Том 26 № 2 2024 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 2 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Гайквад В., Чинчаникар С. Исследования соединений AA7075, сваренных трением с перемешиванием и ультразвуковым воздействием: механические свойства и анализ разрушения.......................................................... 6 Сирота В.В., Зайцев С.В., Лимаренко М.В., Прохоренков Д.С., Лебедев М.С., Чуриков А.С., Даньшин А.Л. Получение покрытий с высокой инфракрасной излучательной способностью............................................................ 23 Бабаев А.С., Козлов В.Н., Семёнов А.Р., Шевчук А.С., Овчаренко В.А., Сударев Е.А. Исследование сил резания и обрабатываемости при фрезеровании порошковой коррозионно-стойкой стали, полученной по технологии прямого лазерного выращивания (LMD).......................................................................................................................... 38 Долгова С.В., Маликов А.Г., Голышев А.А., Никулина А.А. Влияние режимов лазерной наплавки на геометрические размеры стального трека......................................................................................................................... 57 Карлина Ю.И., Кононенко Р.В., Попов М.А., Дерюгин Ф.Ф., Бянкин В.Е. Оценка сварочно-технологических свойств электродных покрытий основного типа различных производителей электродов для сварки трубных деталей и сборочных единиц поверхностей теплообмена котлоагрегатов.................................................................... 71 Янпольский В.В., Иванова М.В., Насонова А.А., Янюшкин А.С. Определение скорости электрохимического растворения стали У10А в условиях ЭХРО с неподвижным катодом-инструментом................................................. 95 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Изучение отображения вибрационных возмущений в геометрии формируемой резанием поверхности при точении................................................................................................................ 107 Гасанов Б.Г., Конько Н.А., Баев С.С. Исследование кинетики формообразования деталей сферического подшипника скольжения из коррозионно-стойких сталей, полученных объемной штамповкой пористых заготовок............................................................................................................................................................................... 127 Гвинджилия В.Е., Фоминов Е.В., Моисеев Д.В., Гамалеева Е.И. Влияние динамических характеристик процесса резания на шероховатость поверхности детали при токарной обработке..................................................... 143 Лобанов Д.В., Скиба В.Ю., Голюшов И.С., Смирнов В.М., Зверев Е.А. Моделирование конструкций сборного абразивного инструмента................................................................................................................................................... 158 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Ерошенко А.Ю., Легостаева Е.В., Глухов И.А., Уваркин П.В., Толмачев А.И., Шаркеев Ю.П. Термическая стабильность микроструктуры сплава Mg-Y-Nd в экструдированном состоянии................................................... 174 Базалеева К.О., Сафарова Д.Э., Понкратова Ю.Ю., Луговой М.Е., Цветкова Е.В., Алексеев А.В., Железный М.В., Логачев И.А., Басков Ф.А. Влияние технологических параметров процесса прямого лазерного выращивания на качество формируемого объекта из титанового сплава ВТ23............................................................ 186 Ефимович И.А., Золотухин И.С. Температуры окисления инструментальных вольфрамокобальтовых твердых сплавов.................................................................................................................................................................................. 199 Прибытков Г.А., Барановский А.В., Фирсина И.А., Акимов К.О., Кривопалов В.П. Исследование железоматричных композитов с карбидным упрочнением, полученных спеканием механоактивированных смесей титанидов железа с углеродом........................................................................................................................................... 212 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 224 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 235 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 03.06.2024. Выход в свет 14.06.