CC BY
75
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
УДК 620.168:532.696[621.92]
Е. В. СУХОВАЯ1*, Н. А. ЗДОРОВЕЦ
2
1 Каф. «Экспериментальная физика и физика металлов», Днепропетровский национальный университет имени О. Гончара, пр. Гагарина, 72, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (0562) 776 58 86, эл. почта sukhovaya@ukr.net, (ЖСГО 0000-0001-8002-0906
2Каф. «Металлофизика», Днепропетровский национальный университет имени О. Гончара, пр. Гагарина, 72, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (0562) 776 58 86, ОЯСГО 0000-0001-9523-9919
РАЗРАБОТКА СОСТАВА НАПОЛНИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ СПЛАВА РЕ-Б-С ДЛЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ
Цель. Исследования, проведенные в работе, направлены на разработку состава комплексно легированного сплава-наполнителя абразивно-стойких композиционных материалов. Методика. Для достижения поставленной цели использованы методы микроструктурного, рентгеноструктурного и микрорентгеноспек-трального анализов. Определены микродюрометрические характеристики структурных составляющих и абразивная износостойкость композиционных материалов. Результаты. Установлена полная растворимость хрома и ванадия в боридах железа Ре2В и БеВ, являющихся исходными структурными составляющими перитектических сплавов Бе-В-С. Эти элементы преимущественно растворяются в монобориде железа. Растворимость молибдена или ниобия ничтожна мала. Они образуют в структуре сплавов самостоятельные фазы Мо2В, Мо2(В, С) или №В2. Легирование хромом и ванадием увеличивает прочность на сжатие и коэффициент трещиностойкости фаз, а молибденом или ниобием - общую микротвердость и твердость сплавов. При использовании сплава-наполнителя Бе-В-С, комплексно легированного вышеперечисленными элементами, в составе композиционных материалов со связкой МНМц 20-20 структурообразование границ раздела между наполнителем и расплавленной связкой определяется протеканием процессов растворения и диффузии. Фазовый и структурный состав зон контактного взаимодействия объясняется перекристаллизацией поверхностных слоев наполнителя после растворения, вызванного контактом с расплавленной связкой. В результате формируется бездефектная макрогетерогенная структура композиционных материалов и обеспечивается надежная адгезия наполнителя и связки. Интенсивностью процессов контактного взаимодействия можно управлять путем выбора температурно-временных режимов пропитки. Научная новизна. Исследованы закономерности формирования структуры и свойств твердых растворов на основе боридов Бе2В и БеВ, образующихся в структуре перитектических сплавов Бе-В-С, что позволило рекомендовать состав комплексно легированного сплава для использования в качестве наполнителя макрогетерогенных композиционных материалов с мельхиоровой матрицей. Практическая значимость. За счет комплексного легирования перитектического сплава-наполнителя Бе-В-С хромом, ванадием, молибденом и ниобием достигается абразивная износостойкость композиционных покрытий, сравнимая с износостойкостью вольфрамсодержа-щих покрытий, что позволяет обеспечить экономию дорогостоящих и дефицитных материалов.
Ключевые слова: перитектические сплавы Бе-В-С; легирование; механические свойства; композиционный материал; сплав-наполнитель
В технике все большее распространение получают композиционные покрытия, состоящие из разнородных компонентов [1, 12, 14]. Один из них пластичен (связка), а другой обладает повышенной прочностью и твердостью (наполнитель). Композитам могут быть приданы наперед заданные свойства, которых не имеют отдельные составляющие. В металлургической и нефтяной, горнодобывающей и угольной промышленностях - везде, где детали работают в условиях интенсивного абразивного износа,
Введение
эффективна наплавка макрогетерогенных композиционных материалов, упрочненных частицами наполнителя размерами 0,2... 1,5 мм [2, 4, 5, 7]. В настоящее время созданы и нашли применение материалы на основе карбидов вольфрама ^С + W2C) со связкой марганцевый мельхиор МНМц 20-20 [3, 4, 8]. Однако высокая стоимость и дефицитность вольфрама вызывает необходимость его экономии.
