CC BY
6
4. Pugacheva, T.M. History of aviation bearing steels development and its treatment/ T.M. Pugacheva, Proceedings 26th IFHSE CONGRESS 2019. International Congress on Metal Science and Heat Treatment, Moscow: Metallurgizdat, 2019.-291-295 p.p.
5. Спришевский, А.И. Подшипники качения. М.: Машиностроение.- 1968.-632 с.
6. Лахтин, Ю.М. Химико-термическая обработка металлов/ Ю.М. Лахтин, Б.Н. Ар-замасов.- М.: Металлургия.- 1985.- 325 с.
Pugacheva T. М., associate Professor, Ph. D. Kotelnikov D. V., master
Samara state technical University, Samara, Russia
INFLUENCE OF HARDENING TEMPERATURE ON GRAIN SIZE AND HARDNESS OF CASTED BEARING STEEL
The data of comparative analysis of martensite needle sizes and hardness after hardening from different temperatures of carburized chromium-nickel-molybdenum precipitation hardening bearing steel are given.
Key words: bearing steel, hardening, size of martensite needles, hardness.
свс керамической нитридно-карбидной композиции
si3n4-tic с использованием азида натрия
Титова Юлия Владимировна, доцент, к.т.н., доцент, (e-mail: titova600@mail.ru) Якубова Алсу Фаридовна, аспирант, (e-mail: minekhanovaaf@mail.ru) Шоломова Анна Владимировна, к.т.н., ассистент (e-mail: sholomovaav@gmail.com) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
Исследована возможность получения композиции Si3N4-TiC методом СВС-Аз с использованием в качестве азотирующего реагента NaN3, а также галоидной соли (NH4)2TiF6. Проведен термодинамический анализ протекания химических реакций горения системы «15Si-6NaN3-(NH4)2TiF6-xC-(x-1)Ti». Проведены рентгенофазовый, микроструктурный и энергодисперсионный анализы синтезированных продуктов. Установлено, что в результате продукты горениявсех исходных смесей состоят из волокон а-и fi-Si3N4 диаметром 70-150 нм и равноосных частиц TiN-TiC размером от 100 до 500 нм. Отметим, что при х < 4 молей продукты горения также содержат свободный Si. При х > 4 моля свободный Si заменяется на SiC.
Ключевые слова: азид натрия, СВС, нитридно-карбидная композиция, нитрид кремния, карбид титана, композит.
Acknowledgments: The reported study was funded by RFBR, project number 20-08-00298.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время Si3N4 является главным керамическим материалом для производства изделий, работающих в условиях высоких нагрузок, на-
пример, он используется для обработки суперсплавов на основе N1 [1]. Однако применение современных режущих инструментов на основе чистого для обработки железосодержащих сплавов ограничено из-за сильного химического взаимодействия между и Ре[2]. Необходимо также учесть, что керамика из чистого очень твердая и плохо поддается механической обработке даже алмазным инструментом, что значительно повышает стоимость готовых деталей из нее. Более простой и дешевый метод электроэрозионной обработки оказывается здесь неприменимым из-за очень низкой электропроводности керамики поэтому большое вни-
мание уделяется получению электропроводной композиционной керамики на основе в первую очередь, керамики [3]. Наилучшая
проводимость наблюдается у образцов с содержанием ТЮ более 30 % и составляет 2,3 10 с/см [4].
Как известно, композицию Б^^-ТЮ можно получить, такими методами, как смешиванием и измельчением в шаровойбарабанной мельнице в изопропиловом спирте в течение24 часов с шариками из нитрида кремния в качестве измельчающей среды. Также добавлением наноразмерных частиц 813К4 и Т1С в субмикронную матрицу 813К4 и последующим горячим прессованием с А1203 и У203 в качестве активаторов спекания. Спеканием из нанопорошков нитрида кремния и ультрадисперсных порошков Т1С. И методом самораспространяющимся высокотемпературным синтезом[5].
Исследование горения гетерогенных систем под давлением является актуальной задачей, связанной с определением оптимальныхрежимов получения керамических и твердосплавных материалов методами СВС - ком-пактирования [6], СВС - экструзии [7] и СВС-Аз [8].
В настоящей работе исследуется возможность получения композиции Б^^-ТЮ методом СВС-Аз с использованием в качестве азотирующего реагента N8^, а также галоидной соли (NH4)2TiF6 [9].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИСЛЕДОВАНИЙ
Известны составы смесей для получения методом СВС-Аз однофазных порошков и Т1С, из анализа которых для синтеза композиции Б13Ш4-Т1С использовалось уравнение:
15Si+6NaNз+(NH4)2TiF6+xC+(x-1)Ti=5SiзN4+xTiC+6NaF+4H2,где х - 1, 2, 4, 6, 8, 10 моль.
