CC BY
59
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621.762: 661.65: 669.26 ß ß АКИМОВ
М. В. АКИМОВ А. Ф. МИШУРОВ М. В. ПЛАСТИНИНА
Сибирская автомобильно-дорожная академия
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ БЕЗВОЛЬФРАМОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ТИТАНА_
В работе проведен анализ экспериментальных данных по исследованию микротвердости твердосплавных композиционных материалов различного состава и с различными малыми добавками. Установлено, что изменение состава композиции и введение небольших добавок дисперсных частиц Ti, В, Ni, TiN, Tic при спекании изменяют твердость сплава на основе карбида титана.
В ряде областей машиностроения все шире применяются композиционные материалы на основе неметаллических тугоплавких соединений. Сочетание высоких значений механической прочности, износостойкости, термостойкости с достаточно низкими плотностью и стабильностью свойств в широком интервале температур позволяет использовать композиционные твердые сплавы в ответственных узлах деталей машин, подвергающихся интенсивному статическому и динамическому нагружению при достаточно высоких температурах. При создании таких материалов следует использовать экологически чистые
и современные ресурсосберегающие технологии, которые позволят экономить дорогостоящее и дефицитное сырье, стремиться к повышению качества продукции, что будет способствовать широкому их внедрению в производство из-за снижения энергозатрат и материалоемкости. Композиционные материалы нового класса должны обладать свойствами, уровень которых должен приближаться или превосходить свойстватрадиционных сплавов. Поэтому разработка новых и улучшение качества существующих твердых сплавов является важной задачей. Существующие традиционные пути создания материалов в
основном исчерпали себя, и необходим другой подход к созданию перспективных материалов. Объясняется это тем, что в большинстве случаев применяемые связующие материалы обладают ограниченной релаксационной и демпфирующей способностями, необходимыми для уменьшения напряжений, возникающих при нагружении твердых сплавов с гетерогенной структурой. Поэтому необходим поиск новых материалов со связующими фазами, которые повышают названные свойства пластичности и прочности. Этим требованиям удовлетворяет сплав никелида титана СП№). Существенное повышение пластичности при сохранении уровня прочности достигается переводом матрицы в структурно-устойчивое состояние, причем пути достижения этого состояния могут быть разными. Это можно осуществить путем изменения температуры деформации или за счет состава композиции [ 1 ].
Известно, что самым распространенным методом изучения прочностных свойств материалов является определение микротвердости Нц, который позволяет исследовать локальные области малых размеров зерна, субзерна, прослойки различных фаз путем варьирования нагрузки на индентор [2].
Для определения Нц готовили образцы из карбида титанаТ1С (ТУ-14-127-104-48) методом порошковой металлургии. Размер исходных частиц карбида титана составляет 1-5 мкм, никелида титана от 10 до 25 мкм, Порошки "ПС иТ1№с добавлением ацетона тщательно перемешивали, после их предварительной сушки в вакуумном шкафу, из полученной смеси готовили образцы в виде цилиндров диаметром 18 мм и высотой 8-10 мм холодным односторонним прессованием под давлением 100-200 МПа.
Спекание образцов проводили в высокотемпературной печи СШВ 1,25/25-и 1-1Р00 при давлении 6,65 кПа при быстром нагреве образцов до 1350 С с малой выдержкой (3-10 мин) и последующим быстрым охлаждением спеченных образцов. Таким способом можно достигнуть существенного измельчения структуры с одновременным снижением пористости и получением материала высокой прочности [3]. Плотность спеченного материала определяли гидростатическим взвешиванием. Фазовый состав сплавов контролировали на рентгеновской установке Дрон-3,0 с фильтрованным Си излучением.
Известно, что карбид титана, также как и карбиды переходных материалов, обладает иысокой хрупкостью, характерной для этого класса тугоплавких соединений. При обычных прочностных испытаниях карбид титана при комнатной температуре имеет механизм хрупкого разрушения [4 ]. Однако при относительно низких температурах он может обнаружи-
вать способность к микротекучести, что определяется в процессе микромеханических испытаний вдавливанием. Более высокой пластичностью должны обладать сплавы на основе карбида титана с цементирующей интерметаллической связующей фазой Т1№.
В настоящей работе изучено изменение восстановленной микротвердости Нц сплавов на основе карбида титана с упрочняющей матрицей из никелида титана. Величина Нр. вычисляется по формуле 1.
Н„= 1,854 Р/<12 (1)
где Нм - микротвердость в ГПа; Р - нагрузка на алмазную пирамиду, Н; (3 - диагональ отпечатка пирамиды, мкм.
Испытания микровдавливанием осуществляли в диапазоне нагрузок от 0,2 до 1,0 Н. Коэффициент вариации при подсчете микротвердости на базе 10 отпечатков не превышает 0,06. Шероховатость исследуемой поверхности материала по параметру И, не превышала 0,04-0,02 мкм и достигалась путем многократной переполировки, при использовании ультрафиолетового излучения иммерсионных объективов составляла 0,05-0,07 мкм [5].
С помощью прибора ПМТ-3 измеряли микротвердость карбидных зерен, мест спайки карбидных частиц и связки ГП№ сплава состава (50 Т1С — 10 Т1 — 40 Т1№) об%. Измерения микротвердости шлифов проводили при постоянной нагрузке в 0,5 Н и времени приложения нагрузки в течение 10 с. Данные по измерению микротвердости карбидных зерен, связки Т1Ы1 и мест спайности представлены в табл. 1.
