CC BY
15
УДК 621.762 DOI: 10.15350/17270529.2020.2.21
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДОВ СИСТЕМЫ Ее^-С
ЕРЕМИНА М. А., ТАРАСОВ В. В., КОРНИЛОВ А. А., ОВЧИННИКОВ В. С.
Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. В работе исследованы плотность, микротвердость и износостойкость (абразивная и в условиях трения по стальному диску без смазочного материала) композитов на основе (Ре,")12С-(Ре,")6С, полученных компактированием механоактивированных порошков "-Бе с последующим отжигом при 900 °С. Полученные композиты обладают высокой износостойкостью, плотностью 10.42-12.50 г/см3, микротвердостью 7.3-9.6 ГПа. Абразивная износостойкость композитов зависит от их пористости, параметры трения по стальному диску определяются соотношением общей доли карбидов к доле металлической связки.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: карбиды вольфрама и железа, композит, механическое сплавление, микротвердость, износостойкость.
ВВЕДЕНИЕ
Карбиды системы Fe-W-C - карбиды типа М6С и М12С (М- W, Fe) - обладают твердостью до 17 ГПа и высокой износостойкостью. Их используют в качестве упрочняющей добавки в быстрорежущих сталях и суперсплавах, в качестве электродных материалов и порошков при лазерной наплавке покрытий и электроискровом легировании. Карбиды (Fe,W)6C и (Fe,W)12C в основном получают переплавкой компонентов с последующим отжигом при температуре свыше 1000 °С. Также данные карбиды можно получать механическим сплавлением порошков Fe, W и графита с последующим отжигом при температуре 700 - 1000 °С [1 - 5]. Механосинтез однофазных карбидов, как правило, является очень сложной задачей из-за неоднородности перемешивания исходных компонентов, присутствия примесей кислорода и материала измельчающих тел и т.д. Как оказалось, механическое сплавление (МС) порошков вольфрама и железа в жидких углеводородах с последующим отжигом при температурах 900 - 1000 °С является оптимальным способом синтеза однородных по химическому составу карбидов системы Fe-W-C. Так, магнитно-импульсным прессованием МС порошков ранее были получены композиты на основе (Fe,W)6C-(Fe,W)12C [6].
Целью работы является исследование влияния фазового состава на свойства (плотность, микротвердость, абразивная износостойкость, стойкость при трении без смазочного материала по стали) композитов на основе карбидов (Fe,W)6C и (Fe,W)12C в связке из вольфрама и/или железа.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ
Условия получения образцов - МС смесей порошков W-(20-30 мас.%) Fe в жидком углеводороде (петролейном эфире) с последующим магнитно-импульсным прессованием при 500 °C и отжигом компактных образцов при 900 °C (1 ч, аргон) - описаны в работе [6]. Соотношение массовых долей W:Fe в образцах соответствует 80:20 (образец А), 74:26 (образец Б), 72:28 (образец В) и 70:30 (образец Г).
Структурно-фазовое состояние композитов исследовано методом рентгеновской дифракции на дифрактометре MiniFlex (Rigaku Corp.) в Co Ka излучении в углах от 20 до 140°. Микроструктура образцов изучена с помощью сканирующей электронной микроскопии (VEGA 3 LMN), а также с помощью оптической микроскопии (МИМ-8М). Плотность компактов определена методом гидростатического взвешивания. Микротвердость по
Виккерсу оценивалась на ПМТ-3 как средняя величина из 10 измерений при нагрузке 0.49 Н в течение 10 с. Методика оценки абразивной износостойкости описана в [7, 8]. В качестве абразива использовались корундовые шкурки на тканевой основе KK19XW с размером зерен 28 - 40 мкм (зернистость М40) и 50 - 63 мкм (зернистость 5 - Н). Испытания износостойкости при трении образца по стальному диску без смазочного материала были выполнены на машине трения SRV III Test System. Испытания проведены при комнатной температуре и влажности, при постоянной нагрузке на образец 10 Н, при скорости скольжения образца 2.2 м/с в течение 10 мин. Материал диска - конструкционная углеродистая сталь.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Дифрактограммы исследованных образцов показаны на рис. 1. Фазовый состав образцов на 82 - 95 мас.% представлен карбидами (Fe,W)12C и (Fe,W)6C, остальное -металлическая связка (см. табл. 1). В составе образца А присутствует вольфрам. Во всех исследованных образцах присутствует a-Fe, причем его доля возрастает от образца А к образцу Г. Вольфрам и железо в образцах служат в качестве связки. Параметры решетки обоих карбидов уменьшаются с ростом доли железа, что обусловлено замещением атомов вольфрама атомами железа в решетке. В целом полученные параметры соответствуют литературным данным: для (Fe,W)12C зафиксированы значения от 10.934 до 10.958 Á, для (Fe,W)6C от 11.06 до 11.087 Á (ASTM 72-1988, 23-1127, 89-7205, 78-1990). Для образца А параметр решетки вольфрама несколько снижен по сравнению с эталонным значением (3.159 Á), для образцов В и Г параметр решетки железа, напротив, несколько выше эталонного (2.866 Á), что обусловлено взаимным растворением железа и вольфрама.