Таким образом,уравнения выглядели следующим образом: 15Б1 + + (N^2^6 + С = + ТЮ + 6NaF + 4Н2; (1)
15Б1 + + (кн4)2та6 + 2С + Т1= + 2ТЮ + 6NaF + 4Н2; (2) 15Б1 + + (кн4)2та6 + 4С + 3Т1= + 4ТЮ + 6NaF + 4Н2; (3) 15Б1 + + (кн4)2та6 + 6С + 5Т1= 5Si3N4 + 6ТЮ + 6NaF + 4Н2; (4) 15Б1 + 6NaN3 + (NH4)2TiF6 + 8С + 7Т1= 5Si3N4 + 8ТЮ + 6NaF + 4Н2; (5) 15Б1 + 6NaN3 + (Ш^ТЯ^ + 10С + 9Т1= 5Si3N4 + 10ТЮ + 6NaF + 4H2. (6)
В качестве исходного сырья использовались: порошок Si марки КР0 (содержание основного вещества > 98,8 мас.%), порошок NN классифика-
ции «Ч» (содержание основного вещества > 98,71 мас.%), порошок (NH4)2TiF6 классификация «Ч» (содержание основного вещества 99,0 мас.%), сажа марки П701 (содержание основного вещества > 88 мас.%), порошок ^Марка ПТМ-3 (содержание основного вещества 99,5 мас.%).
Термодинамический анализ возможности синтеза целевой композиции Si3N4-TiC осуществлялся с применением программы «Thermo», разработанной в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (г. Черноголовка, Московская обл.) [10]. Экспериментальные зависимости температуры и скорости горения от соотношения исходных компонентов в системе «15Si+6NaN3+(NH4)2TiF6+xC+(x-1)Ti» исследовались в лабораторном реакторе СВС-Аз объемом 4.5 литра с двумя термопарами при различном содержании порошков титана и углерода в исходной шихте, давлении азота P = 4 МПа, насыпной плотности шихты □□= 0.4 и диаметре образца 30 мм. Фазовый состав синтезированных продуктов определяли на порошковом рентгеновском дифрактометре ARL X'trA-138, оснащенном рентгеновской трубкой с медным анодом максимальной мощностью 2200 Вт. Сканирование проводили в диапазоне углов 20 (20...80)0 со скоростью 2°/мин. Расшифровку дифрактограмм и количественную оценку фазового состава методом Ритвельда выполняли в программе PDXL 1.8 с использованием баз кристаллографических данных PDF-2009 и C0D-2019.Исследование морфологии частиц синтезированного порошка и их химического состава проводились на растровом электронном микроскопе JSM-6390A фирмы «Jeol» с приставкой энергодисперсионной спектрометрии JeolJED-2200.
РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты термодинамического протекания химических реакций горения системы «15Si+6NaN3+(NH4)2TiF6+xC+(x-1)Ti» представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты термодинамического анализа горения системы
«15Si+6NaN3+(NH4)2TiF6+xC+(x-1)Ti»
Содержание углерода, х, моль Адиабатическая температура,К Количество, моль Энтальпия, кДж
Sir Fr Hr Nar H2r N2 г NaF г Si3N4 ТВ TiCn,
1 2836,91 0,57 0,03 0,12 0,03 3,94 4,05 5,97 4,81 1,00 -5476,4
2 2843,99 0,61 0,03 0,12 0,03 3,94 4,08 5,97 4,80 2,00 -5685,4
4 2856,97 0,70 0,03 0,12 0,03 3,94 4,14 5,97 4,77 4,00 -6103,4
6 2868,29 0,79 0,03 0,12 0,03 3,94 4,20 5,97 4,74 6,00 -6521,4
8 2878,35 0,88 0,03 0,13 0,03 3,94 4,26 5,97 4,71 8,00 -6939,4
10 2887,41 0,97 0,03 0,14 0,03 3,93 4,32 5,97 4,68 10,00 -7357,4
Из представленных данных видно, что с увеличением содержания титана и углерода в исходной смеси адиабатическая температура горения системы «1581-бКаК3-(КН4)2Т1Еб-хС-(х-1)Т1» повышается, а энтальпия реакции снижается. Это означает, что все системы обладают термодинамиче-
скими характеристиками достаточными для реализации процесса СВС. Продукты горения, согласно термодинамическому анализу, содержат необходимые нам целевые фазы: нитрид кремния ^^N4) и карбид титана
и
О 1000
к
(Ц
Он
03
>1.1*00 £
Он 0) С
х, моль
х, моль
а) б)
Рис. 1. Зависимость температуры (а) и скорости (б) горения системы «15$^6№^-(^КН4)2^Еб-хС-(х-1)ТЬ> от соотношения исходных
компонентов
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ На рис.1 представлены результаты экспериментальных исследований систем СВС-Аз для синтеза композиции Si3N4-TiC. Исследования включают в себя определение температур горения и скоростей распространения химических реакций. Из представленных графиков видно, что с увеличением содержания титана и углерода (х) параметры горения (температура и скорость горения) повышаются[11], что согласуется с результатами термодинамических расчетов.
