ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Широко применяемым эффективным способом повышения износостойкости сталей и их сплавов является введение в структуру сплава дисперсных твердых частиц тугоплавких соединений (карбидов, боридов, силицидов). Наибольший практический интерес представляют композиты с матрицей из сплавов на основе железа (стали и чугуны), упрочненных частицами карбида титана. Основными структурными характеристиками, которые определяют твердость и износостойкость этих композитов, являются объемная доля, дисперсность и морфология частиц упрочняющей карбидной фазы. Структура композитов зависит от способа их получения. Широко используются методы порошковой металлургии в сочетании с предварительной механоактивацией порошковых смесей. Ранее было установлено, что в механоактивированных порошковых смесях ферротитана ФТи35С5, состоящего на 82 % из соединения (Fe,Al)₂Ti, и сажи П-803 идет реакция с образованием композита, согласно рентгеноструктурному анализу состоящего из стальной связки и карбида титана. Реакция синтеза карбида идет в твердофазном режиме при температурах горения 900…950 °C. Поэтому не происходит огрубления структуры за счет роста карбидных частиц, что характерно для реакций в присутствии жидкой фазы. Промышленный ферротитан содержит много примесей (кремний, алюминий и др.). Целью настоящей работы было исследовать фазовый состав и структуру продуктов взаимодействия титанидов железа Fe₂Ti и FeTi с углеродом в условиях реакционного спекания механоактивированных порошковых смесей и выяснить возможность синтеза железоматричных композитов, упрочненных субмикронными частицами карбида титана. Методы исследования. Структуру и фазовый состав спеченных прессовок из механоактивированных порошков исследовали методами оптической металлографии, рентгенофазового анализа и растровой электронной микроскопии (SEM) с определением элементного состава методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX). Методика эксперимента. Для приготовления реакционных смесей использовали интерметаллидные порошки, полученные спеканием в вакууме прессовок из порошковых смесей железа и титана двух составов: 2Fe+Ti и Fe+Ti. В интерметаллидные порошки добавляли сажу в количестве, необходимом для того, чтобы весь титан, находящийся в интерметаллидах, был связан в карбид. Полученные смеси с добавлением спирта обрабатывали в течение 10 минут в планетарной мельнице Activator 2S при 755 об/мин (40g). Из механоактивированных смесей прессовали цилиндрические заготовки диаметром 20 мм, которые спекали в вакууме при температуре 1200 °С с изотермической выдержкой 60 минут. Результаты и обсуждение. Согласно результатам рентгеноструктурного анализа практически весь титан, содержащийся в титанидах железа, вступает в реакцию с углеродом с образованием карбида и восстановленного железа. Продукты спекания прессовок обоих составов содержат целевые фазы: карбид титана с признаками смещения его состава от эквиатомного в сторону титана и a-железо с параметрами решетки, близкими к справочным данным, а также незначительное количество других фаз. На электронномикроскопических изображениях (BSE) железная связка и карбид титана хорошо различимы благодаря тоновому контрасту: тяжелое железо более темное, чем карбид, состоящий из более легких элементов. Согласно результатам локального элементного анализа относительное содержание титана и углерода в карбиде действительно соответствует составу нестехиометрического карбида титана. Заключение. Спеканием механоактивированных порошковых смесей титанидов железа с углеродом (сажей) получены композиты, включающие карбид титана и альфа-железо. Гранулы композиционных порошков, полученные дроблением спеков, представляют интерес в качестве фидстоков для нанесения покрытий и в аддитивных технологиях, а также для получения плотных материалов другими методами компактирования: искровым плазменным спеканием (SPS) или горячим прессованием (HP).

1. Review on TiC reinforced steel composites / K.I. Parashivamurthy, R.K. Kumar, S. Seetharamu, M.N. Chandrasekharaiah // Journal of Materials Science. – 2001. – Vol. 36 (18). – P. 4519–4530. – DOI: 10.1023/A:1017947206490.

2. Parashivamurthy K.I., Sampathkumaran P., Seetharamu S. Wear behavior of Fe–TiC composites // International Conference on Advances in Manufacturing Engineering – 2007, ICAME-2007 / Manipal Institute of Technology. – Manipal, Karnataka, India, 2007. – P. 73–78.

3. Srivastava A.K., Das K. The abrasive wear resistance of TiC and (Ti,W)C-reinforced Fe–17Mn austenitic steel matrix composites // Tribology International. – 2010. – Vol. 43 (5–6). – P. 944–950. – DOI: 10.1016/J.TRIBOINT.2009.12.057.

