CC BY
28
УДК 621.762:661.655.1
В. В. АКИМОВ Ю. К. КОРЗУНИН
A. А. МИШУРОВ
B. В. ЕВСТИФЕЕВ А. А. АЛЕКСАНДРОВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
ИССЛЕДОВАНИЕ ЖАРОСТОЙКОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Т1С-Т1Ы1_____________________________________
В работе изучены особенности жаростойкости твердых сплавов (50Т!С-50Т1Ы1) об % в условиях высокотемпературного окислительного нагрева от комнатной температуры до 10ОО. 1200* С в печи со скоростью нагрева 5 град/мин. Установлено, что использование интерметаллической цементирующей фазы Т|Ы! позволяет повысить уровень жаростойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости твердых безвольфрамовых сплавов в сравнении со сплавами ВКЗМ.ТЗОК4.КНТ-16ДН-20.
Ключевые слова: жаростойкость, окисление, твердосплавный композиционный материал, изменение массы.
Под жаростойкостью понимают способность металлов и твердых сплавов противостоять химическому взаимодействию поверхности с горячими газами и воздухом. Данная характеристика имеет важное значение для материалов, работающих при повышенных температурах в агрессивных атмосферах. Известно,что в ряде областей машиностроения все шире применяются композиционные материалы на основе неметаллических тугоплавких соединений. Сочетание высоких значений механической прочности, износостойкости, жаростойкости с достаточно низкими плотностью и стабильностью свойств в широком интервале температур позволяет использовать твердые сплавы в ответственных узлах деталей машин, подвергающихся статическому и динамическому нагружению при достаточно высоких температурах. Установлено также, что материалы вольфрамовой и титановольфрамовой групп, обладая высокой стойкостью к ударным нагрузкам и достаточной износостойкостью, имеют низкую коррозиционную стойкость и жаропрочность, последнее ограничивает возможности их применения в атмосферных условиях (IJ.
Перспективным направлением при разработке такого рода материалов может быть частичный или полный отказ от традиционных связующих твердых сплавов-переходных металлов группы железа или растворов на их основе, не обладающих требуемым уровнем жаростойкости, жаропрочности и коррозионной стойкости. Использование в качестве связующей фазы интерметаллических соединений позволяет повысить уровень этих характеристик композита, причем состав тугоплавкого композита, как правило, не изменяется. Поэтому использование твердых композитов на основе карбида титана со связующей фазой TiNi позволяет повысить стойкость изделий при нагревании. Однако применяются безвольфрамовые твердые сплавы еще недостаточно широко, так как их физико-химические свойства, в частности жаростойкость, еще слабо изучены.
Цель работы - оценить термодинамическую стабильность компонентов системы, вероятность обезуглероживания или окисления, возможность появления фаз, влияющих на свойства сплава.
Методика исследования. Для исследования использовали компоненты "ПС-ПМ с объемным содержанием связующей фазы 50 об %. Образцы готовили по используемой нами технологии: размол и смешивание компонентов в среде растворигеля, сушка, замешивание на пластификаторе (6%- ном растворе каучука в бензине), сушка, просеивание, прессование, вакуумное спекание при 1350"С |2|. В качестве исходного материала брали смесь порошков карбида титана (ТУ-48-19-73) и никелидатитана (ТУ-14-127-104-18). Размер исходных частиц карбида титана составлял от 2 до Ю мкм. никелида титана от Ю до 50 мкм. Образцы получали холодным прессованием при давлении не выше 100-200 МПа. Вакуумное спекание проводили в печи СШВ 1.25/25- 1И-1РОО при давлении не выше 7* I О'3 Па и температуре 1350°С. После спекания цилиндрические образцы имели размеры: диаметр 18 мм. высота 20 мм. шероховатость поверхности = 1.25-0.6313).
Оценить жа ростой кость тверды х сила вов на ос ново *ПС со связующей матрицей ’П1М1 можно при нагреве от комнатной температуры до 1000°С, 1200°С, выдержке при этих температурах с последующим охлаждением образцов материалов и сравнением их с жаростойкостью твердых сплавов ВКЗМ. Т30К4, КНТ-16, ТН-20 находящихся при одинаковых условиях.
