CC BY
255
Структура и абразивная износостойкость композитов тугоплавкий карбид - металлическая матрица
Г.А. Прибытков, И.В. Полев, В.А. Батаев1, М.Б. Иванов
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, 630092, Россия
Проведены испытания на газоабразивный износ струей кварцевого песка спеченных и наплавленных композитов карбид титана - металлическая матрица. Исследована микроструктура испытанных материалов и вид поверхностей износа. Обсуждена зависимость механизма изнашивания и износостойкости от таких характеристик структуры, как объемное содержание и дисперсность упрочняющей карбидной фазы, микроструктура и физико-механические свойства металлической связки.
Structure and abrasive wear resistance of “refractory carbide - metal matrix” composites
G.A. Pribytkov, I.V Polev, V.A. Bataev, and M.B. Ivanov
Sand-blast abrasive tests of sintered and surfaced composites “refractory Ti carbide - metal matrix” have been carried out. The microstructure of the tested materials is examined and patterns of wear faces are analyzed. Consideration is given to the correlation of wear mechanisms and structure characteristics (volume content and dispersion of the hardening carbide phase, microstructure and physical and mechanical properties of the metal matrix).
1. Введение
Композиционные материалы карбид - металлическая матрица демонстрируют высокую и стабильную износостойкость в широком диапазоне характеристик абразива и условий абразивного изнашивания. При ударно-абразивном изнашивании они превосходят по износостойкости керамику, имеющую рекордные значения твердости.
К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по результатам испытаний металломатричных композитов с карбидной упрочняющей фазой (включая высокохромистые чугуны, спеченные твердые сплавы и карбидостали) при абразивном износе с вариацией размера, твердости и скорости абразивных частиц, температуры и агрессивности среды, в которой проводятся испытания. Однако проблема надежного выбора материала, обеспечивающего наибольшую износостойкость при заданных условиях абразивного изнашивания, остается, так как до конца не установлены ключевые факторы, влияющие на механизм абразивного износа и износостойкость.
Ранее нами были проведены сравнительные исследования изнашивания незакрепленным абразивным зерном по ГОСТ 23.208-79 различных материалов, включая
стали, высокохромистый чугун, спеченные и наплавленные (электронно-лучевая наплавка (ЭЛН)) композиты карбид титана - металлическая связка [1]. Все исследованные металлические сплавы и наплавленные покрытия на металлической основе подчиняются известной монотонной зависимости износостойкости от твердости [2, 3]. Значения износостойкости для высокохромистого чугуна и металломатричных композитов оказываются значительно выше, чем для металлических сплавов (рис. 1). Рекордную износостойкость имеет наплавленное покрытие карбид титана - связка из высокохромистого чугуна.
Основная цель настоящей работы — исследование и обсуждение влияния структуры изнашиваемых материалов на характер поверхностного абразивного разрушения и износостойкость в зависимости от скорости абразивных частиц.
2. Методика экспериментов
Предварительно шлифованные и полированные поверхности исследуемых материалов подвергали воздействию высокоскоростной струи кварцевого песка (испытание на газоабразивный износ по ГОСТ 23.201-78). Скорость абразивной струи — 31.4 м/с, расход песка
© Прибытков Г.А., Полев И.В., Батаев В.А., Иванов М.Б., 2004
20 40 60 80
Твердость HRC
Рис. 1. Зависимость относительной износостойкости Ки от твердости при испытаниях на абразивный износ по ГОСТ 23.208-79 [1]: 1 — эталон Ст45 (прокат, отжиг); 4 — 29 % TiCM + нихром (спекание); 5 — заэвтектический чугун (ЭЛН); 7 — 52%TiCM + нихром (спекание); 8 — ПГ-10Н-01 (ЭЛН); 11 — 45 % TiCK + заэвтектический чугун (ЭЛН); 12 — 71 % TiCM+ нихром (спекание); 14 — 47 % TiCM + + Р6М5 (ЭЛН); 17 — Г13 (ЭЛН); 18 — ПГ-12Н-01 (ЭЛН); 19 — 46%TiCK+ Г13 (ЭЛН); 20 — Р6М5 (ЭЛН); 21 — 47%TiCK+ Р6М5 (ЭЛН)
0.430 кг/мин. Испытания проводили при двух углах падения струи на изнашиваемую поверхность: 90° и 60 °. Скорость изнашивания определяли взвешиванием образцов до и после испытаний и пересчетом потери массы в объем. Микроструктуру изнашиваемых материалов исследовали металлографически (МИМ-9), а поверхности образцов после изнашивания — методом сканирующей электронной микроскопии (SEM 515 Philips).
3. Результаты экспериментов и их обсуждение
Результаты испытаний на газоабразивный износ приведены на рис. 2, на котором скорость износа для двух углов падения струи представлена в зависимости от твердости. Были испытаны некоторые металлические сплавы, спеченные и наплавленные композиты с карбидной упрочняющей фазой и разными металлическими связками (чугун, сталь, нихром).
