CC BY
17
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.762:539.121.8.04
РО!: 10.25206/1813-8225-2021-176-5-9
В. В. АКИМОВ1 А. М. БАДАМШИН2 С. Н. НЕСОВ2 С. Н. ПОВОРОЗНЮК2 А. А. КРУТЬКО2 Я. А. СИДОРОВА1
1Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет,
г. Омск
2Омский государственный технический университет, г. Омск
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БЕЗВОЛЬФРАМОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ Т1С-Т1Ы1 ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ
С применением экспериментальных методов анализа исследованы морфология, элементный состав и химическое состояние твердых сплавов системы «ТЮ-^№> в исходном состоянии и после различных видов ионно-лучевой обработки. Установлено, что воздействие непрерывного ионного пучка приводит к повышению микротвердости исследуемых сплавов на 10—12 %. При облучении образцов импульсным ионным пучком в результате деструкции поверхностных слоев значение микротвердости снижается на 20 %, вследствие чего данный вид модифицирования не является предпочтительным для сплавов системы «НС-НЫЬ.
Ключевые слова: карбид титана, ионно-лучевая обработка, непрерывный ионный пучок, импульсный ионный пучок, структура, морфология.
Введение. Актуальной задачей современного материаловедения является создание новых композиционных материалов, обладающих повышенным комплексом физико-механических и эксплуатационных характеристик при достаточно низкой их себестоимости. Кроме того, немаловажным фактором считается вопрос эффективного ресурсосбережения. В результате этого к новым материалам, при-
менение которых будет иметь массовый характер, предъявляются требования широкого распространения и простоты получения их компонентов.
В настоящее время в нефтеперерабатывающей отрасли в качестве материалов для изготовления бурового инструмента (шарошечные и лопастные долота) используют твердые сплавы на основе карбида вольфрама и кобальта. Здесь кобальт вы-
о
го >
ступает в роли связующей фазы в твердом сплаве. Данный класс материалов обладает высокой твердостью, износостойкостью и широким диапазоном рабочих температур. Однако дефицит и дороговизна вольфрама и кобальта вызвали большой интерес в области разработки новых твердых сплавов на безвольфрамовой основе.
В настоящее время накоплен значительный экспериментальный и теоретический опыт в области разработки безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС). Проведенные многочисленные исследования [1—7] позволяют сделать вывод о том, что оптимальным аналогом карбида вольфрама (массовая доля которого в твердом сплаве может достигать 98 %) является карбид титана НС. Применяемые в промышленности БВТС на основе карбида титана обладают высокой твердостью и склонностью к релаксации внутренних напряжений, однако значительно уступают вольфрамсодержащим сплавам по эксплуатационным свойствам (износостойкость, предельная рабочая температура), что говорит о необходимости проведения дальнейших исследований с целью повышения их характеристик [8].
Целью работы является исследование влияния ионных пучков различной интенсивности на комплекс физико-механических характеристик сплавов системы «Т1С-Т1№» и изменение их структурно-фазового состояния. Влияние ионного облучения на свойства БВТС в настоящее время изучено недостаточно и представляет большой научный интерес. В работе исследовалось влияние непрерывного пучка ионов аргона (Аг+) и циркония (2г+) с энергией 20 кэВ и флюенсом 1017 ион/см2, и мощного протон-углеродного пучка наносекундной длительности.
Методика проведения исследований. В данной работе проводились исследования повышения физико-химических свойств БВТС на основе карбида титана (Т1С) со связующей интерметаллидной фазой никелид титана (Т1№) методом ионно-плазмен-ной обработки. Сплавы данной системы за счет уникальных релаксационных свойств связующей фазы обладают высокими демпфирующими способностями и вязкостью, в результате чего они могут быть использованы для изготовления инструмента, работающего в условиях динамических и знакопеременных нагрузок (шарошечные и лопастные долота для нефтеперерабатывающих буровых установок). На основании большого количества исследований влияния ионной имплантации на свойства воль-фрамсодержащих твердых сплавов [9, 10] известно, что воздействие непрерывными газометаллическими ионными пучками в диапазоне энергий 20 — 30 кэВ и дозой облучения порядка 1017 ион/см2, за счет структурно-фазовых изменений в приповерхностном слое облучаемого материала, приводит к значительному (до 2 — 3 раз) увеличению износостойкости как в условиях внешнего трения, так и при резании металлов.