Нагрев образцов твердых сплавов проводили в печи БГ^ОЬ 7.2/1300 с автоматической выдержкой температуры на шкале дисплея в течение 24.48.72 часов со скоростью нагрева 5 град/мин. Косвенной оценкой жаростойкости может служить стойкость материала к окислению в заданных температурных условиях, определение, по изменению массы образца, отнесенному к единице поверхности. Изменение массы измеряли на весах ВЛР-200 с точностью ± 0,05 мг. Расчет отрицательного изменения массы определяли по формуле:
К • 10* г/мм2
К • 10 4 г/мм2
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Рис. 1. Отрицательное изменение массы образцов твердых сплавов (50Т1С-50Т!М) об % - 1, КНТЮ-2.ВКЗМ-З.ТЗОК4-4 при 1000*С в течение суток
Рис. 2. Отрицательное изменение массы образцов твердых сплавов (50Т1С-50Т1Г'Л) об % - I, ВКЗМ-2.Т30К4-3 при ЮОО'С в течение двух: суток
К • 10 3 г /мм"
К • 10'3 г/мм2
Рис. 3. Отрицательное изменение массы образцов твердых сплавов (50Т1С*50ТИЧ1) об%-1, ВКЗМ-2, Т30К4-3 при Ю00*С в течение трех суток
Рис. 4. Отрицательное изменение массы образцов твердых сплавов при 1200*С в течение 24. 48,72 часов: I. (50Т1С-50Т1М) - 24 ч;
2. (50Т1С-50Т1М| - 48 ч; 3. (50Т1С-50Т1М) - 72 ч; 4. ТН-20 - 24 ч
Кж
где т0 - масса образца до испытания, ш - масса образца после выдержки в газовой среде при температуре , Б - площадь образца, мм2. Общее время испытаний определяли исходя из времени наработки оборудования и технологической оснастки в эксплуатации.
Результаты исследования и их обсужАШие
Были исследованы отрицательные изменения массы образцов в результате их окисления на воздухе в печи при нагревании до {1000,1200)°С и выдержке в течение 24,40,72 часов в сравнении с соответствующими зависимостями композитов ВКЗМ, Т30К4, КНТ-16, ТН-20. На основании экспериментальных данных было установлено, что самым жаростойким материалом при нагреве до 1000°С и выдержке в течение 24 часов является сплав (50Т>С-50Т1ЫП об % (рис. I).
Твердые сплавы марок ВКЗМ нТ30К4 очень сильно окислились и растрескались, что указывает на их низкую жаропрочность. Твердый безвольфрамовый сплав КНТ-16 окислился немного больше .чем сплав ТЮ-’ПМ,
но весь рассыпался на частицы со светло-коричневым оттенком. При нагревании образцов до 1000°С с выдержкой в течение 48 часов установлено, что окисление во всех образцах возрастает, особенно силы ю окислились твердые сплавы ВКЗМ.ТЗОК4 (рис. 2).
Сплав же состава (50ТіС-50ТіІЧі) об % полностью сохранил свою форму с окислительным налетом на поверхности образца в виде светло-серого оттенка. Данные рентгеновского фазового анализа показывают, что слой окалины содержит диоксиды титана (рутил, анатаз), а также небольшое количество монооксида никеля |2]. Эти данные позволяют сделать предположение о двухкомпонентном составе оксидного слоя композита (50ТіС-50ТіМ) об %. Внешний светлый слой представлен оксидом титана ТЮ,, а внутренний темный — МЮ*ТЮг|4|.
Выдержка образцов твердых сплавов (50Т1С-50ТіКі)об%,ВКЗМ,Т30К4 при температуре 1000°С в печи в течение 72 часов показала, ч*го процесс окисления в образцах значительно вырос, в сплаве со связующей фазой ТІМ он все же меньше, чем в сплавах ВКЗМ, Т30К4 (рис. 3).
Харак терной особенностью образцов всех соста-
вой при выдержке в печи трое суток явилось их растрескивание и рассыпание. Причем цвет окисленной поверхности сплавов (50Т1С-50Т1Ы1) об % серый, а у сплавов ВКЗМ и Т30К4 характерный фио-летово-желтый.
Растрескивание образцов и снижение прочности при высоких температурах может быть связано с науглероживанием. Наличие свободного углерода приводит к его горению, что способствует разрушению внешней поверхности материала. Возможно, науглероживание твердых сплавов способствует формированию на границах зерен менее насыщенных по кислороду соединений, способных окисляться при нагреве.Снижение прочности образцов на воздухе при 1000°С можно объяснить окислением межзерен-нойфазы ('П-М'-М-О) и растрескиванием их поверхности особенно в течение длительного времени выдержки.
После окисления при 1000иС в течение 2-3 суток образуются достаточно толстые слои окалины (0.2 — 1,18)мм Плотный внешний слой содержит включения мелких зерен оксидов титана ТЮ2. Внутренняя окалина примерно в 2 - 2,5 раза толще внешней и большую часть ее составляет слой, состоящий из крупных серых зерен рутила. Далее расположен слой оксидов титана серо-желтого цвета и есть подслой, состоящий из фазы'ПМ,, которая формируется преимущественно путем ухода в окалину титана.