При предварительном анализе результатов испытаний выявлена сильная зависимость износостойкости стального эталона от угла атаки струи абразива. При a = 60° скорость износа на 57 % больше, чем при a = 90°. Результат этот вполне понятен. Чем меньше угол между вектором скорости струи и плоскостью поверхности, тем больше тангенциальная составляющая скорости и тем больше деформационное воздействие частиц абразива на относительно мягкую стальную поверхность эталона. В то же время, для большинства исследованных нами материалов различие скоростей износа для a = 60° и 90° составляет около 10 % и только в одном случае превышает 20 %. По этой причине результаты испытаний на рис. 2 представлены в единицах скорости износа, а не относительной износостойкости Ки, как
? и"
рекомендуется условиями ГОСТ 23.201-78. Использо-
CQ
х Твердость НРС
Рис. 2. Зависимость скорости износа при испытаниях по ГОСТ 23.201-78 от твердости изнашиваемой поверхности: 1 — эталон Ст45; 2 — доэвтектический чугун (ЭЛН); 3 — стеллит В3К; 4 — 29%ТіС + нихром (спекание); 5 — заэвтектический чугун (ЭЛН); 6 — эвтектический чугун (ЭЛН); 7 — 52% ТІС + нихром (спекание); 8 — ПГ-10Н-01 (ЭЛН); 9 — 45%ТіС + доэвтектический чугун (спекание); 10 — 45%ТіС + доэвтектический чугун (ЭЛН); 11 — 43.7 %ТіС + заэвтектический чугун (ЭЛН); 12 — 71 % ТІС + нихром (спекание); 13 — 44.5 %ТіС + эвтектический чугун (ЭЛН); 14 — 47%ТіС + Р6М5 (ЭЛН); 15 — 43.7 %ТіС + заэвтектический чугун (спекание); 16 — 44.5 %ТіС + эвтектический чугун (спекание)
вание относительной износостойкости привело бы к искаженному представлению об износостойкости исследованных материалов в реальных условиях воздействия струи абразива.
Из рис. 2 следует, что в условиях изнашивания высокоскоростной струей абразива отсутствует какая-либо регулярная зависимость скорости износа от твердости, в отличие от того, что наблюдалось при изнашивании незакрепленным зерном (рис. 1). Скорости износа ЭЛН-покрытий, наплавленных порошками высокохромистого чугуна, практически те же, что и у композиционных ЭЛН-покрытий ТІС + чугун. Низкую износостойкость показало ЭЛН композиционное покрытие ТІС + сталь Р6М5 и еще более низкую — спеченные композиты ТІС + нихром. Таким образом, обнаруженное нами ранее [1] благоприятное влияние на износостойкость дисперсного карбида титана в структуре композита при испытаниях на газоабразивный износ не проявляется.
Несмотря на то, что исследованные нами материалы и покрытия сильно различаются по химическому составу, все они (кроме стеллита и самофлюсующегося сплава №-Сг-Б^і) представляют собой одну группу композитов с упрочняющей карбидной фазой в металлической матрице. Для выяснения причин немонотонной зависимости скоростей износа от твердости (рис. 2) привлечем результаты исследования микроструктуры поверхности композитов до и после изнашивания кварцевым песком.
Прежде всего, рассмотрим спеченные композиты карбид титана - нихромовая связка (образцы 4, 7, 12 на
Рис. 3. Вид поверхности спеченого композита 29 об. % ТЮ + нихром: исходный шлиф (а); изнашивание незакрепленным зерном (б); газоабразивный износ (в)
рис. 2). Эти композиты имеют низкую износостойкость, которая к тому же аномально зависит от твердости. В структуре композита 29 об. % ТЮ + нихром (рис. 3, а) явно видна сегрегация: конгломераты карбидных зерен чередуются с областями связки, почти свободными от карбидных зерен. Исходная структура композита 71об.%ТЮ + нихром (рис. 4, а) представляет собой карбидный каркас со светлыми включениями связки. После изнашивания незакрепленным зерном поверхность обоих образцов приобретает рельеф как следствие преимущественного изнашивания нихромовой связки. На фоне этого рельефа выделяются крупные зерна карбида титана, на поверхности которых следы износа отсутствуют (рис. 3, б, 4, б). После изнашивания высокоскоростной струей кварцевого песка шероховатость поверхностей обоих образцов увеличивается (рис. 3, в, 4, в) за счет сильной деформации и разрушения структурных элементов композиции. Поверхность износа композита с малым содержанием карбида (рис. 3, в) более сглаженная. На ней видны чешуйки с узорчатыми краями, которые представляют собой сильно деформированную пластичную нихромовую связку с вкраплениями мелких карбидных зерен. На изношенной поверхности другого образца (рис. 4, в) видны многочисленные выступающие над поверхностью карбидные зерна разного размера. На некоторых из них видны следы хрупкого скола.