Перитектические сплавы железа с бором и углеродом отличаются тугоплавкостью, кри-поустойчивостью, жаростойкостью, твердостью
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
и износостойкостью [9, 14]. Поэтому их применение перспективно в качестве наполнителей безвольфрамовых композиционных материалов [6]. В литературе имеются весьма ограниченные данные о влиянии отдельных легирующих элементов и их комплексов на фазовые превращения, структуру и свойства перитектиче-ских сплавов Ре-Б-С [10, 11]. Отсутствуют также сведения о возможности их использования в составе абразивно-стойких композиционных покрытий.
Цель
Целью работы являлась разработка состава комплексно легированного сплава-наполнителя для абразивно-стойких композиционных материалов.
Методика
С учетом результатов определения физико-химических и механических свойств сплавов Ре-В-С [14] основой для разработки состава наполнителей композиционных материалов были выбраны сплавы, содержащие (по массе) 9,0... 12,1 % В, 0,01...0,5 % С, 0...5,0 % одного из следующих легирующих элементов: Сг, V, Мо, Ре - ост. Образцы сплавов изготавливали из предварительно тщательно перемешанных и спрессованных порошков шихтовых материалов путем их сплавления в алундовых тиглях в печи Таммана. Скорость охлаждения сплавов составляла 10.20 К/с. Состав выплавленных образцов контролировали методами спектрального и химического анализов.
Для получения композиционных покрытий сплав-наполнитель предварительно дробили на частицы размерами 0,2. 1,5 мм. Пропитку частиц наполнителя выполняли печным способом при температуре 1 273 К в течение 30 минут. В качестве сплава-связки использовали марганцевый мельхиор МНМц 20-20.
Структуру образцов изучали методами количественного металлографического анализа на установке «Ер1диапЪ>, рентгеноструктурного анализа на аппарате ДРОН УМ-1 и рентгенос-пектрального микроанализа на установке МС-46. Испытания на абразивную износостойкость выполняли на установке НК-М при комнатной температуре. Оценку осуществляли по уменьшению массы образцов с точностью 0,0002 г.
Результаты
Исследованные тройные сплавы Ре-В-С имеют двухфазную структуру (рис. 1). На фоне легированного углеродом гемиборида железа Ре2В видны первичные дендриты моноборида Ре(В,С). Гемиборид железа образуется как вследствие протекания перитектической реакции Ж + Ре2(В, С) ^ Ре(В, С), так и непосредственно из жидкости из-за близости состава этой фазы к перитектической точке.
Рис. 1. Сканированная микрограмма сплава Fe-В-С во вторичных электронах (е), х 400
Fig. 1. Scanned micrograms of Fe-B-C alloy in the secondary electrons (е), х 400
Указанный фазовый состав сохраняется при легировании сплавов Fe-В-С хромом. Методом рентгеноспектрального микроанализа установлено, что Cr растворяется в фазах Fe2(B, С) и Fe(B, С), образуя твердые растворы преимущественно на основе моноборида железа (рис. 2, а).
Ванадий, незначительно растворяясь в фазе Fe2(B, С), в основном присутствует в монобо-риде железа (рис. 2, б). Его распределение по сечению кристаллов последнего неоднородно: в центре располагается стержневидная фаза с повышенной концентрацией элемента. Рент-геноструктурные исследования показывают, что эта фаза в центре дендритов Fe(B, С) является высшим боридом железа FeBn (n~2). В нем растворяется значительное количество ванадия. Характер расположения фазы внутри кристаллов моноборида железа, а также вид межфазной границы раздела свидетельствует о протекании в сплавах перитектической реакции Ж + (Fe,V)Bn ^ (Fe, V)(B, С).
Молибден лишь незначительно присутствует в монобориде Fe(B,Q и практически не растворяется в кристаллах гемиборида Fe2(B, С) (рис. 2, в). По границам последних образуется фаза с повышенным содержанием молибдена.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
Причем из записи СКа вытекает, что в одном случае концентрация углерода в молибденовой фазе очень велика, а в другом - ничтожно мала. Рентгеноструктурно установлено одновременное появление в структуре сплавов боридов Мо2В и карбоборидов Мо2(В, С). ггтгт^
б - b
в - c г - d
Рис. 2. Сканированные микрограммы легированных сплавов Fe-В-С (х 400) в излучениях:
а - CrKa; б - VKa; в - MoLa; г - NbLa
Fig. 2. Scanned micrograms of Fe-B-C (х 400) master alloys in emissions:
a - CrKa; b - VKa; c - MoLa; d - NbLa
Растворимость ниобия в структурных составляющих сплавов Fe-В-С практически отсутствует. Этот элемент образует по границам кристаллов Fe2^, С) бориды №В2, а также вызывает измельчение первичных дендритов Fe^, С) (табл. 1).
