ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Карбид и диборид титана характеризуются высокими значениями твердости, химической инертностью и по этой причине широко используются в современной технике. В статье приведены сведения о синтезе карбида и диборида титана карботермическим и карбидоборным методами, соответственно, об использовании карбида титана в качестве абразива и при изготовлении безвольфрамовых твердых сплавов, карбидосталей, износостойких покрытий, а также диборида титана при получении режущего инструмента и применении его в качестве модифицирующей добавки при изготовлении керамики из карбида бора. Целью работы является исследование процессов синтеза высокодисперсных порошков карбида и диборида титана, перспективных для изготовления режущего инструмента, износостойких покрытий, абразивов и керамики. Методы исследования. Реагентами при синтезе карбида и диборида титана служили оксид титана TiO2, нановолокнистый углерод (НВУ) и высокодисперсный карбид бора. Эксперименты по получению карбида титана проводились в печи сопротивления, а диборида титана – в индукционной печи. Рентгеновские исследования фазового состава образцов карбида и диборида титана проводились на дифрактометре ARL X?TRA (Thermo Electron SA). Определение содержания титана и примесей в образцах карбида и диборида титана выполнялось рентгеноспектральным флуоресцентным методом на анализаторе ARL–Advant'x. Содержание общего углерода в образцах карбида титана определялось на приборе С-144 фирмы LECO. Определение содержания бора и прочих элементов для образцов диборида титана выполнялось методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (АЭС–ИСП) на спектрометре IRIS Advantage (Thermo Jarrell Ash Corporation). Морфология поверхности и размеры частиц образцов изучались на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss Sigma. Определение распределения размеров частиц/агрегатов выполнялось на лазерном анализаторе MicroSizer 201 (ВА Инструментс). Результаты. В статье предложены технологические процессы получения высокодисперсных порошков карбида и диборида титана. Оптимальная температура синтеза карбида титана 2000…2100 оС, а диборида титана 1600…1700 оС. Содержание основного вещества находится на уровне 97,5…98,0 масс.%. Обсуждение. Предложен возможный механизм образования карбида и диборида титана, заключающийся в переносе паров оксидов титана на поверхность твердого углерода (синтез карбида титана) и паров бора и оксидов титана на поверхность твердого углерода (синтез диборида титана). Из-за высоких значений чистоты и дисперсности полученные порошки карбида и диборида титана могут быть использованы для изготовления режущего инструмента и керамики. По этой же причине полученный порошок карбида титана может быть использован в качестве абразивного материала для изготовления безвольфрамовых твердых сплавов, карбидосталей, износостойких покрытий, а порошок диборида титана – для приготовления режущего инструмента и керамики на основе карбида бора.
Крутский Юрий Леонидович
Максимовский Евгений Анатольевич
Петров Роман Владимирович
Нецкина Ольга Владимировна
Ухина Арина Викторовна
Крутская Татьяна Михайловна
Гудыма Татьяна Сергеевна
1. Кипарисов С.С., Левинский Ю.В., Петров А.П. Карбид титана: получение, свойства, применение. – М.: Металлургия, 1987. – 216 с.
2. Серебрякова Т.И., Неронов В.А., Пешев П.Д. Высокотемпературные бориды. – М.: Металлургия, Челябинское отделение, 1991. – 368 с.
3. Mroz C. Annual minerals review: titanium diboride // American Ceramic Society Bulletin. – 1995. – Vol. 74. – P. 158–159.
4. Доронькин Е.Д. Безвольфрамовые твердые сплавы // Цветные металлы. – 1983. – № 7. – С. 45–46.
5. Reactive hot pressing of Ti–B–C and Ti–C at 1200 oC / L. Rangaraj, K. Barman, C. Divacar, V. Jayaram // Ceramics International. – 2013. – Vol. 39. – P. 5955–5961. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2012.12.016.
6. Mechanical properties and microstructure of TiB2–TiC composite ceramic cutting tool material / B. Zou, C. Huang, J. Song, Z. Liu, L. Liu, Y. Zhao // International Journal of Refractory Metals and Hard materials. – 2012. – Vol. 35. – P. 1–9. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2012.02.011.
7. Effect of superfine refractory carbide additives on microstructure and mechanical properties of TiB2–TiC+Al2O3 composite ceramic cutting tool materials / B. Zou, W. Ji, C. Huang, J. Wang, S. Li, K. Xu // Jourmal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 585. – P. 192–202. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.09.119.
8. Fretting wear analysis of TiC/VC multilayered hard coatings: experiments and modeling approaches / S. Fouvry, B. Wendler, T. Liskiewits, M. Dudek, L. Kolodziejczyk // Wear. – 2004. – Vol. 257. – P. 641–653. – DOI: 10.1016/j.wear.2004.02.009.
9. Wang X.-h., Zou Z.-d., Qu S.-y. Microstructure of Fe-based alloy hardfacing coating reinforced by TiC-VC particles // Journal of Iron and Steel Research, International. – 2006. – Vol. 13 (4). – P. 51–55. – DOI: 10.1016/S1006-706X(06)60078-2.
