Жидкофазное спекание твердых сплавов системы TiC-Ni-Ti в соответствии с метастабильной диаграммой состояния Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 669.018

ЖИДКОФАЗНОЕ СПЕКАНИЕ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ TiC-Ni-Ti В СООТВЕТСТВИИ С МЕТАСТАБИЛЬНОЙ ДИАГРАММОЙ СОСТОЯНИЯ

© 2004 г. Ю.Н. Кудимов, К.Н. Гаврилов, С.В. Касян, Н.И. Гаврилов

Композиционные материалы системы Т1С - N1X1 нашли практическое применение и могут быть получены различными методами [1-5], одним из которых является метод жидкофазного спекания. Работы [4, 5] посвящены проблеме улучшения механических свойств композиционных материалов этой системы. Температура жидкофазного спекания таких материалов выше температуры плавления никелида титана. В настоящей работе предлагается режим жидкофазного спекания, позволяющий получать сплавы системы Т1С - N1X1 при температурах более низких, чем температура плавления самой легкоплавкой эвтектики в этой системе, т.е. более низких, чем те, которые использовались ранее.

С этой целью нами предварительно изучено явление контактного плавления согласно метастабильной диаграмме состояния в системах никель - титан и медь - титан, которые относятся к числу систем, имеющих эвтектическую диаграмму состояния с промежуточным химическим соединением [6], а значит, в них возможно контактное плавление по метастабиль-ной диаграмме состояния.

Для проведения контактного плавления были взяты никель, медь и титан, марка и дисперсность которых указаны в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики используемых материалов

ру печи, а другой - за пределами камеры печи и имел комнатную температуру (рис. 1).

Материал Марка, ГОСТ, ТУ Дисперсность, мкм

Ni ПНК-1Л5, ГОСТ 97 22-79 40

Ti ПТОМ, ТУ 48-10-22-73 10

Cu ПМС-1 50

TiC «ч», ТУ 6--09-492-75 5

Порошковые смеси перемешивали в течение 24 ч в смесителе типа «пьяная бочка» с соотношением масс стальные шары/порошковая смесь 1/2 и частотой вращения 3 об/мин. Затем порошковые смеси прессовали с усилием (30 ^ 40) кН/см2 и в результате получали образцы размером 6x6x12 мм. Образцы спекали в вакуумной печи типа СНВЭ-1.3.1/16И3 с остаточным давлением порядка 10 2 Па. Спекание осуществляли в двух режимах: режиме быстрого и медленного нагрева. Методика проведения опыта в режиме быстрого нагрева была следующей. В вакуумную печь вводилась стальная трубка, один конец трубки находился в средней части камеры печи и имел температу-

Рис. 1. Схема установки для проведения опытов: 1 - термопара; 2 - нагреватели; 3 - стальная трубка; 4 - поршень; 5 - резиновая заглушка; 6 - образец; 7 - столик для образца;

8 - камера печи

Образец размещался в начале трубки 3 и имел комнатную температуру, пока шел разогрев камеры печи. Через 5 мин после того, как температура в камере печи достигала нужного значения, образец 6 выталкивался поршнем 4 на столик 7. Время прохождения образца по трубке не превышало 1 с. Такая методика внесения образца в печь обеспечивала высокую скорость его нагрева, составляющую более 850 град/мин. В режиме медленного нагрева образец сразу располагали на столике 7 и его нагрев шел одновременно с нагревом камеры печи. В этом случае скорость нагрева образца не превышала 850 град/ч.

При медленном нагреве образца, содержащего 29 % N1 и 71 % Т1 по массе жидкость появляется в нем при температуре 955 °С, что фиксировалось визуально с помощью микроскопа МБС-2 и последующим металлографическим анализом, выполненным с помощью МИМ-10. Температура появления жидкости совпадает с температурой плавления самой легкоплавкой эвтектики в этой системе. Введение карбида титана до 20 % по массе в смесь титана и никеля выбранного состава не привело к понижению температуры появления жидкости, что говорит об отсутствии минимума на кривой ликвидус диаграммы состояния системы Т1С - эвтектика (N1 + Т1).

Влияние режима нагрева образцов, содержащих 60 % Си и 40 % Т1, на температуру появления жидкости незначительно. При медленном нагреве жидкость появляется в образце при температуре плавления самой легкоплавкой эвтектики 880 °С. При быстром же нагреве жидкость появлялась при температуре на 10 °

ниже. При точности измерения температуры ± 5° говорить о существенном влиянии режима спекания на температуру появления жидкости в образцах не представляется возможным.

Для спекания в режиме быстрого нагрева были взяты образцы системы никель - титан различного состава (табл. 2). Выбранные составы соответствуют составам эвтектик или промежуточных химических соединений.

Таблица 2

Составы образцов и температуры появления жидкости в них

№ п/п Состав, % (по массе) Температура, °C

Ni Ti

1 29 71 915

2 46 54 885

о 3 56 44 885

4 66 34 870

5 78 22 870

6 84 16 870

Нами установлено, что контактное плавление по метастабильной диаграмме состояния в системе никель-титан возможно при температуре (870±5) °С (табл. 2). Известно, что контактное плавление по ме-тастабильной диаграмме состояния возможно и в том случае, когда компоненты содержат некоторое количество примеси [7]. В качестве примеси взяли карбид титана (табл.1). Следовало ожидать, что существование контактного плавления по метастабильной диаграмме состояния в системе титан - никель позволит получать сплавы системы карбид титана - никель -титан методом жидкофазного спекания при температурах более низких, чем те, которые характерны для системы карбид титана - никелид титана, что и было подтверждено нами экспериментально.