Воздействие импульсных ионных пучков нано-секундной длительности с плотностью тока порядка 100—150 А/см2 оказывает значительно большее влияние на изменение структуры и свойств твердых сплавов за счет введения большого количества энергии за короткие промежутки времени (~10-8с).
При облучении импульсными ионными пучками наблюдается заметное повышение плотности дислокаций внутри карбидных зерен и упрочнение межфазных границ, что повышает сопротивляемость адгезионно-усталостному изнашиванию. Тем не менее воздействие импульсного ионного пуч-
ка может приводить к образованию микротрещин в сплаве и является предпочтительным для материалов с большим количеством связующей фазы. Влияние ионного облучения на свойства БВТС в настоящее время изучено еще недостаточно и представляет значительный научный интерес.
Используемые материалы и методы исследования. Объектом исследования являлись БВТС системы «TiC-TiNi» с содержанием связующей фазы от 30 до 70 об. %. Исходным компонентом для изготовления образцов твердых сплавов являлась смесь спрессованных порошков карбида и никелида титана с добавлением 6 % раствора каучука в чистом бензине. Размер частиц карбида титана находился в диапазоне от 1 до 5 мкм, никелида титана — от 5 до 50 мкм. Для получения образцов проводилось одностороннее холодное прессование при давлении 150 ±10 МПа. Вакуумное спекание проводилось в печи СШВ 1,25/25 при остаточном давлении не выше 5-10-5 Торр и температуре 1350±1 °C.
Ионная имплантация образцов БВТС ионами аргона и циркония проводилась с использованием установки для ионной имплантации (ОНЦ СО РАН, г. Омск) при давлении остаточного газа 10-4 Торр. Значение энергии ионов составляло 20 кэВ при дозе облучения 1017 ион/см2.
Облучение импульсным ионным пучком проводилось на ускорителе «Темп» (Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского) протон-углеродным пучком (30 % Н+ и 70 % С+) с энергией частиц E « 250 кэВ. Длительность импульса облучения т составляла 60 нс, плотность тока пучка 150 А/см2.
Анализ структурно-фазовых изменений БВТС проводился с использованием метода сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на электронном микроскопе JEOL JSM 6610 LV в Омском региональном центре коллективного пользования ОНЦ СО РАН (ОмЦКП СО РАН, г. Омск). Исследование влияния облучения на изменение химического состава поверхностных слоёв БВТС проводилось с использованием метода энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) на приставке INCA-350 Oxford Instruments. Диаметр зондирующего пучка электронов при исследовании методом EDX составлял -1,5 мкм, а глубина анализа до -2 — 3 мкм.
Микротвердость образцов определялась с использованием микротвердомера Shumadzu HMV-2 с нагрузкой на индентор 0,2 HV.
Результаты исследования и обсуждения. На рис. 1 представлены SEM изображения поверхности образцов твердого сплава состава 50 % TiC — 50 % TiNi в исходном состоянии (рис. 1а) и после различных видов ионно-лучевой обработки. Видно, что облучение приводит к значительным изменениям морфологии поверхности. После облучения непрерывным ионным пучком (рис. 1б) микрорельеф поверхности становится более развитым: по границам карбидных зёрен наблюдается наличие разветвленной сети мелких пор, что, по-видимому, является следствием селективного распыления связующей фазы TiNi.
Анализ SEM изображения поверхности образца (рис. 1в), облученного импульсным пучком, свидетельствует о значительном оплавлении поверхностного слоя с образованием большого количества дефектных областей с наличием микротрещин, проходящих преимущественно по границам зерен, а также частичным отслаиванием поверхностного слоя.
Таблица 1 Состав образцов, по данным ЕЭХ
Е1ее1геп 1таде 1 (б)
«гресогит 5. ^: -«о ■
..■¡г- --..■ - ■•-■
ЗресЬгит 1
- - * т ... . <■ •¿г '
.....
*
г,. шиш
IV У№13тт 5540
| Ш ■ ШЙгЖШр?
^ЭреИгип! 3;«Г Д ' ■' **
' • «ьГЗресйгит ».
... , -• - е. • -Уч. •. -л»*'' V '
.' . $ .., " .
П л.
