ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Разработка новых износостойких материалов, получаемых методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), является актуальной задачей материаловедения. Наибольшее распространение метод СВС получил в области создания новых порошковых материалов. Получению монолитных беспористых композитов уделено значительно меньше внимания. Для монолитных композитов весьма важным является выявление роли металлической матрицы и фазовых превращений в процессе вторичного структурообразования после завершения процесса синтеза при охлаждении полученного материала. Цель данной работы заключалась в проведении сравнительного анализа структуры и свойств СВС-композитов систем Fe-Ti-C-B, Fe-Ni-Ti-C-B, Fe-Ni-Cr-Ti-C-B и Cu-TiC-B. Материалы и методы исследования. Композиты получали из порошковых смесей, состоящих из термореагирующих компонентов Ti, C, и B, а также матричных Fe, Fe-Ni, Fe-Ni-Cr и Cu. Исходные порошки тщательно перемешивали, загружали в стальной трубный контейнер и выполняли предварительное компактирование порошковой смеси. Затем проводили нагрев заготовок в электропечи до температуры начала самовоспламенения. После завершения СВС заготовки деформировали с усилием 250 МПа в гидравлическом прессе при температуре не ниже 1000 ?С. Из полученных сэндвич-пластин вырезали образцы для микроструктурных исследований, определения плотности, измерения твердости, испытаний на поперечный изгиб и абразивную износостойкость. Результаты и обсуждение. Все исследованные композиты характеризовались неравномерным распределением упрочняющих частиц TiC и TiB2 по объему. Использование матрицы Fe-Ni привело к формированию областей с эвтектической структурой γ-Fe + Fe2B в композите и дополнительной упрочняющей фазы Ni3Ti. Использование металломатричных компонентов Fe-Ni-Cr привело к формированию в матрице двух твердых растворов – аустенита и феррита, а по границам аустенитных зерен образовались частицы Cr23C6. Максимальную прочность на поперечный изгиб показали СВС-композиты систем Fe-Ti-C-B и Cu-Ti-C-B с матрицей из ГЦК твердых растворов. Все композиты имели твердость 66 -72 HRC и показали стойкость к абразивному изнашиванию на одном уровне.
Пугачева Наталия Борисовна
Николин Юрий Васильевич
Быкова Татьяна Михайловна
Сенаева Екатерина Игоревна
1. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / Е.А. Левашов, А.С. Рогачев, В.В. Курбаткина, Ю.М. Максимов, В.И. Юхвид. – М.: МИСиС, 2011. – 378 с. – ISBN 978-5-87623-463-6.
2. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. – М.:Физматлит, 2012. – 400 с. – ISBN 978-5-9221-1441-7.
3. Физикохимические и технологические основы СВС / Е.А. Левашов, А.С. Рогачев, В.И. Юхвид, И.П. Боровинская. – М.: БИНОМ, 1999. – 176 c. – ISBN 5-7989-0126-2.
4. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. – М.: Машиностроение-1, 2007. – 567 с. – ISBN 978-5-94275-360-3.
5. Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез // Физическая химия. Современные проблемы / под ред. Я.М. Колотыркина. – М.: Химия, 1983. – С. 6–44.
6. Nanoparticle dispersionstrengthened coatings and electrode materials for electrospark deposition / Е.А. Levashov, P.V. Vakaev, E.I. Zamulaeva, A.E. Kudryashov, Yu.S. Pogozhev, D.V. Shtansky, A.A. Voevodin, A. Sanz // Thin Solid Films. – 2006. – Vol. 515, iss. 3. – P. 1161–1165. – DOI: 10.1016/j.tsf.2006.07.140.
7. Влияние легирования композитных Ti–TiC-покрытий переходными и вентильными металлами на их структуру и механические свойства / И.Г. Жевтун, П.С. Гордиенко, Ю.Н. Кульчин, Е.П. Субботин, С.Б. Ярусова, А.В. Голуб // Физика металлов и металловедение. – 2019. – Т. 120, № 1. – С. 27–33. – DOI: 10.1134/S0015323018100157.
8. Щукин А.С., Сычёв А.Е. Особенности строения переходной зоны NiAl/Mo, сформированной в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Физика металлов и металловедение. – 2019. – Т. 120, № 9. – С. 925–930. – DOI: 10.1134/S0015323019090134.
9. Microstructure and mechanical properties of TiC-TiN-Zr-WC-Ni-Co cermets / X. Zhang, N. Liu, C. Rong, J. Zhou // Ceramics International. – 2009. – Vol. 35, iss. 3. – P. 1187–1193. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2008.06.005.
10. Heiligers Ch., Neethling J.H. Crystal structure of the binder phase in a model HfC-TiC-Ni material // Journal of Alloys and Compounds. – 2008. – Vol. 453, iss. 1–2. – P. 222–228. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2007.05.094 .
11. Zhang X., Liu N. Effects of ZrC on microstructure, mechanical properties and thermal shock resistance of TiC-ZrC-Co-Ni cermets // Materials Science and Engineering: A. – 2013. – Vol. 561. – P. 270–276. – DOI: 10.1016 / j.msea.2012.11.003.
12. Kwon W.T., Park J.S., Kang S. Effect of group IV elements on the cutting characteristics of Ti(C,N) cermet tools and reliability analysis // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 166, iss. 1. – P. 9–14. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2004.06.009.