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 29,5. Уч.-изд. л. 54,87. Изд. № 73. Заказ 135. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 2 2024 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 2 2024 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 2 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Gaikwad V., Chinchanikar S. Investigations on ultrasonic vibration-assisted friction stir welded AA7075 joints: Mechanical properties and fracture analysis........................................................................................................................ 6 Sirota V.V., Zaitsev S.V., Limarenko M.V., Prokhorenkov D.S., Lebedev M.S., Churikov A.S., Dan'shin A.L. Preparation of coatings with high infrared emissivity.......................................................................................................... 23 Babaev A.S., Kozlov V.N., Semenov A.R., Shevchuk A.S., Ovcharenko V.A., Sudarev E.A. Investigation of cutting forces and machinability during milling of corrosion-resistant powder steel produced by laser metal deposition............. 38 Dolgova S.V., Malikov A.G., Golyshev A.A., Nikulina A.A. The eff ect of laser surfacing modes on the geometrical characteristics of the single laser tracks............................................................................................................................... 57 Karlina Y.I., Kononenko R.V., Popov M.A., Deryugin F.F., Byankin V.E. Assessment of welding engineering properties of basic type electrode coatings of diff erent electrode manufacturers for welding of pipe parts and assemblies of heat exchange surfaces of boiler units............................................................................................................................. 71 Yanpolskiy V.V., Ivanova M.V., Nasonova A.A., Yanyushkin A.S. Determination of the rate of electrochemical dissolution of U10A steel under ECM conditions with a stationary cathode-tool............................................................... 95 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E. The study of vibration disturbance mapping in the geometry of the surface formed by turning............................................................................................................................................................................. 107 Gasanov B.G., Konko N.A., Baev S.S. Study of the kinetics of forming of spherical sliding bearing parts made of corrosion-resistant steels by die forging of porous blanks............................................................................................... 127 Gvindjiliya V.E., Fominov E.V., Moiseev D.V., Gamaleeva E.I. Infl uence of dynamic characteristics of the turning process on the workpiece surface roughness........................................................................................................................ 143 Lobanov D.V., Skeeba V.Yu., Golyushov I.S., Smirnov V.M., Zverev E.A. Design simulation of modular abrasive tool........................................................................................................................................................................................ 158 MATERIAL SCIENCE EroshenkoA.Yu., Legostaeva E.V., Glukhov I.A., Uvarkin P.V., TolmachevA.I., Sharkeev Yu.P. Thermal stability of extruded Mg-Y-Nd alloy structure.................................................................................................................................. 174 Bazaleeva K.O., Safarova D.E., Ponkratova Yu.Yu., Lugovoi M.E., Tsvetkova E.V., Alekseev A.V., Zhelezni M.V., Logachev I.A., Baskov F.A. The infl uence of technological parameters of the laser engineered net shaping process on the quality of the formed object from titanium alloy VT23......................................................... 186 Efi movich I.A., Zolotukhin I.S. Oxidation temperatures of WC-Co cemented tungsten carbides....................................... 199 Pribytkov G.A., Baranovskiy A.V., Firsina I.A., Akimov K.O., Krivopalov V.P. Study of Fe-matrix composites with carbide strengthening, formed by sintering of iron titanides and carbon mechanically activated mixtures................ 