10. Адамовский А.А. Абразивные материалы из металлоподобных тугоплавких соединений // Порошковая металлургия. – 1974. – № 5. – С. 49–56.
11. Карбид титана, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза – высокоэффективный абразивный материал / А.Г. Мержанов, Г.Г. Карюк, И.П. Боровинская, С.Ю. Шаривкер, Е.И. Мошковский, В.К. Прокудина, Е.Г. Дядько // Порошковая металлургия. – 1981. – № 10. – С. 50–55.
12. Кульков С.Н., Гнюсов С.Ф. Карбидостали на основе карбидов титана и вольфрама. – Томск: Изд-во науч.-техн. лит., 2006. – 240 с.
13. Свистун Л.И. Карбидостали конструкционного назначения: изготовление, свойства, применение (обзор) // Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2009. – № 3. – С. 41–50.
14. Карбид бора / П.С. Кислый, М.А. Кузенкова, Н.И. Боднарук, Б.Л. Грабчук. – Киев: Наукова думка, 1988. – 216 с.
15. Zhang W., Yamashita S., Kita H. Progress in pressureless sintering of boron carbide ceramics – a review // Advances of Applied Ceramics. – 2019. – Vol. 118 (4). – P. 222–239. – DOI: 10.1080/17436753.2019.1574285.
16. Influence of TiB2 content on microstructure and hardness of TiB2–B4C composite / T.S. Srivatsan, G. Gurupsarad, D. Black, R. Radhakrishnan, T.S. Sudarshan // Powder Technology. – 2005. – Vol. 159. – P. 161–167. – DOI: 10.1016/j.powtec.2005.08.003.
17. Heydari M.S., Baharvandi H.R. Comparing the effect of different sintering methods for ceramics on the physical and mechanical properties of B4C–TiB2 nanocomposites // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2015. – Vol. 51. – P. 224–232. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2015.04.003.
18. Microstructure and mechanical properties of pulsed electric current sintered B4C-TiB2 composite / S. Huang, K. Vanmeensel, O. Malek, O. Van der Biest, J. Vleugels // Materials Science and Engineering A. – 2011. – Vol. 528 (3). – P. 1302–1309. – DOI: 10.1016/j.msea.2010.10.022.
19. Effects of carbon and silicon on microstructure and mechanical properties of pressureless sintered B4C/TiB2 composites / Y. Zhu, H. Cheng, Y. Wang, R. An // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 772. – P. 537–545. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.09.129.
20. Mechanism of porous filamentous carbon granule formation on catalytic hydrocarbon decomposition / G.G. Kuvshinov, Yu.L. Mogilnykh, D.G. Kuvshinov, D.Yu. Yermakov, M.A. Yermakova, A.N. Salanov, N.A. Rudina // Carbon. – 1999. – Vol. 37. – P. 1239–1246.
21. Синтез полидисперсного карбида бора и получение керамики на его основе / Ю.Л. Крутский, Ю.К. Непочатов, А.Н. Пель, И.Н. Сковородин, К.Д. Дюкова, Т.М. Крутская, И.Д. Кучумова, О.Э. Матц, А.Г. Тюрин, Ю.Ю. Эмурлаева, С.И. Подрябинкин // Журнал прикладной химии. – 2019. – Т. 92, вып. 6. – С. 719–727. – DOI: 10.1134/S0044461819060045.
22. Blott S.J., Pye K. Gradistat: A grain size distribution and statistics package for the analysis of unconsolidated sediments // Earth Surface Processes and Landforms. – 2001. – Vol. 26. – P. 1237–1248.
23. Свойства элементов. Ч. 1: справ. изд. / под ред. Г.В. Самсонова. – М.: Металлургия, 1976. – 600 с.
24. Казенас Е.К., Цветков Ю.В. Термодинамика испарения оксидов. – М.: ЛКИ, 2008. – 480 с.
25. Болгар А.С., Турчанин А.Г., Фесенко В.В. Термодинамические свойства карбидов. – Киев: Наукова думка, 1973. – 272 с.
26. Determination of the optimal temperature range for synthesis of B4C–TiB2 and B4C–ZrB2 powder composite materials / V.A. Shestakov, T.S. Gudyma, Yu.L. Krutskii, N.F. Uvarov // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 31. – P. 56–58. – DOI: 10.1016/j.matpr.2020.05.822.
Финансирование:
Работа выполнена в соответствии с госзаданием Минобрнауки (код FSUN 2020-0008).
Благодарности:
Исследования выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов».
Синтез карбида и диборида титана для металлообработки и получения керамики / Ю.Л. Крутский, Е.А. Максимовский, Р.В. Петров, О.В. Нецкина, А.В. Ухина, Т.М. Крутская, Т.С. Гудыма // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 4. – С. 155–166. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.4-155-166.
Krutskii Yu.L., Maksimovskii E.A., Petrov R.V., Netskina O.V., Ukhina A.V., Krutskaya T.M., Gudyma T.S. Synthesis of titanium carbide and titanium diboride for metal processing and ceramics production. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2021, vol. 23, no. 4, pp. 155–166. DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.4-155-166. (In Russian).