х1,000 Ю^т ~
№ точки Концентрация, ат. %
[С] [О] [Т1] [N1] [гг]
Исходный
1 31,96 26,81 40,25 0,98 -
2 25,32 33,30 35,39 5,98 -
3 28,58 14,84 16,96 39,62 -
4 25,65 13,67 22,84 37,85 -
5 26,02 34,45 38,02 1,50 -
Облучение непрерывным ионным пучком
1 45,12 2,71 51,55 0,61 0,01
2 36,65 19,04 43,17 1,10 0,04
3 45,06 4,08 50,00 0,34 0,53
4 14,02 34,15 16,47 35,28 0,07
5 21,77 28,61 13,62 35,97 0,03
Облучение мощным ионным пучком
1 16,76 15,15 56,56 10,98 -
2 30,43 - 68,19 1,38 -
3 27,32 - 66,71 5,36 -
4 33,28 - 65,59 1,13 -
5 17,21 12,34 62,13 8,32 -
(в)
Рис. 1. Структура БВТС 50 % Т1С-50 % Т1№ в исходном (а), после облучения непрерывным ионным (б) и импульсным ионным пучком (в) состояниях
Образование микротрещин, предположительно, связано с возникновением значительных внутренних напряжений, вызванных неравномерным термическим расширением связующей и карбидной фаз, в условиях быстрого нагрева и охлаждения в процессе облучения (порядка 107 К/с) [11, 8]. При этом характерный размер карбидных зёрен при различных видах ионно-лучевой обработки практически
не изменяется по сравнению с исходным образцом и составляет 1—5 мкм.
В табл. 1 представлены данные количественного ББХ анализа исследуемых образцов. Как видно из значений данных таблицы, концентрации химических элементов в различных точках поверхности БВТС существенно различаются, что обусловлено, по-видимому, гетерогенностью состава твердого сплава. Во всех образцах наблюдается наличие титана, никеля, углерода и кислорода. В образце, облученном непрерывным ионным пучком, также присутствует небольшое количество циркония, что, очевидно, связано с его частичным внедрением в поверхностные слои материала при облучении.
Для элементного анализа на поверхности образцов выбирались точки, соответствующие как карбидным зёрнам (точки с низким содержанием никеля), так и связующей фазе (точки с высоким содержанием никеля).
Результаты количественного элементного анализа показывают, что для исходного образца в точках, отвечающих карбидным зернам (точки № 1, 2, 5), средняя концентрация кислорода составляет - 31,5 ат. %. Для образца, облученного непрерывным ионным пучком, концентрация кислорода в карбидных зернах (точки № 1, 2, 3) снижается более чем в 3 раза и составляет - 8,6 ат. %. При
Микротвердость образцов
Таблица 2
Состав сплава Микротвердость исходных образцов HV, ед.
Hft H^3 H^4 H^5 H* H^7 H^8 H^9 Ha Гер
50TiC — 49,5 TiNi — 0,5 B 1237 1321 1278 1321 1464 1306 1296 1328 1281 1314
50 TiC - 49 TiNi — 1 B 1421 1037 1321 1382 1102 1160 1285 1352 1371 1270
50 TiC-48 TiNi-2 B 1126 1413 1172 1090 1237 1382 1136 1278 1365 1244
50TiC-50TiNi 1027 1278 1351 1351 1031 1037 1121 1256 1031 1165
40TiC-60 TiNi 1080 990 859 969 899 705 800 961 908 908
Состав сплава Микротвердость после непрерывного ионного пучка HV, ед.
H^3 H^4 H^5 H^8 H^9 Ha
50TiC — 49,5 TiNi — 0,5 B 1518 1414 1351 1653 1392 1398 1421 1516 1653 1479
50 TiC — 49 TiNi—1 B 1396 1141 1426 1498 1221 1351 1363 1489 1367 1361
50 TiC — 48 TiNi — 2 B 1518 1306 1464 1233 1366 1398 1315 1472 1451 1391
50TiC — 50TiNi 1351 1336 1482 1366 1451 1414 1385 1351 1296 1381
40TiC — 60 TiNi 1113 1046 899 969 988 924 954 1025 1073 988
Состав сплава Микротвердость после импульсного ионного пучка HV, ед.
Hft H^3 H^4 H^5 H* H^7 H^8 H^9 Ha Гер
50TiC — 50TiNi 951 1015 984 879 1056 937 951 897 1121 977
этом для образца, облученного импульсным ионным пучком, концентрация кислорода в точках, отвечающих карбидным зернам, снижается ниже предела чувствительности метода ББХ.