Процесс кристаллизации легированных сплавов Fe-В-С можно представить следующим образом. Твердые растворы на основе моноборида железа FeВ являются первичными в сплавах, легированных хромом, либо появляются вследствие перитектической реакции Ж + (Fe, У)Вп ^ doi 10.15802/stp2014/33396
(Fe, V)(B, С) в сплавах, легированных ванадием. В ходе последующей перитектической реакции кристаллизуются твердые растворы хрома или ванадия в гемибориде железа Fe2B. В этой схеме кристаллизации преимущественная растворимость легирующих элементов наблюдается в мо-нобориде железа.
Таблица 1
Влияние легирующих элементов на диаметр d0 и расстояние Х0 между дендритными ветвями II порядка для фазы Fe^, С)
Table 1
Alloying elements effect on the diameter d0 and the distance X0 between dendritic branches of the II order for phase Fe (B, C)
Элемент de d0/^0
исх. 30,0±0,6 33,3±0,7 0,90
Cr 28,4±0,6 31,9±0,6 0,89
V 29,8±0,6 33,1±0,7 0,90
Mo 29,6±0,5 33,6±0,7 0,80
Nb 22,4±0,4 24,3±0,5 0,92
Таблица 2
Микро-механические характеристики фаз в легированных сплавах Fe-В-С
Table 2
Micro-mechanical characteristics of the phases in the Fe-B-C master alloys
Элемент Микротвердость, ГПа Коэффициент трещиностойкости, KLC, МПа-^м
Fe2^, С) Fe(В, С) Fe2(В, С) Fe(В, С)
исх. 15,87± 0,23 18,08± 0,12 2,14± 0,05 2,37± 0,07
Cr 15,02± 0,07 16,52± 0,24 2,52± 0,04 3,32± 0,01
V 15,43± 0,11 17,18± 0,14 2,43± 0,05 3,0± 0,03
Mo 15,75± 0,24 17,93± 0,32 2,34± 0,03 2,53± 0,05
Nb 15,92± 0,42 18,17± 0,06 1,95± 0,08 2,45± 0,04
При достижении расплавами Бе-В-С, легированными молибденом и ниобием, переохла-
а — а
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з^зничного транспорту, 2014, № 6 (54)
ждения, достаточного для зарождения и роста фазы Fe(B, С), в жидкости уже существуют более тугоплавкие кристаллы Мо2В, Мо2(В, С) или NbB2. Они оттесняются вначале растущими дендритами Fe(B, С), а после протекания перитектической реакции Ж + Fe2(B,C) ^ Fe(B,C) и кристаллами Fe2(B,C). В результате по границам зерен обнаруживаются самостоятельные фазы на основе молибдена либо ниобия.
Наибольшие изменения микро-механичес-ких характеристик фаз Fe2(B, С) и Fe(B, С) закономерно наблюдаются в сплавах Fe-В-С, легированных Cr и V (табл. 2). Снижение микротвердости и рост коэффициента трещиностойко-сти твердых растворов происходит в следующей последовательности: Fen(B, C) ^ (Fe, V)n(B, C) ^ (Fe, Cr)n(B, C) (где n = 1; 2). При введении Mo и Nb повышается общая микротвердость сплавов вследствие образования кристаллов самостоятельных фаз этими элементами.
Для обеспечения одновременного повышения микротвердости и пластичности использовали комплексное легирование перитектичес-ких сплавов Fe-В-С 1,0.2,0 % Cr; 0,5.1,0 % V; 1,0.3,0 % Nb; 1,0.3,0 % Mo. Структурный и фазовый состав сплавов остается без изменений (рис. 3).
В дендритах Fe(B, С) растворяются ванадий и, в меньшем количестве, хром. Эти же элементы присутствуют в структуре твердого раствора Fe2^, С). Ниобий и молибден образуют по границам фазы Fe2^, С) самостоятельные фазы, что увеличивает общую микротвердость сплавов до 19,2±0,9 ГПа. Кроме того, растет твердость, прочность на сжатие и коэффициент относительной окалиностойкости (табл. 3).