i - (Fe,W)]2C v _ w
Рис. 1. Рентгеновские дифрактограммы композитов
Таблица 1
Фазовый состав композитов
Образец Фазовый состав (мас.%)(±3) Параметр решетки фаз (Á)(±0.001) об.% карбидов/ об.% связки
(Fe,W)i2C (Fe,W)6C W a-Fe (Fe,W)12C (Fe,W)6C W a-Fe
А 35 47 17 1 10.957 11.115 3.150 - ~5
Б 73 22 1 4 10.946 11.051 - 2.864 ~12
В 50 44 6 10.949 11.071 - 2.868 ~8
Г 78 13 9 10.937 11.035 - 2.874 ~6
Плотность полученных образцов снижается с ростом содержания a-Fe, что обусловлено меньшей плотностью последнего (табл. 2). Величины микротвердости также снижаются с ростом доли железа, это объясняется тем, что карбиды вольфрама и вольфрам имеют более высокую твердость, чем железо. По литературным данным микротвердость карбидов Fe-W-C составляет от 12 до 17 ГПа. Пониженные значения микротвердости полученных композитов относительно литературных данных, наиболее вероятно, обусловлены пористостью и присутствием a-Fe. На рис. 2 показана микроструктура образца Г, содержащего наибольшее количество железа. Видно, что в микроструктуре присутствует заметное количество пор. Размер зерен карбидов составляет от 100 - 600 нм.
Таблица 2
Свойства композитов (плотность, микротвердость, потери массы при абразивном изнашивании, коэффициент трения и линейный износ по стали без смазочного материала)
Образец Плотность (г/см3) (±0.05) Микротвердость (ГПа) Абразивный износ (мг) (±0.002) Наибольший износ после 10 мин. трения по стали без смазки (мкм) (±5) Средний коэффициент трения (±0.01)
Размер зерна абразива
28-40 мкм 50-63 мкм
А 12.50 9.6±2.2 0.0172 0.0969 10 0.5
Б 12.39 7.4±2.1 0.0034 0.0338 2 0.3
В 10.70 7.9±2.5 0.0033 0.0171 7 0.7
Г 10.42 7.3±1.1 0.0026 0.0106 4 0.5
В табл. 2 показаны величины потерь масс образцов после испытаний на абразивное изнашивание. Несмотря на то, что плотность и микротвердость образцов снижается с ростом доли железа в ряду образцов А-Г, их абразивная износостойкость увеличивается. Наибольший износ зафиксирован на образце А, содержащем 17 мас.% вольфрама. На рис. 3 показаны оптические изображения поверхности образцов А-Г, из которых видно, что образец А характеризуется более грубой микроструктурой и крупными порами по сравнению с остальными образцами. Это и обусловливает наименьший уровень абразивной износостойкости среди исследованных образцов. Размер пор снижаются от образца А к Г, уровень износостойкости, напротив, возрастает. Повышенная пористость образца ослабляет связь зерен карбида и связки. Присутствие крупных пор, как и большая толщина слоев мягкого связующего металла между карбидными включениями, облегчают проникновение зерен абразива на значительную глубину, что приводит к интенсивному разрушению поверхности образца.