212 EDITORIALMATERIALS 224 FOUNDERS MATERIALS 235 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 2 2024 212 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Исследование железоматричных композитов с карбидным упрочнением, полученных спеканием механоактивированных смесей титанидов железа с углеродом Геннадий Прибытков a, *, Антон Барановский b, Ирина Фирсина c, Кирилл Акимов d, Владимир Кривопалов e Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия a https://orcid.org/0000-0002-8267-971X, gapribyt@mail.ru; b https://orcid.org/0000-0001-8800-4716, nigalisha@gmail.com; c https://orcid.org/0000-0003-2253-0582, iris1983@yandex.ru; d https://orcid.org/0000-0002-3204-250X, akimov_ko@ispms.ru; e https://orcid.org/0009-0003-3224-1749, krivopalov@ispms.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 2 с. 212–223 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-212-223 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Стали и большинство сплавов на основе никеля, меди, алюминия и других металлов, используемых в промышле нности, имеют низкую износостойкость, в особенности при сухом треИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669.017.164:544.332-971.2 История статьи: Поступила: 04 марта 2024 Рецензирование: 18 марта 2024 Принята к печати: 25 марта 2024 Доступно онлайн: 15 июня 2024 Ключевые слова: Титаниды железа Углерод (сажа) Порошковые смеси Механоактивация Спекание Железоматричные композиты Карбид титана Фазовый состав Финансирование Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 23-29-00106): «In situ синтез металломатричных композитов с субмикронной карбидной упрочняющей фазой». АННОТАЦИЯ 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 α-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). Для цитирования: Исследование железоматричных композитов с карбидным упрочнением, полученных спеканием механоактивированных смесей титанидов железа с углеродом / Г.А. Прибытков, А.В. Барановский, И.А. Фирсина, К.О. Акимов, В.П. Кривопалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 2. – С. 212–223. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-212-223. ______ *Адрес для переписки Прибытков Геннадий Андреевич, д.т.н., главный научный сотрудник, доцент Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, 634055, Томск, Россия Тел.: +7 913 860-04-49, e-mail: gapribyt@mail.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 2 2024 213 MATERIAL SCIENCE нии и в условиях воздействия абразива. Эффективным способом повышения износостойкости, широко используемым на практике, является введение в структуру сплава дисперсных твердых частиц тугоплавких соединений (карбидов, боридов, силицидов). Полученный таким образом материал имеет структуру металломатричного композита с дисперсным упрочнением. Наибольший практический интерес представляют композиты с матрицей из сплавов на основе железа (стали и чугуны), упрочненных частицами карбида титана. Исследованию таких композитов посвящено огромное количество работ [1]. Ввиду невысокой пластичности металломатричных композитов с дисперсным упрочнением их применение в качестве конструкционных материалов ограниченно. Поэтому такие композиты, в том числе композиты со связками на основе железа, применяются преимущественно для деталей, работающих в тяжелых условиях абразивного изнашивания. 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. При литейных способах в расплав вводят титан и углерод, которые при разливке и кристаллизации формируют карбидные включения в объеме стальной или чугунной матрицы. Для легирования расплава титаном и углеродом иногда используют кусковой материал (угольный кокс, чистый титан или лигатуры на основе титана) [2, 3]. Чаще используют прессовки из порошковых смесей титана и углерода, которые помещают в литейную форму и заливают стальным или чугунным расплавом [4, 5]. Карбидная фаза в структуре литых композитов представлена частицами округлой формы с размером от 1–3 до 10–15 мкм в зависимости от концентрации титана и углерода в расплаве и условий разливки (температуры расплава и литейной формы, скорости охлаждения, перемешивания и др.). Описаны попытки получения литых деталей с поверхностным слоем, упрочненным карбидными частицами. Для этого поверхность литейной формы покрывали суспензией из порошковой смеси титана и углерода. При заливке происходила пропитка обмазки расплавом с одновременным синтезом карбида титана [6, 7]. Гораздо чаще по сравнению с литейными используются порошковые технологии