Процессы межфазного взаимодействия на границах раздела композиционных материалов изучали на образцах, полученных пропиткой частиц наполнителей, изготовленных из комплексно легированного сплава Fe-В-С, марганцевым мельхиором МНМц 20-20. Микроструктура полученных композиционных материалов характеризуется наличием частиц размерами 0,2.1,5 мм неправильной оскольчатой формы, равномерно распределенных в матрице. Площадь, занимаемая наполнителем, составляет 45.55 %. Трещины и единичные поры, образующиеся в наполнителе при механическом дроблении, заполнены мельхиором.
а - а
б - b
в - c
г - d
Рис. 3. Сканированные микрограммы комплексно легированных сплавов Fe-B-С (х 400) в излучениях:
а - CrKa; б - VKa; в - MoLa; г - NbLa
Fig. 3. Scanned micrograms of Fe-B-C (х 400) fully master alloys in emissions:
a - CrKa; b - VKa; с - MoLa; d - NbLa
Таблица 3
Свойства комплексно легированного (К. Л.) сплава Fe-В-С
Table 3
Properties of fully master (F. M.) Fe-В-С alloy
Сплав Твердость, HRA Прочность на сжатие, МПа Коэффициент относительной окалиностойко-
сти, ед.
исх. 82±1 2010±10 1,0
К. Л. 85±2 2120±10 1,37±0,15
На границах раздела между наполнителем и матрицей не выявлены видимые изменения структуры по сравнению с исходной структурой этих составляющих (рис. 4). Однако ре-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
зультаты рентгеноспектрального микроанализа свидетельствует о протекании процессов контактного взаимодействия растворно-диффузи-онного типа. На границах раздела появляется слой толщиной 10.15 мкм, содержащий железо, никель, марганец (см. рис. 4). При удалении от него в обе стороны содержание элементов изменяется. При перемещении зонда в сторону наполнителя происходит резкое увеличение концентрации железа и уменьшение - никеля и марганца. Со стороны матрицы содержание железа и меди повышается до 4,3 % и 66,5 %, а содержание никеля и марганца понижается до 14 % и 15 % соответственно.
б - b
в - c
г - d
Рис. 4. Сканированные микрограммы участка границы раздела композиционного материала между комплексно легированным наполнителем Fe-В-С и мельхиоровой матрицей (х 400) в излучениях:
а - е ; б - CuKa; в - NiKa; г - MnKa
Fig. 4. Scanned micrograms of interface section of master alloy between fully master filler Fe-В-С and nickel silver matrix (х 400) in emission:
а - е ; b - CuKa; c - NiKa; d - MnKa doi 10.15802/stp2014/33396
На основании полученных данных последовательность структурообразования границ раздела между наполнителем и матрицей в композиционных материалах можно представить следующим образом.
Вначале расплавленный мельхиор проникает в промежутки между частицами наполнителя, смачивает их, заполняет поры и трещины. Затем происходит растворение поверхностных слоев частиц наполнителя в расплавленной связке. Это приводит к изменению относительного содержания компонентов на границах раздела по сравнению с остальной связкой. При последующем охлаждении растворимость компонентов снижается, и избыточное их количество выделяется на поверхности не растворившихся частиц наполнителя, являющихся готовыми центрами кристаллизации. В результате со стороны наполнителя образуется слой, содержащий по сравнению с исходным сплавом меньше железа и некоторое количество марганца и никеля. Его появление обусловлено перекристаллизацией поверхностных слоев наполнителя после растворения, вызванного контактом с расплавленной связкой. По обе стороны от перекристаллизованного слоя формируются переходные зоны диффузионного происхождения. Со стороны наполнителя образуется твердый раствор марганца и незначительного количества никеля в боридах железа. Со стороны матрицы кристаллизуется непрерывный ряд твердых растворов компонентов наполнителя и связки в меди. Максимальное содержание Бе (34,8 %) наблюдается вблизи перекристаллизованного слоя, минимальное (4,3 %) - на расстоянии, равноудаленном от частиц наполнителя.