4. TiC–FeCr local composite reinforcements obtained in situ in steel casting / E. Olejnik, L. Szymanski, P. Batóg, T. Tokarski, P. Kurtyka // Journal of Materials Processing Technology. – 2020. – Vol. 275. – P. 116157. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2019.03.017.

5. Fabrication of in situ TiC locally reinforced manganese steel matrix composite via combustion synthesis during casting / S.W. Hu, Y.G.  Zhao, Z. Wang, Y.G. Li, Q.C. Jiang // Materials and Design. – 2013. – Vol. 44. – P. 340–345. – DOI: 10.1016/j.matdes.2012.07.063.

6. TiC–Fe-based composite coating prepared by self-propagating high-temperature synthesis / S. He, X. Fan, Q. Chang, L. Xiao // Metallurgical and Materials Transactions B. – 2017. – Vol. 48 (3). – P. 1748–1753. – DOI: 10.1007/s11663-017-0942-8.

7. Synthesis and mechanical properties of TiC–Fe interpenetrating phase composites fabricated by infiltration process / Y. Zheng, Y. Zhou, Y. Feng, X. Teng, S. Yan, R. Li, W. Yu, Z. Huang, S. Li, Z. Li // Ceramics International. – 2018. – Vol. 44 (17). – P. 21742–21749. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.08.268.

8. Effects of chromium and carbon content on microstructure and properties of TiC-steel composites / T. Lin, Y. Guo, Z. Wang, H. Shao, H. Lu, F. Li, X. He // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2018. – Vol. 72. – P. 228–235. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2017.12.037.

9. Persson P., Jarfors A.E.W., Savage S. Self-propagating high-temperature synthesis and liquid-phase sintering of TiC/Fe composites // Journal of Materials Processing Technology. – 2002. – Vol. 127 (2). – P. 131–139. – DOI: 10.1016/S0924-0136(02)00113-9.

10. Akhtar F., Guo S.J. Microstructure, mechanical and fretting wear properties of TiC-stainless steel composites // Materials Characterization. – 2008. – Vol. 59 (1). – P. 84–90. – DOI: 10.1016/j.matchar.2006.10.021.

11. Akhtar F., Guo S. On the processing, microstructure, mechanical and wear properties of cermet/stainless steel layer composites // Acta Materialia. – 2007. – Vol. 55 (4). – P. 1467–1477. – DOI: 10.1016/j.actamat.2006.10.009.

12. Reaction mechanisms of the TiC/Fe composite fabricated by exothermic dispersion from Fe–Ti–C element system / H. Zhu, K. Dong, H. Wang, J. Huang, J. Li, Z. Xie // Powder Technology. – 2013. – Vol. 246. – P. 456–461. – DOI: 10.1016/J.POWTEC.2013.06.002.

13. Wang J., Wang Y., Ding Y. Reaction synthesis of Fe–(Ti,V)C composites // Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 197 (1–3). – P. 54–58. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.06.016.

14. Jing W., Yisan W., Yichao D. Production of (Ti,V)C reinforced Fe matrix composites // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 454–455. – P. 75–79. – DOI: 10.1016/j.msea.2006.11.024.

15. In-situ synthesis of TiC/Fe alloy composites with high strength and hardness by reactive sintering / J. Lee, D. Lee, M.H. Song, W. Rhee, H.J. Ryu, S.H. Hong // Journal of Materials Science and Technology. – 2018. – Vol. 34 (8). – P. 1397–1404. – DOI: 10.1016/j.jmst.2017.03.006.

16. A TiC_x reinforced Fe(Al) matrix composite using in-situ reaction / X. Chen, H. Zhain, W. Wang, S. Li, Z. Huang // Progress in Natural Science: Materials International. – 2013. – Vol. 23 (1). – P. 13–17. – DOI: 10.1016/j.pnsc.2013.01.002.

17. Rapid fabrication of in situ TiC particulates reinforced Fe-based composites by spark plasma sintering / B. Li, Y. Liu, H. Cao, L. He, J. Li // Materials Letters. – 2009. – Vol. 63 (23). – P. 2010–2012. – DOI: 10.1016/j.matlet.2009.06.026.

18. Fabrication and mechanical properties of TiC reinforced CoCrFeMnNi high-entropy alloy composite by water atomization and spark plasma sintering / D. Yim, P. Sathiyamoorthi, S.-J. Hong, H.S. Kim // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 781. – P. 389–396. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.12.119 0925-8388.