13. Mechanochemical synthesis of nanocomposite powder for ultrafine (Ti, Mo)C-Ni cermet without core-rim structure / Y.-K. Kim, J.-H. Shim, Y.W. Cho, H.-S. Yang, J.-K. Park // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2004. – Vol. 22, iss. 4–5. – P. 193–196. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2004.06.004.
14. LaSalvia J.C., Kim D.K., Meyers M.A. Effect of Mo on microstructure and mechanical properties of TiC–Ni-based cermets produced by combustion synthesis – impact forging technique // Materials Science and Engineering: A. – 1996. – Vol. 206, iss. 1. – Р. 71–80. – DOI: 10.1016/0921-5093(95)09994-8.
15. Effect of Mo addition on microstructure and mechanical properties of (Ti,W)C solid solution based cermets / G. Zhang, W. Xiong, Q. Yang, Z. Yao, S. Chen, X. Chen // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2014. – Vol. 43, iss. 4–5. – P. 77–82. – DOI: 10.1016 / j.ijrmhm.2013.11.004.
16. Ettmayer P. Hardmetals and cermets // Annual Review of Materials Research. – 1989. – Vol. 19. – P. 145–164. – DOI: 10.1146/annurev.ms.19.080189.001045.
17. Хусид Б.М., Мержанов А.Г. Структурные превращения при безгазовом горении гетерогенных систем с плавящимся металлическим реагентом // Доклады АН СССР. – 1988. – Т. 298, № 2. – С. 414–417.
18. Holt J.B, Munir Z.A. Combustion synthesis of titanium carbide – theory and experiment // Journal of Materials Science. – 1986. – Vol. 21. – P. 251–259. – DOI: 10.1007 / BF01144729ID.
19. Technological aspects of manufacturing new synthetic titanium and molybdenum carbide-based tool materials / E.A. Levashov, B.V. Vyushkov, K.N. Egorychev, I.P. Borovinskaya // International Journal of SHS. – 1996. – Vol. 5, iss. 3. – Р. 293.
20. Levashov E.A., Kurbatkina V.V. Regularities of composite materials with micrograded grain structure formation // Materials Science Forum. – 2004. – Vol. 492–493. – P. 615–620. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.492-493.
21. Effects of nanocrystalline powders additions on the characteristics of combustion process, phase and structure-formation, and properties of SHS alloys on titanium carbide base / E.A. Levashov, O.V. Malochkin, A.E. Kudryashov, F. Gammel, R. Suchentrunk // Journal of Materials Synthesis and Processing. – 2002. – Vol. 10, iss. 5. – P. 231–236. – DOI: 10.1023/A:1023033907477.
22. Nowotny H., Rogl P., Schuster J.C. Structural chemistry of complex carbides and related compounds // Journal of Solid State Chemistry. – 1982. – Vol. 44, iss. 1. – P. 126–133. – DOI: 10.1016/0022-4596(82)90409-1.
23. Многослойная износостойкая пластина / Николин Ю.В., Зяткевич В.В., Блинков О.Г... Приоритет от 07.08.2014 до 07.08.2024.
24. Патент 2680489 Российская Федерация. Способ изготовления многослойной износостойкой пластины / Николин Ю.В., Матевосян М.Б., Кочугов С.П., Пугачева Н.Б. – Заявл. 10.11.2017; опубл. 21.02.2019, Бюл. № 6.
25. Структура СВС-композитов системы Fe-Ti-C-B / Н.Б. Пугачева, Ю.В. Николин, Е.И. Сенаева, И.Ю. Малыгина // Физика металлов и металловедение. – 2019. – Т. 120, № 11. – С. 1174–1180. – DOI: 10.1134/S0015323019110135.
26. Вихретоковый контроль структурного состояния, твердости и абразивной износостойкости высокопрочного чугуна, подвергнутого лазерной закалке и последующему отпуску / А.В. Макаров, Э.С. Горкунов, Л.Х. Коган, И.Ю. Малыгина, А.Л. Осинцева // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2015. – Iss. 6. – С. 90–103. – DOI: 10.17804/2410-9908.2015.6.090-103.
27. Влияние лазерной закалки и последующей термической обработки на структуру и износостойкость цементированной стали 20ХН3А / А.В. Макаров, Л.Г. Коршунов, И.Ю. Малыгина, А.Л. Осинцева // Физика металлов и металловедение. – 2007. – Т. 103, № 5. – С. 536–548.
28. РД 50-672–88. Расчеты и испытания на прочность. Классификация видов изломов. Методические указания. – М.: Госстандарт, 1989. – 21 с.
29. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. – М.: Наука, 1970. – 252 с.
Финансирование:
Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН в соответствии с государственным заданием по теме № АААА-А18-118020790145-0.
Благодарности:
Авторы выражают благодарность к.т.н. Р.А. Савраю и И.А. Заболоцких за помощь в проведении экспериментов.
Влияние химического состава матрицы на структуру и свойства монолитных СВС-композитов / Н.Б. Пугачева, Ю.В. Николин, Т.М. Быкова, Е.И. Сенаева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 3. – С. 124–138. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.3-124-138.
Pugacheva N.B., Nikolin Yu.V., Bykova T.M., Senaeva E.I. Infl uence of the chemical composition of the matrix on the structure and properties of monolithic SHS composites. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2021, vol. 23, no. 3, pp. 124–138. DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.3-124-138. (In Russian).