Для исходного образца средняя концентрация кислорода в точках, отвечающих связующей фазе (точки № 3, 4), составляет - 14,3 ат. %, тогда как для образца, облученного непрерывным ионным пучком (точки № 4, 5), данное значение возрастает до - 31,4 ат. %, что может указывать на частичное окисление связки твердого сплава.
У образца, подвергнутого облучению импульсным ионным пучком, наблюдается значительное повышение концентрации титана в поверхностном слое связующей фазы. Среднее отношение титана к никелю исходного образца составляет — 0,51, а у образца, подвергнутого облучению непрерывным ионным пучком, — 0,4. После воздействия импульсного ионного пучка данное отношение составляет 6,2, что является следствием эффекта сегрегации титана на свободной поверхности, вызванного высокотемпературным нагревом при облучении [12].
В табл. 2 приведены данные значений микротвердости образцов с различным соотношением карбидной и связующей фазы в исходном состоянии и после облучения непрерывным ионным пучком. Воздействие импульсного ионного пучка исследовалось на образце 50 % об НС — 50 % об Т1№. Как видно из данных таблицы, облучение непрерывным ионным пучком приводит к увеличению микротвердости БВТС - 10—12 %. Основной причиной увеличения микротвердости является повышение дефектности кристаллической решетки кар-
бидной фазы в результате образования структуры с высокой плотностью дислокаций, что, в свою очередь, приводит к деформационному упрочнению карбидных зёрен. При воздействии импульсного ионного пучка среднее значение микротвердости снижается на 15 %, что является следствием частичной деструкции и локального отслаивания поверхностного слоя БВТС с образованием термических микротрещин [13, 14].
Заключение и выводы. Методами SEM и EDX проведено исследование структурно-фазового и химического состояния образцов БВТС 50 % об TiC — 50 % об TiNi после различных видов ион-но-лучевой обработки. Экспериментально установлено, что облучение БВТС системы «TiC —TiNi» непрерывным ионным пучком аргона (Ar+) и циркония (Zr+) с энергией 20 кэВ и флюенсом порядка 1017 ион/см2 приводит к частичному окислению связующей фазы на поверхности образца, что повышает коррозионную стойкость.
Воздействие импульсного протон-углеродного пучка (30 % Н+ и 70 % С+) с энергией частиц E « 250 кэВ вызывает частичное разрушение поверхностного слоя БВТС: образуются термические микротрещины и локальные надрывы на связующей фазе, что в значительной степени снижает коррозионную стойкость.
После облучения непрерывным ионным пучком наблюдается повышение микротвердости исследуемых образцов на 10—12 %, в результате чего данный метод модифицирования является перспективным способом повышения твердости и износостойкости инструментов из безвольфрамовых твердых сплавов, работающих в условиях абразивного износа
и динамических нагрузок (шарошечные и лопастные долота для нефтедобывающих буровых установок).
Благодарности
Авторы выражают благодарность кандидату физико-математических наук Ковивчаку В. С. за проведение облучения образцов безвольфрамовых твердых сплавов импульсным ионным пучком наносекундной длительности.
Авторы благодарят руководство ОмЦКП СО РАН за предоставление оборудования для исследования образцов методами SEM и EDX.
Библиографический список
1. Бурков П. В. Рентгенографические исследования структурных изменений твердых сплавов TIC-NITI на разных стадиях технологического процесса // Известия Томского политехнического университета. 2004. Т. 307. Р. 113 — 118.
2. Акимов В. В. Механизм жидкофазного спекания твердых композитов TiC-TiNi // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2006. № 6. С. 33 — 35.
3. Акимов В. В. Исследование микротвердости безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбида титана // Вестник ИГТУ. 2005. № 3 (23). С. 121-124.
4. Сенкевич К. С. Перспективы получения и применения гибридных конструкций и композитов из титановых сплавов и нитинола // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017. № 4. С. 71-78. DOI: 10.17073/1997-308X-2017-4-71-78.
5. Кулешов А. К., Якушевич А. С., Углов В. В. Микроструктура, теплоперенос и плавление слоев твердого сплава, содержащего карбида титана и вольфрама, в условиях мощной импульсной обработки // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. № 1. С. 55-63.
6. Русинов П. О., Бледнова Ж. Н. Структурные и технологические закономерности формирования поверхностных слоев из материала с эффектом памяти формы высокоскоростным газоплазменным напылением // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2014. № 6. С. 322-329.