Характерна зависимость скорости износа от угла падения струи абразива и объемного соотношения карбид — нихромовая связка в спеченных композитах (рис. 2). При малом содержании карбида (образцы 4, 4') скорость износа больше при а = 60°, чем при а = 90°. При среднем (образцы 7, 7') и большом (образцы 12, 12')
Рис. 4. Вид поверхности спеченого композита 71 об. % ТІС + нихром: исходный шлиф (а); изнашивание незакрепленным зерном (б); газоабразивный износ (в)
содержании карбидной фазы наблюдается инверсия скорости износа: износ при нормальном падении абразивных частиц на поверхность превышает износ при наклонном их падении. Этот факт и вид изношенной струей кварцевого песка поверхности (рис. 4, в) позволяют утверждать, что при большом содержании карбидной фазы изнашивание происходит путем хрупкого разрушения карбидного каркаса и крупных карбидных зерен. Однозначно судить о механизме изнашивания высокоскоростной струей абразива образца 4 с малым содержанием связки на основе имеющихся у нас данных трудно. Судя по тому, что на поверхности износа (рис. 3, в) нет следов в виде царапин, можно предполагать, что разрушение поверхности полидеформацион-ное или усталостное.
Далее сопоставим исходную структуру и вид поверхностей износа спеченных и наплавленных композитов карбид титана - высокохромистый чугун, имеющих наибольшую износостойкость среди исследованных материалов. Исходная структура керметов со связкой до-эвтектического состава — дисперсная (рис. 5, а), так как росту первичных зерен феррита при жидкофазном спекании и последующей кристаллизации препятствуют дисперсные частицы карбида титана. Еще более мелкая структура по той же причине формируется при электронно-лучевой наплавке композиций со связкой из доэвтектического чугуна (рис. 5, б).
Структура керметов и наплавленных композитов со связкой заэвтектического состава огрублена крупными первичными кристаллами карбида (Сг, Fe)7 С3 (рис. 6, а, б). Из-за большой скорости роста первичных карбидов вдоль продольной оси шестигранной призмы при кристаллизации ТІС частицы оттесняются и частич-
Рис. 5. Вид поверхности спеченных (а, в) и наплавленных (б, г) композитов 45 об. % КС + доэвтектический чугун: исходные шлифы (а, б); после газоабразивного износа (в, г)
но захватываются растущими призмами (рис. 6, а, б), не препятствуя их росту. Более грубая исходная структура керметов и наплавленных покрытий со связкой из заэвтектического чугуна приводит к более грубым и рельефным поверхностям износа (рис. 6, в, г), по сравнению с поверхностями износа керметов и наплавленных покрытий со связкой доэвтектического состава (рис. 5, в, г).
Именно высокая дисперсность структуры керметов и наплавленных композитов со связкой из доэвтекти-ческого чугуна обеспечивает, по нашему мнению, их высокую стойкость к износу высокоскоростной струей кварцевого песка.
4. Заключение
Абразивная износостойкость композитов тугоплавкий карбид - металлическая матрица определяется совместным влиянием характеристик структуры (объемное содержание, дисперсность и морфология карбидной фазы, ширина межкарбидных прослоек) и физико-механических свойств (прочность, твердость, вязкость) карбидной фазы и металлической связки.
При большой кинетической энергии абразивных частиц наибольшую износостойкость имеют композиты с большим (более 70 об. %) содержанием дисперсных карбидных частиц, равномерно распределенных в металлической матрице. Наличие в структуре крупных карбидных зерен или карбидного каркаса резко понижает износостойкость при воздействии струи высоко-
Рис. 6. Вид поверхности спеченных (а, в) и наплавленных (б, г) композитов 45 об. %ТЮ + заэвтектический чугун: исходные шлифы (а, б); после газоабразивного износа (в, г)
скоростных абразивных частиц. В этом случае стойкость к разрушению определяется, в первую очередь, вязкостью, а не твердостью или объемным содержанием карбидной фазы.
При малой скорости абразивных частиц первостепенное значение имеют объемное содержание и твердость карбидной фазы. Дисперсность и морфология карбидных частиц в этом случае менее важны. С увеличением содержания карбидной фазы износостойкость монотонно увеличивается за счет усиления защитного действия карбидных частиц по отношению к межкар-бидным прослойкам мягкой металлической связки.
Наибольшую износостойкость вне зависимости от скорости абразивных частиц имеют спеченные и наплавленные композиты дисперсный карбид титана -связка из высокохромистого чугуна доэвтектического или эвтектического состава. Помимо упрочняющего частицы карбида титана оказывают эффективное модифицирующее действие на структуру чугунной связки, формирующуюся при жидкофазном спекании и порошковой наплавке.
Литература
1. Прибытков Г. А., Дураков В.Г, Полев И.В., Вагнер М.И. Структура
и абразивная износостойкость керметов на основе карбида титана, полученных спеканием и электронно-лучевой наплавкой // Трение и износ. - 1999. - Т. 20. - № 4. - С. 393-399.
2. Кащеев В.Н. Абразивное разрушение твердых тел. - М.: Наука, 1970. - 247 с.
3. Тенненбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию. -М.: Машиностроение, 1970. - 271 с.
