. – Vol. 48. – P. 229–237. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2014.09.001.

8. Chang S.-H., Chang P.-Y. Study on the mechanical properties, microstructure and corrosion behaviors of nano-WC–Co–Ni–Fe hard materials through HIP and hot-press sintering processes // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 618. – P. 56–62. – DOI: 10.1016/j.msea.2014.08.081.

9. Chang S-H., Chen S-L. Characterization and properties of sintered WC–Co and WC–Ni–Fe hard metal alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2014. – Vol. 585. – P. 407–413. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.09.188.

10. Rafiaei S.M., Bahrami A., Shokouhimehr M. Influence of Ni/Co binders and Mo₂C on the microstructure evolution and mechanical properties of (Ti0.93W0.07) C–based cermets // Ceramics International. – 2018. – Vol. 44, iss. 15. – P. 17655–17659. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.06.227.

11. Effect of Fe/Ni ratio on the microstructure and properties of WC-Fe-Ni-Co cemented carbides / Y. Gao, B-H. Luo, K-J. He, W.-W. Zhang, Z.-H. Bai // Ceramics International. – 2018. – Vol. 44, iss. 2. – P. 2030–2041 – DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.10.148.

12. Ferritic chromium steel as binder metal for WC cemented carbides / M. Tarraste, J. Kübarsepp, K. Juhani, A. Mere, M. Kolnes, M. Viljus, B. Maaten // International Journal of Refractory Metals & Hard Materials. – 2018. – Vol. 73. – P. 183–191. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2018.02.010.

13. Structural-phase changes in hard alloy WC-steel 110G13 after dynamic loading / A.V. Paul', S.F. Gnyusov, Y.F. Ivanov, S.N. Kul'kov, E.V. Kozlov // Russian Physics Journal. – 1994. – Vol. 37, iss. 8. – P. 757–761. – DOI: 10.1007/bf00559871.

14. Influence of carbon content on the microstructure, martensitic transformation and mechanical properties in austenite/e-martensite dual-phase Fe–Mn–C steels / J.-B. Seol, J.E. Jung, Y.W. Jang, C.G. Park // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61. – P. 558–578. – DOI: 10.1016/j.actamat.2012.09.078.

15. Волынова Т.Ф. Высокомарганцовистые стали и сплавы – М.: Металлургия, – 1980. – 270 c. – ISBN 5-229-00069-4.

16. Лысак Л.И., Николин Б.И. Физические основы термической обработки стали. – Киев: Техника, 1975. – 304 с.

17. Богачев И.Н., Еголаев В.Ф. Структура и свойства железомарганцевых сплавов. – М.: Металлургия, 1973. – 296 с.

18. High-concentration carbon assists plasticity-driven hydrogen embrittlement in a Fe-high Mn steel with a relatively high stacking fault energy / I.B. Tugluca, M. Koyama, B. Bal, D. Canadinc, E. Akiyama, K. Tsuzaki // Materials Science & Engineering: A. – 2018. – Vol. 717. – P. 78–84. – DOI: 10.1016/j.msea.2018.01.087.

19. Influence of annealing temperature on mechanical properties and microstructures of a high manganese austenitic steel / X. Yuan, L. Chen, Y. Zhao, H. Di, F. Zhu // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 217. – P. 278–285. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2014.11.027.

20. Влияние содержания C и Mn на свойства высокомарганцовистой стали / Б.Б. Винокур, С.Е. Кондратюк, Г.Г. Луценко, О.Г. Касаткин // Металлы. – 1986. – № 2. – C. 123–127.

21. Филипов М.А., Зильберштейн М.Р. Стабильность аустенита и свойства высокомарганцовистых среднеуглеродистых сталей // Металлы. – 1992. – № 6. – C. 56–61.

22. Влияние углерода и марганца на фазовый состав, мартенситные превращения при нагружении и механические свойства марганцовистых сталей / Л.С. Малинов, А.П. Чейлях, Е.Л. Малинова, Л.И. Бурлаченко // Металлы. – 1995. – № 2. – C. 67–73.

23. Еголаев В.Ф., Богачев И.Н. Фазовые превращения и упрочнение при пластической деформации железомарганцевого сплава легированного молибденом и вольфрамом // Физика металлов и металловедение. – 1964. – Т. 18, № 3. – С. 423–427.

24. Гуревич Ю.Г. Технология получения твердых сплавов на основе карбида титана методом пропитки, исключающим объемную усадку // Цветные металлы. – 2013. – № 11 (851). – С. 75–78.

25. Кульков С.Н., Гнюсов С.Ф. Карбидостали на основе карбидов титана и вольфрама. – Томск: Изд-во науч.-техн. лит., 2006. – 240 с. – ISBN 5-89503-290-7.

26. Гнюсов С.Ф. Фазовый состав и формирование механических свойств твердых сплавов карбид вольфрама – структурно-неустойчивая связка: дис. канд. тех. наук: 01.04.07. – Томск, 1991. – 198 с.

27. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. – М.: Металлургия, 1976. – 270 с.

28. Вишняков Я.Д. Современные методы исследования структуры деформированных кристаллов. – М.: Металлургия, 1975. – 480 с.

29. Timoshenko S.P., Goodier J.N. Theory of elasticity. – New York: McGraw-Hill, 1951. – 506 с.

30. Структурные превращения высокомарганцовистых аустенитных сталей при деформировании сдвигом под давлением / В.А. Теплов, Л.Г. Коршунов, В.А. Щабашов, Р.И. Кузнецов, В.П. Пилюгин, Д.И. Тупица // Физика металлов и металловедение. – 1988. – Т. 66, № 3. – С. 563–571.