Рис. 2. Микроструктура образца Г. Сканирующая электронная микроскопия
Рис. 3. Микроструктура образцов А-Г. Оптическая микроскопия
В условиях трения образца по стальному диску без смазочного материала для всех полученных образцов коэффициент трения изменяется в пределах от 0.1 до 0.8, величина износа относительно невелика - от 2 до 10 мкм (рис. 4). Наименьшие средний коэффициент трения и износ наблюдаются в случае образца Б с максимальным соотношением общей доли карбидов к доле связки (табл. 1). Для образца А, напротив, доля связки наибольшая и величина износа максимальна среди исследованных образцов. Это обусловлено вкладом адгезионных процессов и окисления, протекающих с участием металлической связки композитов.
15 б)
Г
в
А о
о
Б В с к 5
п—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I
0123456789 10 Время, мин
0123456789 10 Время, мин
Рис. 4. Временные зависимости (а) коэффициента трения и (б) величины линейного износа
в парах "образец-стальной диск"
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе изучены свойства (плотность, микротвердость, абразивная износостойкость, износостойкость при трении по стали без смазочного материала) образцов (Fe,W)6C-(Fe,W)12C в связке из вольфрама и/или железа. Образцы с различным соотношением вольфрама и железа получены магнитно-импульсным прессованием механосплавленных в жидком углеводороде порошков W и Fe (20 - 30 мас.%) с последующим отжигом компактов при 900 °С. Полученные композиты обладают высокой стойкостью в условиях абразивного изнашивания, а также в условиях трения по стальному диску без смазочного материала. Показано, что увеличение доли железа в металлической связке композитов до 9 мас.% позволяет снизить размер микроструктурных составляющих, уменьшить количество крупных пор, что приводит к снижению абразивного изнашивания в 6 - 9 раз. Наилучшие параметры композитов в условиях трения по стальному диску без смазочного материала достигаются при минимальном содержании в них металлической связки, при этом коэффициент трения составляет 0.3, величина линейного износа - 2 мкм.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (№ гос. регистрации НИР АААА-А17-117022250038-7 и АААА-А18-118112390028-2) и при технической поддержке ЦКП УдмФИЦ УрО РАН (грант No. RFMEFI62119X0035).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Matteazzi P., Le Саёг G. Room-temperature mechanosynthesis of carbides by grinding of elemental powders // Journal of the American Ceramic Society, 1991, vol. 74, iss. 6, pp. 1382-1390.
2. Wang G. M., Campbell S. J., Calka A., Kaczmarek W. A. Preparation of tungsten iron carbide by ball milling // In: Proc. ANZIP annual condensed matter physics meeting; Wagga Wagga, NSW (Australia), Monash Univ., Clayton, 1996, p. 154. https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/ Public/30/033/30033747.pdf?r=1 (дата обращения: 15.01.2020).
3. Tsuchida T., Suzuki K., Naganuma H. Low-temperature formation of ternary carbide Fe3M3C (M=Mo, W) assisted by mechanical activation // Solid State Ionics, 2001, vol. 141-142, pp. 623-631.
4. Barona Mercado W., Cuevas J., Castro I. Y., Fajardo M., Pérez Alcázar G. A., Sánchez Sthepa H. Synthesis and characterization of Fe6W6C by mechanical alloying // Hyperfine Interactions, 2007, vol. 175, iss. 1, pp. 49-54.
5. Zhang Z., Chen Y., Zuo L., Zhang Y., Qi Y., Gao K. The effect of volume fraction of WC particles on wear behavior of in-situ WC/Fe composites by spark plasma sintering // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials (IJRMHM), 2017, vol. 69, pp. 196-208.
6. Eryomina M. A., Lomayeva S. F., Lyalina N. V., Syugaev A. V., Paranin S. N., Tarasov V. V. Structure and properties of mechanosynthesized W-Fe-C carbides // Materials Today: Proceedings, 2020, vol. 25, iss. 3, pp. 356-359.
7. Еремина М. А., Ломаева С. Ф., Паранин С. Н., Заяц С. В., Тарасов В. В., Трифонов И. С. Свойства композитов Ti-C-Н-Си, механосинтезированных с использованием органических сред // Письма о материалах. 2017. Т. 7, № 3. С. 323-326.
8. Тарасов В. В., Лоханина С. Ю., Чуркин А. В. Испытание материалов на относительную износостойкость на машине трения SRV-III // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. Т. 76. № 4. С. 57-60.
Wear resistance of composites based on carbides of Fe-W-C system
Eryomina M. A., Tarasov V. V., Kornilov A. A., Ovchinnikov V. S.