При окислении сплавов (50Т|С-50Т1№) об % при темпера туре 1200°С и выдержке (24,48,72) часов образуется окалинатолщиной в (1,8;2,5:3,2) мм. Крометого, как видно из рис. 4, с увеличением времени выдержки окисление во всех образцах твердого сплава (50Т»С -50Т|М) об % возрастает, что характерно и для сплава ТН-20 с временем выдержки 24 часа. Для всех образцов, представленых на рис. 4,5, в процессе окисления характерно их растрескивание и рассыпание.
В процессе окисления твердых сплавов исследование микротвердосги фаз показало, что у "ПС она составляет 19,56 ГПа у цементирующей фазы Т1М-8,02 ГПа, у фазы 'П№1 12,01 ГПа при нагревании до 1200°С и выдержке 24 часа. Средняя твердость образца сплава (50Т1С-50Т1М>) об % по Роквеллу из пяти измерений составила 83,5 НЯА.что на три единицы ниже, чем при комнатной температуре.
Данные послойного фазового анализа свидетельствуют о диффузионном механизме окисления. Преимущественный вклад в этот процесс вносит диффузия кислорода к границе окалина-сплав. Внешняя образующая окалина на твердом сплаве (50Т1С-50'ПМ) - неоднородная. Верхняя часть состоит из двойного оксида ГчЧО'ТЮ2, которая достаточно крупнозернистая и ненапряженная.По мере диффузии кислорода через этот слой формируется внутренняя часть, что сопровождается увеличением объема слоя (№ + ТЮ2) вследствие окисления. Причем верхняя часть окалины начинает испытывать растягивающие напряжения, на границе возникают поры и трещины, что приводит к возрастанию окисления.
Анализ процессов окисления твердых сплавов позволяет сделать заключение, что в направлении от сплава к внешним слоям окалины прослеживается цепь превращений Т|№-Т|№3-(№(Т0-Г'Н-1'>Ю*ТЮ.Г Таким образом, интенсифицируется растрескивание внешней окалины. Кроме того, наличие свободною углерода (С) в твердых сплавах (50Т1С-50Т|Ы|) об % приводит к ею выгоранию и переходу в газовое состояние,что способствует растрескиванию, разрушению поверхности образцов.Разрушение образцов твердых сплавов, изученных в данной работе, проис-
Рис. 5. Вид образцов твердых сплавоп 150Т1С-50Т1М1 об % после нагрева до! 200*С и выдержке при этой температуре 24 часа
ходит в виде общего разрушения поверхности композита. На процесс разрушения поверхности композиционных материалов оказывают также незначительное влияние разные коэффициенты термического расширения фаз Т1С,Т1К|»,Т1Ы13, входящих в состав твердого сплава.
Библиографический список
1. Войтович, Р.Ф. Окисление карбида титана при различном давлении кислорода / Р.Ф.Войтович, Э.И. Головко. Порошковая металлургия. - 1978. - №3,-С. 55-60.
2. Акимов, В. В. Зависимость твердости и теплостойкости твердых сплавов Т1С-Т1№ от температуры нагрева / В. В. Акимов. А. Ф. Мишуров. Ю. К. Корзуннн. — Омский научный вестник. — 2005. — N«2(31). — С. 91-93.
3. Акимов, В. В. Механизм жилкофазного спекания твердосплавных композитов Т|С-Т|Ы1 / В. В. Акимов. — Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2006. - № 6. — С.18-19.
4. Акимов, В.В. Окисление композиционных материалов на основе Т>С со структурно-неустойчивой связкой Т1М> при повышенных температурах / В. В. Акимов, В. В. Горлач. - Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2002. - N9 8. - С. 18-19.
АКИМОВ Валерий Викторович, доктор технических наук, профессор кафедры «Конструкционные материалы и специальные технологии».
КОРЗУНИН Юрий Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Конструкционные материалы и специальные технологии»».
МИШУРОВ Александр Федорович, старший преподаватель кафедры «Конструкционные материалы и специальные технологии ».
ЕВСТИФЕЕВ Владислав Викторович, доктор технических наук, профессор кафедры «Конструкционные материалы и специальные технологии ». АЛЕКСАНДРОВ Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Конструкционные материалы и специальные технологии».
Дата поступления статьи в редакцию: 20.03.2009 г.
© Акимов В.В., Корэуннн Ю.К., Мишуров Л.Ф., Евстнфоев В.В., Александров А.Л.