Испытания композиционного материала, упрочненного комплексно легированным сплавом-наполнителем на основе перитектического сплава Бе-В-С, на абразивную износостойкость показали увеличение этой характеристики более чем на 35 % по сравнению с материалом, содержащим нелегированный сплав-наполнитель аналогичного состава. Это позволяет обеспечить повышение сопротивления абразивному износу разработанного композиционного материала до уровня, сравнимого с износостойкостью материала, упрочненного карбидами вольфрама ^С + W2C). После испытаний в поверхностных слоях образцов наблюдается специфический рельеф, возникающий вследст-© Е. В. Суховая, Н. А. Здоровец, 2014
а — а
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&шзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
вие различия в твердости матрицы и частиц наполнителя. Более мягкая матрица разрушается в первую очередь, тогда как износ более твердых частиц наполнителя затруднен. Как следствие, прирост абразивной износостойкости пропорционален твердости и пластичности комплексно легированных сплавов-наполнителей на основе сплава Ре-В-С.
Научная новизна и практическая значимость
Впервые исследованы закономерности формирования структуры и свойств твердых растворов на основе боридов Ре2В и РеВ, образующихся в структуре перитектических сплавов Ре-В-С. Предложен состав комплексно легированного сплава для использования в качестве наполнителя макрогетерогенных композиционных материалов с мельхиоровой матрицей. Достигнуто повышение абразивной износостойкости материалов до уровня, сравнимого с этой характеристикой для вольфрамсодержащих материалов. За счет этого обеспечена экономия дорогостоящего и дефицитного вольфрама при сохранении эксплуатационных характеристик композиционных покрытий, предназначенных для упрочнения и восстановления быстроизнашивающихся деталей металлургического и горнорудного оборудования.
Выводы
1. При легировании двухфазных перитекти-ческих сплавов Ре-В-С, охлажденных со скоростью 10.20 К/с до 5 % Сг или V формируются твердые растворы замещения на основе боридов Ре2В и РеВ. Причем элементы преимущественно растворяются в монобориде железа. Растворимость молибдена или ниобия, введенных в количестве до 5 %, ничтожно мала. Они образуют в структуре сплавов самостоятельные фазы Мо2В, Мо2(В,С) или №В2.
2. Легирование хромом и ванадием увеличивает прочность на сжатие, снижает микротвердость и повышает коэффициент трещиностойко-сти фаз, а молибденом или ниобием обеспечивает рост общей микротвердости и твердости сплавов. Одновременное повышение механических характеристик достигается за счет комплексного легирования перитектического сплава Ре-В-С вышеперечисленными элементами.
3. В структуре композиционных материалов, упрочненных комплексно легированным наполнителем на основе сплава Fe-В-С, на границах раздела между наполнителем и мельхиоровой матрицей образуются зоны контактного взаимодействия растворно-диффузионного типа. На границах раздела отсутствуют дефекты, связанные с неудовлетворительным смачиванием частиц наполнителя расплавленной связкой.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Абузин, Ю. А. Функциональные металлические композиционные материалы и технологии в машиностроении / Ю. А. Абузин // Материалы в машиностроении. - 2010. - № 6. - C. 52-54.
2. Белоусов, В. Я. Долговечность деталей машин с композиционными материалами / В. Я. Белоусов. - Льв1в : Вищ. шк., 1984. - 180 с.
3. Данилов, Л. И. Наплавка деталей засыпных устройств доменных печей композиционным сплавом / Л. И. Данилов, Ф. М. Ровенских // Металлург. - 1979. - № 1. - С. 12-15.
4. Мышко, Ю. Д. Наплавка фильер композиционными сплавами / Ю. Д. Мышко, В. Г. Нечипо-ренко, А. Н. Гладченко // Хим. и нефтяное машиностроение. - 1983. - № 6. - С. 28-30.
5. Стабильность композиционных материалов / И. М. Спиридонова, А. Д. Панасюк, Е. В. Су-ховая, А. П. Уманский. - Днепропетровск : Свидлер, 2011. - 244 с.
6. Суховая, Е. В. Квантовомеханическая модель формирования зон контактного взаимодействия в композиционных материалах со сферическим наполнителем / Е. В. Суховая, Ю. В. Сы-роватко // Вюн. Дшпропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Дшпропет-ровськ, 2011. - Вип. 37. - С. 238-243.