На рис.2 представлены результаты микроструктурного анализа продуктов горения смеси «15Si-6NaN3-(NH4)2TiF6-хC-(х-1)Ti» после операции промывки в дистиллированной воде. _ _
х= 1
х = 2
229 09 nra
175,64 nm Я '4 ЩН
0 m 154,5! nm llf
Jp
OkV X25.000 1|jnn
1 v
19441 nm
20kV Х25.000 1цт
' 167-04 Лг^-гЖ
20kV Х25.000 1|im ]
X = 6
X = 8 X = 10
Рис. 2. Микроструктура порошковых композиций Si3N4-TiC, синтезированных при различном содержании титана и углерода в смеси «15Si-6NaN3-(NH4)2TiF6-xC-(x-1)Ti»
Результаты исследования микроструктуры, энергодисперсионного и рентгенофазового анализов показали, что продукты горения всех исходных смесей состоят из волокон а- и P-Si3N4 диаметром 70-150 нм и равноосных частиц TiN-TiCразмером от 100 до 500 нм. Отметим, что при х < 4 молей продукты горения также содержат свободный Si. При х > 4 моля свободный Si заменяется на SiC.
ВЫВОДЫ
Таким образом, несмотря на положительные результаты теоретического термодинамического анализа, экспериментальное применение метода азидного СВС не позволило синтезировать целевую композицию порошков Si3N4-TiC, так как вместо TiC синтезировалась смесь TiN-SiC. Но при этом впервые экспериментально показана возможность синтеза композиций высокодисперсных керамических порошков Si3N4-TiN-SiC при сравнительно малом содержании примеси свободного кремния (до 1,4 %), что является заметным достижением.
Список литературы
1. M.Nalbant, A.Altin, H.Gokkaya, Materials and Design..2007, 28, 4.
2. G. Zheng, J. Zhao, Y. Zhou, Z.Gao,AdvancedMaterials Research.2011, 152.
3. C.Tian, N. Liu, M. Lu. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 2008, 26.
4. Y. Jiang, L. Wu, W. Sun, AIP Conference Proceedings. 2013, 1542, 125.
5. А. А. Трушина, А.В.Кутьина, Ю.В.Титова. Анализ методов получения нитридно-карбидной композиции Si3N4-TiC//Интернаука— 2019. № 6. — С. 90-92.
6. Бажин П. М., Столин А. М., ЩербаковВ. А., Замяткина Е. В. Композитная нано-керамика, полученная методом СВС - экструзии //Докл. А.Н. — 2010. — Т. 430, № 5. — С. 650-653.
7. Shcherbakov V. A., Barinov V. Yu. SHS under pressure: I. Thermal electromotive force arising during combustion of Ti + C mixtures // Intern. J. of SHS. — 2011. — V. 20, N 1. — Р. 33-35.
8. Амосов А.П., Бичуров Г.В. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микро- и нанопорошков нитридов. М.: Машиностроение-1, 2007
9. Yu.V.Titova, A.P.Amosov, D.A.Maidan, G.S.Belova, AlPConf. Proceedings.2020, 2304, 020008.
10. Shiryaev A., Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth., 4, 351, 1995
11. Б. С. Сеплярский, Р. А. Кочетков, С. Г. Вадченко. Закономерности горения порошковых и гранулированных смесей Ti + xC (1>x>0.5)// ФГВ. — 2016. — Т. 52, № 6. — С. 51-59.
Titova Yulia Vladimirovna, associate professor, candidate of technical sciences,
associate professor
(e-mail: titova600@mail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
Yakubova Alsu Faridovna, postgraduate student
(e-mail: minekhanovaaf@mail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
Sholomova Anna Vladimirovna, candidate of technical sciences
(e-mail:sholomovaav@gmail.com)
Samara State Technical University, Samara, Russia
SHS OF SI3N4-TIC CERAMIC NITRIDE-CARBIDE COMPOSITION USING SODIUM AZIDE
Abstract. The possibility of obtaining a Si3N4-TiC composition by the SHS-Az method using NaN3 as a nitriding reagent, as well as the halide salt (NH4)2TiF6, has been studied. The thermodynamic analysis of the course of chemical reactions of combustion of the "15Si-6NaN3-(NH4)2TiF6-xC-(x-1)Ti" system has been carried out. X-ray phase, microstructural and energy dispersive analyzes of the synthesized products were carried out. It has been established that, as a result, the combustion products of all initial mixtures consist of a- and fi-Si3N4 fibers with a diameter of 70-150 nm and equiaxed TiN-TiC particles ranging in size from 100 to 500 nm. Note that at x < 4 moles, the combustion products also contain free Si. At x > 4 mol, free Si is replaced by SiC.
Keywords: sodium azide, SHS, nitride-carbide composition, silicon nitride, titanium carbide, composite.