получения композитов со стальной матрицей, упрочненной частицами карбида титана. Наиболее простой способ – это свободное спекание прессовок из порошковых смесей карбида титана и сталей, которые часто заменяют механической смесью порошков железа и легирующих элементов [8–10]. Этот способ позволяет получать двухслойные или многослойные спеченные заготовки из прессовок, состоящих из слоев различного состава [11]. При замене порошка карбида титана смесью титана и углерода в процессе спекания происходит синтез карбида (реакционное спекание) [12]. Для получения связок из легированных сталей в смеси для прессования и спекания иногда добавляют порошки ферросплавов [13, 14]. Для уменьшения пористости спеченных прессовок и предотвращения роста карбидного зерна при изотермической выдержке применяют более сложные способы спекания, требующие специализированного оборудования: горячее прессование [15, 16] или искровое плазменное спекание [17, 18]. Наиболее производительным способом получения композитов «карбид титана – железная связка» является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) в реакционных смесях титана, углерода и железа (или его сплавов). Многочисленные исследования продуктов синтеза в этих реакционных смесях посвящены термокинетическим характеристикам синтеза [19] и их влиянию на формирование структуры композита [20, 21]. Исследована дисперсность карбидных частиц, растущих из расплава-раствора в волне горения, их морфология и кристаллографические особенности роста [22, 23]. Исследован синтез как в волновом режиме горения, так и в режиме теплового взрыва [24–26]. Известно, что взаимодействие порошковых компонентов в реакционных смесях при синтезе резко интенсифицируется после механоактивации в высокоэнергетических мельницах [27]. Однако проведенные нами исследования показали, что влияние механоактивации на концентрационные пределы горения и инициируемость реакции синтеза в смесях Ti+C+Fe-сплав (высокохромистый чугун или быстрорежущая сталь) гораздо меньше ожидаемого [28]. Основной причиной, по нашему мнению, является металл связ-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 2 2024 214 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ки, частично блокирующий реакционную поверхность «титан – углерод» и препятствующий реакции синтеза карбида. Устранить это можно заменой в реакционных смесях двух порошков (титана и металла-связки) порошком промежуточного соединения – титанида металла. Эффективность описанного подхода доказана нами на примере порошковых смесей ферротитана ФТи35С5, который на 82 % состоит из интерметаллида (Fe,Al)2Ti, и сажи П-803. Показано, что в механоактивированных порошковых смесях ферротитана и сажи идет реакция как в волновом режиме, так и в режиме теплового взрыва с образованием композита на основе карбида титана с 50 об. % связки из легированного феррита [29, 30]. Реакция синтеза идет в твердофазном режиме при температурах горения 900…950 °С. Благодаря низким температурам горения огрубления структуры не происходит, и карбидные частицы имеют субмикронный размер. Поскольку промышленный ферротитан ФТи35С5 содержит много примесей (кремний, алюминий), то целью настоящей работы было исследовать продукты реакционного взаимодействия в механоактивированных смесях титанидов железа (Fe2Ti и FeTi) с углеродом (сажей) и выяснить возможность синтеза железоматричных композитов, упрочненных субмикронными частицами карбида титана. Материалы и методика исследований В качестве исходных порошковых материалов для синтеза композитов TiC+Fe-связка использовали интерметаллидные порошки, полученные спеканием в вакууме прессовок при температуре 1250 °С с изотермической выдержкой 2 часа из механоактивированных смесей элементарных порошков двух составов: 2Fe+Ti (77,7 вес. % железа + 22,3 вес. % титана) и Fe+Ti (63,6 вес. % железа + 36,4 вес. % титана). Подробная методика получения данных интерметаллидных порошков и ТУ исходных порошков описаны в [31]. Спеканием смеси 2Fe+Ti удалось получить однофазный интерметаллид Fe2Ti, а продукт спекания прессовки из смеси Fe+Ti согласно результатам рентгеноструктурного анализа содержал 82 об. % соединения Fe2Ti и 18 об. % целевой фазы FeTi. Причиной преимущественного образования соединения Fe2Ti является вдвое бóльшая отрицательная величина энтальпии образования соединения Fe2Ti по сравнению с таковой для FeTi: –87,45 и –40,58 