7. Суховая, Е. В. Влияние Р и Мо на формирование границ раздела в композиционных материалах со связкой Fe-В-С / Е. В. Суховая, Ю. В. Сыроватко // В1сн. Дншропетр. нац. унту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Дт-пропетровськ, 2010. - Вип. 34. - С. 219-225.
8. Юзвенко, Ю. А. Сферический релит. Способ получения и свойства / Ю. А. Юзвенко, Е. И. Фрумин, М. А. Пащенко // Порошковая металлургия. - 1975. - № 7. - С. 1-5.
9. Berns, H. Microstructure of Fe-Cr-C hardfacing alloys with additions of Nb, Ti, and B / H. Berns, A. Fischer // Metallography. - 1987. - Vol. 20. -P. 401-429. doi: 10.1016/0026-0800(87)90017-6.
10. Callister, Jr. W. D. Materials Science and Engineering: An Introduction / Jr. W. D. Callister. -
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
New York : John Wiley & Sons Inc., 2003. -867 p. doi: 10.1108/acmm.2000.12847aae.001.
11. Mukhopadhyay, N. K. Alloys Compounds / N. K. Mukhopadhyay, G. V. S. Murthy, B. S. Wea-therly. - Singapore : World Scientific, 2002. - 206 p.
12. Processing and characterization of aluminum-based metal matrix composites produced by gas pressure infiltration / E. Carreno-Morelli, T. Cutard, R. Schaller, C. Bonjour // Materials science and engineering. - 1998. - № A 251. - P. 48-57. doi: 10.1016/S0921-5093(98)00649-2.
O. B. CYXOBA1*, H. O. 3^OPOBE^2
13. Sukhova, O. V. Corrosion-resistant Fe-B-C alloys / O. V. Sukhova, I. M. Spyrydonova // Вюн. ДУ. Фiзика. Радiоелектронiка. - 2011. - Т. 19, № 2.
- С. 62-65.
14. Sukhova, O. V. High performance composites / O. V. Sukhova, I. M. Spyrydonova // Вюн. ДУ. Фiзика. Радюелектрошка. - 2012. - Т. 20, № 2.
- С. 78-81.
1 Каф. «Експериментальна фiзика i фiзика металш», Дшпропетровський нацюнальний унiверситет iменi О. Гончара, пр. Гагарина, 72, Дтпропетровськ, Укра1на, 49010, тел. +38 (0562) 776 58 86, ел. пошта sukhovaya@ukr.net, (ЖСГО 0000-0001-8002-0906
2Каф. «Металофiзика», Дшпропетровський нацюнальний ушверситет iменi О. Гончара, пр. Гагарина, 72, Дтпропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (0562) 776 58 86, ОЯСГО 0000-0001-9523-9919
РОЗРОБКА СКЛАДУ НАПОВНЮВАЧА НА ОСНОВ1 СПЛАВУ РЕ-Б-С ДЛЯ ЗНОСОСТ1ЙКИХ КОМПОЗИЦ1ЙНИХ ПОКРИТТ1В
Мета. Дослвдження, проведенi в роботi, направлен на розробку складу комплексно легованого сплаву-наповнювача абразивно-стiйких композицiйних матерiалiв. Методика. Для досягнення поставлено! мети застосовано методи мжроструктурного, рентгеноструктурного та мжрорентгеноспектрального аналiзiв. Ви-значено мжродюрометричш характеристики структурних складових та абразивну зносостiйкiсть компози-цiйних матерiалiв. Результати. Встановлено повну розчиннiсть хрому та ванадш в боридах залiза Бе2В i БеВ, що е вихщними структурними складовими перитектичних сплавiв Бе-В-С. Цi елементи переважно розчиняються в моноборидi залiза. Розчиннiсть молiбдену або нюбш нехтовно мала. Вони утворюють у структурi сплавiв самостiйнi фази Мо2В, Мо2(В, С) або №В2. Легування хромом i ванадiем збшьшуе мщ-нiсть на стиск i коефiцiент трiщиностiйкостi фаз, а молiбденом або нiобiем - загальну мжротвердють i твер-дiсть сплавiв. У разi застосування сплаву-наповнювача Бе-В-С, комплексно легованого вищевказаними елементами, у складi композицiйних матерiалiв зi зв'язкою МНМц 20-20 механiзм структуроутворення гра-ниць под^ мiж наповнювачем i розплавленою зв'язкою визначае проходження процесiв розчинення та ди-фузil. Фазовий i структурний склад зон контактно! взаемодп пояснюеться перекристалiзацiею поверхневих шарiв наповнювача пiсля розчинення, викликаного контактом iз розплавленою зв'язкою. У результатi спо-стерiгаеться бездефектна макрогетерогенна структура композицшних матерiалiв i забезпечуеться надiйна адгезгя наповнювача й зв'язки. Iнтенсивнiстю