Udmurt Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia
SUMMARY. Density, microhardness and wear resistance (abrasive wear resistance and wear resistance under conditions of dry friction with steel disk) of the (Fe,W)i2C-(Fe,W)6C carbides with tungsten and iron binder are studied. The composites were fabricated by compacting of W-(20-30 wt%) Fe powders, mechanically activated in liquid hydrocarbon (petroleum ether), followed by annealing at 900 °C. The structure and phase composition of the composites were investigated by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and optic microscopy methods. The composites produced exhibit high wear resistance, density of 10.42-12.50 g/cc, microhardness of 7.3-9.6 GPa. The
abrasive wear resistance of the composites depends on their porosity, the friction parameters depend on the volume parts ratio of carbides to metallic binder. It is shown that increasing of the iron content in metallic binder up to 9 wt% leads to decreasing of the size of microstructural components and of the number of large pores. This leads to a decrease of abrasive wear values by 6-9 times. The best friction parameters of the composites under conditions of dry sliding with a steel disk are achieved with a minimal content of a binder, in this case the friction coefficient is 0.3, and the wear value is 2 ^m.
KEYWORDS: tungsten-iron carbides, composite, mechanical alloying, microhardness, wear resistance. REFERENCES
1. Matteazzi P., Le Caër G. Room-temperature mechanosynthesis of carbides by grinding of elemental powders. Journal of the American Ceramic Society, 1991, vol. 74, iss. 6, pp. 1382-1390. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1991.tb04116.x
2. Wang G. M., Campbell S. J., Calka A., Kaczmarek W. A. Preparation of tungsten iron carbide by ball milling. In: Proc. ANZIP annual condensed matter physics meeting, Wagga Wagga, NSW (Australia), Monash Univ., Clayton, 1996, p. 154. https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/ Public/30/033/30033747.pdf?r=1 (accessed January 15, 2020).
3. Tsuchida T., Suzuki K., Naganuma H. Low-temperature formation of ternary carbide Fe3M3C (M=Mo, W) assisted by mechanical activation. Solid State Ionics, 2001, vol. 141-142, pp. 623-631. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(01)00788-3
4. Barona Mercado W., Cuevas J., Castro I. Y., Fajardo M., Pérez Alcázar G. A., Sánchez Sthepa H. Synthesis and characterization of Fe6W6C by mechanical alloying. Hyperfine Interactions, 2007, vol. 175, iss. 1, pp. 49-54. https://doi.org/10.1007/s10751-008-9587-y
5. Zhang Z., Chen Y., Zuo L., Zhang Y., Qi Y., Gao K. The effect of volume fraction of WC particles on wear behavior of in-situ WC/Fe composites by spark plasma sintering. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials (IJRMHM), 2017, vol. 69, pp. 196-208. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2017.08.009
6. Eryomina M. A., Lomayeva S. F., Lyalina N. V., Syugaev A. V., Paranin S. N., Tarasov V. V. Structure and properties of mechanosynthesized W-Fe-C carbides. Materials Today: Proceedings, 2020, vol. 25, iss. 3, pp. 356-359. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.12.089
7. Eryomina M. A., Lomayeva S. F., Paranin S. N., Zayatz S. V., Tarasov V. V., Trifonov I. S. Properties of the Ti-C-H-Cu composites obtained by mechanosynthesis using organic media. Letters on Materials, 2017, vol. 7, iss. 3, pp. 323-326. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2017-3-323-326
8. Tarasov V. V., Lokhanina S. Yu., Churkin A. V. Ispytanie materialov na otnositel'nuyu iznosostoykost' na mashine treniya SRV-III [Testing of materials for relative wear resistance on friction machine SRV-III]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov [Industrial Laboratory], 2010, vol. 76(4), pp. 57-60.
Еремина Марина Анатольевна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, УдмФИЦ УрО РАН, +7(3412)212655, mrere@mail.ru
Тарасов Валерий Васильевич, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, УдмФИЦ УрО РАН, +7(3412)202925, tvv@udman.ru
Корнилов Артем Андреевич, аспирант УдмФИЦ УрО РАН, +7(904)3156114, pkbtool@gmail.com Овчинников Виктор Сергеевич, аспирант УдмФИЦ УрО РАН, +7(951)1923392, agrim123@yandex.ru