ккал/моль соответственно [32]. В интерметаллидные порошки с указанным выше фазовым составом добавляли сажу в количестве, необходимом для того, чтобы связать в карбид титана весь титан, содержащийся в интерметаллидах, а полученные смеси обрабатывали в течение 10 минут в планетарной мельнице Activator 2S при 755 об/мин (40g) с добавлением спирта, чтобы предотвратить налипание порошка на шары и стенки барабанов. Из механоактивированных смесей прессовали цилиндрические заготовки диаметром 20 мм, которые спекали в вакууме при температуре 1200 °С с изотермической выдержкой 60 минут. Структуру и фазовый состав спеченных прессовок исследовали на оборудовании Центра коллективного пользования «Нанотех» ИФПМ СО РАН методами оптической металлографии (AXIOVERT-200MAT, Zeiss, Германия), сканирующей электронной микроскопии (EVO 50, Zeiss, Германия) и рентгеноструктурного анализа (дифрактометр ДРОН8Н, «Буревестник», Россия). Дифракционные картины регистрировались с использованием высокоскоростного детектора Mythen 2R1D в диапазоне углов 2Ɵ = 35°…125° с шагом 0,1° и временем экспозиции 1 с в СuКα-излучении. Идентификацию фаз по результатам рентгеноструктурного анализа проводили с применением базы рентгеновских данных ASTM, а обработку первичных результатов – с использованием программ MAUD и «Качественный и количественный фазовый анализ по базе COD» (АО ИЦ «Буревестник», г. Санкт-Петербург). Результаты и их обсуждение Спеченные материалы Согласно результатам рентгеноструктурного анализа (рис. 1, табл. 1) продукты спекания прессовок обоих составов содержат целевые фазы: карбид титана, α-железо и следовое количество других фаз. Таким образом, практически весь титан, содержащийся в титанидах железа, прореагировал с углеродом с образованием карбида и восстановленного железа. Относительное содержание карбида титана и железа в продуктах спекания, как и следовало ожидать, зависит от элементного соотношения
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 2 2024 215 MATERIAL SCIENCE в реакционных смесях, которое осталось неизменным в процессе синтеза. Параметр решетки карбида титана оказался немного меньше, чем справочные значения [33] для карбида эквиатомного состава (0,4327 нм), что является признаком смещения его состава от эквиатомного в сторону титана. Согласно равновесной диаграмме «титан – углерод» [34], карбид титана имеет широкую область гомогенности, простирающуюся от TiC0,5 до TiC, а параметр кубической решетки уменьшается при удалении элементного состава карбида от эквиатомного [35, 36]. Параметр решетки α-железа оказался близок к справочному значению (0,2866 нм). Микроструктура спеченных материалов приведена на рис. 2. При свободном спекании не удается получить плотный материал, и в плоскости Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Относительное содержание фаз продуктов спекания прессовок из механоактивированных смесей Phase composition (vol. %) of products of sintered compacts from mechanically activated Fe2Ti+C and FeTi+C mixtures № Состав смеси / Mixture composition Содержание фаз, об. % / Volume content of phases, % Параметры решетки, нм / Lattice parameters, nm TiC α-Fe Прочие / Others TiC α-Fe 1 Fe2Ti+С 45 54 1,0 (Ti) 0,43173 0,28676 2 FeTi+С 57,3 40,3 0,8 (γ-Fe), 1,6 (FeTi) 0,43204 0,28696 шлифа при оптическом увеличении (рис. 2, а, б) видны области размером от нескольких микрон до десятков микрон, разделенные заполненными смолой порами. На электронномикроскопических изображениях (рис. 2, в, г) в обратно рассеянных электронах железная связка и карбид титана хорошо различимы благодаря тоновому контрасту: тяжелое железо выглядит светлее, чем карбид, состоящий из более легких элементов. В табл. 1 мы обозначили под № 1 композит Fe2Ti+С и под № 2 – композит FeTi+С. В структуре композита состава № 1, имеющего большую объемную долю связки, карбидные включения микронного и субмикронного размера располагаются преимущественно в объеме связки (рис. 2, а, в). Из-за малого размера точно определить их элементный состав затрудни- а б Рис. 1. Рентгенограммы прессовок, спеченных (1200 °С, 60 мин) из механоактивированных смесей Fe2Ti+C (а) и FeTi+C (б) Fig. 1. X-ray patterns of sintered compacts (1,200 °C, 60 min) from mechanically activated Fe2Ti+C (а) and FeTi+C (б) mixtures Интенсивность, усл. ед. Интенсивность, усл. ед. 2Θ, град. 2Θ, град.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1