процеав контактно! взаемодi! можна управляти шляхом вибо-ру температурно-часових режимiв просочення. Наукова новизна. Дослiджено закономiрностi формування структури та властивостей твердих розчишв на основi боридiв Бе2В i БеВ, якi утворюються у структурi перитектичних сплавiв Бе-В-С, що дозволило рекомендувати склад комплексно легованого сплаву для застосування в якосп наповнювача макрогетерогенних композицшних матерiалiв iз мельхiоровою матрицею. Практична значимкть. За рахунок комплексного легування перитектичного сплаву-наповнювача Бе-В-С хромом, ванадiем, молiбденом i нiобiем можна досягти абразивну зносостшшсть композицiйних покриттiв, порiвняну зi зносостiйкiстю вольфрамвмiстних покриттiв, що дозволяе забезпечити економш дефiцитних матерiалiв тдвищено! вартостi.
Ключовi слова: перитектичнi сплави Бе-В-С; легування; механiчнi властивостi; композицшний матерiал; сплав-наповнювач
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
0. V. SUKHOVA1*, N. O. ZDOROVETS2
1 Dep. «Experimental Physics and Physics of Metals», O. Gonchar Dnipropetrovsk National University, Gagarin Av., 72, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 776 58 86, e-mail sukhovaya@ukr.net, ORCID 0000-0001-8002-0906 2Dep. «Metallophysics», O. Gonchar Dnipropetrovsk National University, Gagarin Av., 72, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (0562) 776 58 86, ORCID 0000-0001-9523-9919
DEVELOPMENT OF (FE-B-C)-BASED FILLER FOR WEAR-RESISTANT COMPOSITE COATINGS
Purpose. Development of multi-alloyed filler for abrasive wear-resistant composites. Methodology. The methods of microstructural, X-ray and energy-dispersive X-ray analyses were used to achieve research purpose. Micro-mechanical properties of structural constituents and abrasive wear-resistance of composites were determined. Findings. The complete dissolution of chromium and vanadium in the borides of Fe2B and FeB that are initial structural constituents of Fe-B-С peritectic alloys has been established. These elements primarily dissolve in iron mono-boride. Dissolution of molybdenum and niobium is not practically observed. As a result the phases of Мо^, Мо^^) or NbB2 can be seen in the structure. Alloying with chromium and vanadium increases compression strength and crack resistance coefficient, but that with molybdenum and niobium enhances total microhardness and hardness of the alloys. Structure formation of the interfaces between the filler and the binder of the composites based on MNMts 20-20 binder is governed by dissolution and diffusion processes when multi-alloyed (Fe-B-С) alloy is applied as filler of the composites. The phase and the structural composition of contact interaction zones can be explained by re-crystallization of the filler surface layers after dissolution caused by contact with the molten binder. Consequently the macroheterogeneous structure of the composites is free of defects and strong adhesion between the filler and the binder is assured. Contact interaction intensity can be controlled by the choice of tempera-ture-and-time infiltration regimes. Originality. The peculiarities in the formation of structure and properties of Fe2B- and FeB-based solid solutions observed in the structure of the Fe-B-С peritectic alloys were investigated that allowed us to recommend composition of multicomponent alloy to be applied as filler of (Cu-Ni-Mn)-matrix macroheterogeneous composites. Practical value. Owing to multiple alloying of the filler based on Fe-B-С peritec-tic alloy with chromium, vanadium, molybdenum and niobium the abrasive wear resistance of composite coatings can be compared with that of tungsten-containing coatings, which ensures saving of expensive and deficient materials.