Для карбидных зерен Т1С с увеличением времени выдержки при спекании до 60 минут наблюдается рост микротвердости, а затем её небольшой спад. Как и ожидалось, максимальное значение микротвердости для карбидных зерен, равное 21,93 ГПа, соответствует выдержке 60 мин.
Микротвердость для связки Т1Ы1 имеет тенденцию к росту на всем интервале измерения времени выдержки при спекании. Наибольшая микротвердость связующей фазы Т1ЬИ равна 8,24 ГПа при времени выдержки в 300 мин.
Для мест спайности зерен карбида титана со связкой Т1№ микротвердость имеет максимум 14,75 ГПа. При дальнейшем увеличении времени выдержки спекания микротвердость мест спайности фаз Т1С и уменьшается.
В данной работе изучено изменение микротвердости композиционного материала от содержания связующей фазы Т1№ и влияние малых добавок В, N1,
Таблица I
Изменение микротвердости фаз Т1С, ТШ! и мест спайности (Т)С, Т1!М1) от времени выдержки сплава при спекании
Фазы Время выдержки сплава при 1350' С
1 мин. 10 мин. 30 мин. 60 мин. 300 мин.
Микротвердость фаз, ГПа
Т)С 13,83 15,31 17,25 21,93 20.71
Т1№ 6 6,77 6,86 7,48 8,24
Т1С,Т1№ (места спайности] 12,03 14.75 17,87 12,7 12,91
ГПа
5 об.% В
ГПа
5 10 15 20
об. % TiN
20 30 40 50 60 -♦-TINi -Ш-В
70 об. %TiNi
Рис. 1. Зависимость микротвердости от объемного содержания: 1 - Т1М в твердом сплаве 'ПС-ТСГ'Л,
2 - В в твердом сплаве 50 "ПС об.% - (50-х) об.% - X В об.%.
Ni ■
-TiN
9 об. % Ni
Рис. 2. Зависимость микротвердости Н^, от объемного содержания в твердом сплаве 50 TiC об. % - 50 TINI об. %: 1 - Ni; 2 - TINi.
Экспериментальные значения показали, что с увеличением содержания фазы Т1№ микротвердость сплава монотонно падает (рис. 1). Микротвердость связующей фазы как видно из табл. 1, намного меньше карбида титана. Добавление содержания бора в твердый сплав [5СГПС-(50-В)Т1№В] об% до 0,5 об% существенно повышает микротвердость твердого сплава. Небольшие добавки бора раскисляют, очищают поверхности контактирующих фаз, улучшают их взаимодействие, повышая микротвердость материала. Дальнейшее увеличение содержания бора в композиционном материале приводит к монотонному уменьшению микротвердости (рис. 1). Как показал рентгеноструктурный анализ, с увеличением концентрации бора в сплаве уменьшается содержание связки ТСМ, а содержание фазы диборида Т1В2 увеличивается [6]. Материал становится очень пористым. Это приводит к резкому охрупчиванию твердого композита, о чем можно судить по снижению микротвердости (рис. 1).
Добавки дисперсионного никеля в твердый сплав Т1С-"П№ также изменяют микротвердость материала. Как известно, никель растворяет карбид титана с образованием эвтектики, содержащей 9,3 об % "ПС и плавящейся при температуре 1280° С [7]. Жидкая фаза в виде тонких прослоек растекается между зернами и способствует уплотнению. В результате чего содержание карбида в сплаве уменьшается, что приводит к монотонному уменьшению микротвердости (рис.2).
Введение добавок нитрида титана в твердый сплав приводит к линейному росту микротвердости материала. Известно, что твердость нитрида титана "ПЫ намного выше связующей фазы "П№ [8]. Это также увеличивает микротвердость материала по линейной зависимости (рис. 2).
Таким образом, изменение состава композиционного материала от объемного содержания связующей фазы "П№ и введения небольших добавок дисперс-
ных частиц В, ЬП, "ПЫ, "ПС, П при спекании существенно изменяют микротвердость материала и его фазовый состав, что оказывает влияние на изменение вязкоупругих свойств твердосплавных композиционных материалов в процессе его эксплуатации.
Библиографический список
1. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. - Новосибирск. -Наука, 1990.-С. 187-201.
2. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. -М : Наука, 1976.-230 с.
3. Акимов. В.В., Калачевский Б.А., Пластинина М. В., Кузнецов А.И. Изучение процессов спекания и формирования структур сплавов на основе Т1С с неравновесным состоянием связующей фазы Т1№. //Омский научный вестник.-Вып. 19. -2002. - С.76-78.
4. Трефилов В.И., Мильман Ю.С., Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких металлов, - Киев: Наукова думка, 1975. -315с.
5. Сергеева И.Е. Введение в электронную микроскопию материалов. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 1977. - 144 с.
6. Акимов В.В.. Кульков С.Н., Панин В.Е., Горлач В.В. Влияние добавок бора на фазовый состав сплава Т|С-Т1№ //Порошковая металлургия. - 1985.-№8.-С63-65.
7. КислыйП.С .КуэенковаМ.А. Спеканиетугоплавккхсоединений. - Киев: Наукова думка, 1980. - 268 с.
8. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения: Справ. - М.: Металлургия, 1976.-560 с.
АКИМОВ Валерий Викторович, кандидат технических наук, доцент.
АКИМОВ Марк Валерьевич, соискатель. МИШУРОВ Александр Федорович, старший преподаватель.
ПЛАСТИНИНА Марина Васильевна, кандидат физико-математических наук, доцент.