19. Composites fabricated by self-propagating high-temperature synthesis / Z.Y. Fu, H. Wang, W.M. Wang, R.Z. Yuan // Journal of Materials Processing Technology. – 2003. – Vol. 137 (1–3) – P. 30–34. – DOI: 10.1016/s0924-0136(02)01061-0.

20. Фадин В.В., Колубаев А.В., Алеутдинова М.И. Композиты на основе карбида титана, полученного методом технологического горения // Перспективные материалы. – 2011. – № 4. – С. 91–96.

21. Телепа В.Т., Щербаков В.А., Щербаков А.В. Получение композита TiC–30 вес.% Fe методом электротеплового взрыва под давлением // Письма о материалах. – 2016. – Т. 6, № 4. – С. 286–289.

22. Study of formation behavior of TiC in the Fe–Ti–C system during combustion synthesis / M.X. Zhang, Q.D. Hu, B. Huang, J.Z. Li, J.G. Li // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2011. – Vol. 29 (3). – P. 356–360. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2011.01.001.

23. Formation and growth mechanism of TiC terraces during self-propagating high-temperature synthesis from a Fe–Ti–C system / M.X. Zhang, Q.D. Hu, Y.Q. Huo, B. Huang, J.G. Li // Journal of Crystal Growth. – 2012. – Vol. 355 (1). – P. 140–144. – DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2012.06.045.

24. Rahimi-Vahedi A., Adeli M., Saghafian H. Formation of Fe–TiC composite clad layers on steel using the combustion synthesis process // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 347. – P. 217–224. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.04.086.

25. Characteristics of the combustion synthesis of TiC and Fe–TiC composites / A. Saidi, A. Chrysanthou, J.V. Wood, J.L.F. Kellie // Journal Materials Science. – 1994. – Vol. 29 (19). – P. 4993–4998. – DOI: 10.1007/BF01151089.

26. Preparation of the Fe–TiC composites by thermal-explosion mode of combustion synthesis / A. Saidi, A. Chrysanthou, J.V. Wood, J.L.F. Kellie // Ceramics International. – 1997. – Vol. 23 (2). – P. 185–189. – DOI: 10.1016/s0272-8842(96)00022-3.

27. Ляхов Н.З., Талако Т.Л., Григорьева Т.Ф. Влияние механоактивации на процессы фазо- и структурообразования при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе. – Новосибирск: Параллель, 2008. – 168 с.

28. Extending the SHS combustion concentration limits in Ti+C+Fe powder mixtures by preliminary mechanical activation / A.V. Baranovskiy, G.A. Pribytkov, M.G. Krinitcyn, V.V. Homyakov, G.O. Dankovcev // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 25 (3). – P. 458–460. – DOI: 10.1016/j.matpr.2019.12.176.

29. Mechanoactivated SHS in ferrotitanium–carbon black powder mixtures / G.A. Pribytkov, A.V. Baranovskiy, V.V. Korzhova, M.G. Krinitcyn // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. – 2020. – Vol. 29 (1). – P. 61–63. – DOI: 10.3103/S1061386220010082.

30. Combustion synthesis in FeTi+C mechanically activated mixture / A.V. Baranivskiy, G.A. Pribytkov, V.V. Korzhova, E.N. Korosteleva // AIP Conference Proceedings. – 2022. – Vol. 2509. – P. 020017. – DOI: 10.1063/5.0084735.

31. Синтез интерметаллидов системы Ti–Fe из смесей элементарных порошков / Г.А. Прибытков, А.В. Барановский, В.В. Коржова, И.А. Фирсина, В.П. Кривопалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 126–136. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-126-136.

32. Bartin I., Knacke O., Kubaschevski O. Thermodinamical properties of inorganic substances. Supplement. – Berlin: Springer-Verlag, 1977. – 861 p. – DOI: 10.1007/978-3-662-02293-1.

33. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: справочник / под ред. Т.Я. Косолаповой. – М.: Металлургия, 1986. – 928 с.

34. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник. В 3 т. Т. 1 / под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с. – ISBN 5-217-02688-X.

35. Современные инструментальные материалы на основе тугоплавких соединений: сборник научных трудов / ВНИИТС; под ред. Н.А. Кудри – М.: Металлургия, 1985. – 127 с.

36. Zueva L.V., Gusev A.I. Effect of nonstoichiometry and ordering on the period of the basis structure of cubic titanium carbide // Physics of the Solid State. – 1999. – Vol. 41 (7). – P. 1032–1038. – DOI: 10.1134/1.1130931.