Keywords: Fe-B-C peritectic alloys; alloying; mechanical properties; composite; filler
REFERENCES
1. Abuzin Yu.A. Funktsionalnyye metallicheskiye kompozitsionnyye materialy i tekhnologii v mashistroyenii [Functional metallic composites and technologies in mechanical engineering]. Materialy v mashistroyenii -Materials in mechanical engineering, 2010, no. 6, pp. 52-54.
2. Belousov V.Ya. Dolgovechnost detaley mashin s kompozitsionnymi materialami [Service life of machine parts with composites]. Lviv, Vyshcha shkola Publ., 1984. 180 p.
3. Danilov L.I., Rovenskikh F.M. Naplavka detaley zasypnykh ustroystv domennykh pechey kompozitsionnym splavom [Facing of charging devices parts of blast furnaces by composite alloy]. Metallurg - Metallurgist, 1979, no. 1, pp. 12-15.
4. Myshko Yu.D. Naplavka filyer kompozitsionnymi splavami [Facing of drawing dies by composite alloys].
Khimicheskoye i neftyanoye mashinostroyeniye - Chemical and oil mechanical engineering, 1983, no. 6, pp. 28-30.
5. Spiridonova I.M., Panasyuk A.D., Sukhovaya Ye.V., Umanskiy A.P. Stabilnost kompozitsionnykh materialov [Composites stability]. Dnipropetrovsk, Svidler Publ., 2011. 244 p.
6. Sukhovaya Ye.V., Syrovatko Yu.V. Kvantovomekhnicheskaya model formirovaniya zon kontaktnogo vzai-modeistviya v kompozitsionnykh materialakh so sfericheskim napolnitelem [Quantum-mechanical model of contact interaction zones formation of composites strengthened with spherical filler]. Visnyk Dnipropetrov-skoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2011, issue 37, pp. 238-243.
7. Sukhovaya Ye.V., Syrovatko Yu.V. Vliyaniye P i Mo na formirovaniye grants razdela v kompozitsionnykh materialakh [Influence of P and Mo on interface formation of (Fe-B-Q-based composites]. Visnyk Dnipropet-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
rovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2010, issue 34, pp. 219-225.
8. Yuzvenko Yu.A., Frumin Ye.I., Pashchenko M.A. Sfericheskiy relit. Sposob polucheniya i svoystva [Spherical relit. Fabrication method and properties]. Poroshkovaya metallurgiya - Powder metallurgy, 1975, no. 7, pp. 1-5.
9. Berns H., Fischer A. Micro structure of Fe-Cr-C hardfacing alloys with additions of Nb, Ti, and B. Metallography, 1987, vol. 20, pp. 401-429. doi: 10.1016/0026-0800(87)90017-6.
10. Callister Jr.W.D. Materials Science and Engineering: An Introduction. New York, John Wiley & Sons, Inc. Publ., 2003. 867 p. doi: 10.1108/acmm.2000.12847aae.001.
11. Mukhopadhyay N.K., Murthy G.V.S., Weatherly B.S. Alloys Compounds. Singapore, World Scientific Publ., 2002. 206 p.
12. Carreno-Morelli E., Cutard T., Schaller R., Bonjour C. Processing and characterization of aluminum-based metal matrix composites produced by gas pressure infiltration. Materials Science and Engineering, 1998, no. А 251, pp. 48-57. doi: 10.1016/S0921-5093(98)00649-2.
13. Sukhova O.V., Spyrydonova I.M. Corrosion-resistant Fe-B-C alloys. VisnykDnipropetrovskoho universytetu. Fizyka. Radioelectronika [Bulletin of Dnipropetrovsk University. Physics. Radio Electronics], 2011, vol. 19, no. 2, pp. 62-65.
14. Sukhova O. V., Spyrydonova I. M. High performance composites. Visnyk Dnipropetrovskoho universytetu. Fizyka. Radioelectronika [Bulletin of Dnipropetrovsk University. Physics. Radio Electronics], 2012, vol. 20, no. 2, pp. 78-81.
Статья рекомендована к публикации д.физ.-мат.н., проф. В. Ф. Башевым (Украина); д.т.н.,
проф. И. А. Вакуленко (Украина); д.т.н., проф. В. О. Заблудовским (Украина)
Поступила в редколлегию: 20.08.2014
Принята к печати: 23.10.2014