7. Хейфец М. Л., Колмаков А. Г., Клименко С. А. Физико-химический, структурный анализ строения материалов от химической неупорядоченности к неравновесной термодинамике // Механика машин, механизмов и материалов. 2017. № 2 (39). С. 65-72.
8. Панов В. С. Зайцев А. А. Твердые сплавы WC-Co, легированные карбидом тантала. Обзор // Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2015. № 2. С. 44-48. DOI: 10.17073/1997-308X-2015-2-44-48.
9. Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля / пер. с англ. под ред. С. Л. Баженова с доп. О. В. Егоровой. Москва: Техносфера, 2004. 384 с. ISBN 5-94836-018-0.
10. Андриевский Р. А. Нанокомпозиты на основе тугоплавких соединений: состояние разработок и перспективы // Материаловедение. 2006. № 4. С. 20-24.
11. Клубович В. В., Рубанник В. В. Мартенситные превращения в никелиде титана ионно-плазменного напыления TiN покрытия // Материалы, технологии, инструменты. 2019. Т. 18, № 2. С. 47-51.
12. Uglov V., Kuleshov A., Soldatenko E. A. [et al.]. Structure, phase composition and mechanical properties of hard alloy treated by intense pulsed electron beams // Surface and Coatings Technology. 2012. Vol. 206. P. 2972-2976.
13. Poletika T. M., Girsova S. L., Lotkov A. I. [et al.]. Substructural-Phase Transformations during Heat Treatments
of the Ti —50.9 at % Ni Nanocrystalline Alloy // Technical Physics Letters. 2012. Vol. 44 (12). P. 1120-1123. DOI: 10.1134/ S1063785018120520.
14. Kovivchak V. S., Panova T. K., Michailov K. A. Formation of regular structures on the surface of metals under the effect of a high-power ion beam of nanosecond duration // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2013. DOI: 10.3103/S1067821213060138.
АКИМОВ Валерий Викторович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Автомобили, конструкционные материалы и технологии» Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета (СибАДИ), г. Омск. SPIN-код: 8808-0899 AuthorlD (РИНЦ): 517777 AuthorlD (SCOPUS): 55665004500 ResearcherlD: 0-5124-2015 Адрес для переписки: splavtini@mail.ru БАДАМШИН Артем Маратович, инженер кафедры «Материаловедение и машиностроение», секция «Материаловедение и технология конструкционных материалов» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). SPIN-код: 3531-5945 ORCID: 0000-0002-6695-4945
Адрес для переписки: Artembadamschin@mail.ru НЕСОВ Сергей Николаевич, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры «Физика» ОмГТУ. SPIN-код: 7611-7730 AuthorID (SCOPUS): 35068425200 ResearcherlD: J-3407-2013 Адрес для переписки: nesov55@mail.ru ПОВОРОЗНЮК Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Материаловедение и машиностроение», секция «Материаловедение и технология конструкционных материалов» ОмГТУ. SPIN-код: 2805-9830 AuthorlD (РИНЦ): 33013 AuthorID (SCOPUS): 57192694672 Адрес для переписки: povorozn@mail.ru КРУТЬКО Андрей Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Материаловедение и машиностроение», секция «Материаловедение и технология конструкционных материалов» ОмГТУ. SPIN-код: 6202-2690 ORCID: 0000-0002-7121-5004 AuthorID (SCOPUS): 57211277289 Адрес для переписки: andrey_904@mail.ru СИДОРОВА Яна Александровна, инженер кафедры «Автомобили, конструкционные материалы и технологии» СибАДИ, г. Омск. Адрес для переписки: sidorova_ya@inbox.ru
Для цитирования
Акимов В. В., Бадамшин А. М., Несов С. Н., Повороз-нюк С. Н., Крутько А. А., Сидорова Я. А. Изменение структурно-фазового состояния и физико-химических свойств безвольфрамовых твердых сплавов TiC-TiNi после различных видов ионно-лучевой обработки // Омский научный вестник. 2021. № 2 (176). С. 5-9. DOI: 10.25206/1813-8225-2021-176-5-9.
Статья поступила в редакцию 24.02.2021 г. © В. В. Акимов, А. М. Бадамшин, С. Н. Несов, С. Н. Поворознюк, А. А. Крутько, Я. А. Сидорова
о
го >