По данным работы [7], наибольшее количество примеси, которое могут содержать компоненты при контактном плавлении по метастабильной диаграмме состояния, лежит в пределах 10 %. Для проведения опытов в смеси порошков никеля и титана различного состава добавляли 13 % (количество примеси, при котором еще может осуществляться явление контактного плавления) и 23 % карбида титана (количество примеси, при котором явление контактного плавления по метастабильной диаграмме состояния должно отсутствовать) и определяли температуру жидкофазного спекания образцов в режиме их быстрого нагрева. Температура жидкофазного спекания образцов системы карбид титана - никель - титан с увеличением содержания карбида титана в смеси растет, но она остается значительно ниже, чем для образцов системы карбид титана - никелид титана.

При концентрации 13 % ТЮ жидкофазное спекание по метастабильной диаграмме состояния имеет место для составов № 2, 3, 4. при концентрации 23 % НС оно имеет место только для состава № 8 (табл. 3).

Таблица 3

Составы образцов системы Т1С-№-Т1 и температура их жидкофазного спекания

№ п/п Состав, % (по массе) Температура, °С

1 13 %Т1С+87%(46%№+54%Т1) 955

2 13 %Т1С+87%(56%№+44%Т1) 945

3 13 %Т1С+87%(66%№+34%Т1) 930

4 13 %Т1С+87%(78%№+22%Т1) 930

5 13 %ТЮ+87%(84%№+16%Т1) 955

6 23 %ТЮ+77%(46%№+54%Т1) 955

7 23 %Т1С+77%(56%№+44%Т1) 955

8 23 %Т1С+77%(66%№+34%Т1) 930

9 23 %Т1С+77%(78%№+22%Т1) 955

10 23 %ТЮ+77%(84%№+16%Т1) 1015

Предлагаемый метод получения сплавов системы карбид титана - никель - титан позволяет совместить процесс их жидкофазного спекания с пайкой к стальной подложке. С этой целью на столик 7 (рис. 1) предварительно помещали пластину из стали Ст3. Процесс жидкофазного спекания образца состава 3 (табл. 3) при температуре 930 °С на стальной подложке сопровождался с его пайкой. На рис. 2 показан соединительный шов между сталью и сплавом системы карбид титана - никель - титан, полученный описанным способом.

Рис. 2. Соединительный шов сплава системы Т1С-№-Т1 со сталью Ст3 х 80

Таким образом, нами показана возможность контактного плавления по метастабильной диаграмме состояния в системе титан - никель и измерена температура метастабильной эвтектики в этой системе. Наличие метастабильной диаграммы состояния в системе титан - никель позволяет осуществлять процесс жидкофазного спекания сплавов системы карбид титана - никель - титан при температурах более низ-

ких, чем те, которые определены равновесной диаграммой состояния. Процесс жидкофазного спекания сплавов системы карбид титана - никель - титан при этом может быть совмещен с пайкой их к стальной подложке.

Литература

1. Кульков С.Н., Мельников А.Г. Влияние сложной схемы нагружения при горячем прессовании на состав и структуру композиционного материала // Порошковая металлургия. 1991. № 5. С. 1 - 4.

2. Швецов С.С., Кульков С.Н., Лебедев Д.З. Горячее прессование безвольфрамовых твердых сплавов на основе ТЮ -№Т с нагревом порошка прямым пропусканием электрического тока // Конструкц. инструм. порош. и композ. материалы: Материалы науч.-тех. конф. Л., 1991. С. 31-33.

Термодинамика неравновесных систем объясняет явление повышения порядка, сопровождающееся уменьшением энтропии, в открытых системах, т.е. в системах, способных обмениваться с окружающей средой энергией и веществом [1]. В основе такого поведения открытой системы лежит так называемый «порядок через флуктуацию». Классическое описание поведения открытых систем однозначно и справедливо только для малых отклонений от равновесия под действием малых случайных воздействий.

Значительные флуктуации, в отличие от малых случайных воздействий, не только лишают систему устойчивости, но одновременно порождают возможность для многообразного развития поведения системы. Описание открытых систем в случае сильных воздействий неоднозначно. При соответствующих условиях случайно возбужденная система может вполне закономерно перейти в новое стационарное состояние с большим порядком. Это справедливо и для процессов в узлах трения, для которых характерны неоднозначность и неопределенность развития.

Известно [1], что методы неравновесной термодинамики успешно используются при решении ряда проблем химической кинетики, биологических систем и др. Эти же методы можно привлечь для анализа поведения и самоорганизации неживых систем, в которых присутствует трение. Однако при таком анализе возникает ряд трудностей. Во-первых, неравно-

3. Попович А.А., Рева В.П., Василенко В.Н. Особенности структурообразования порошка безвольфрамового твердого сплава, полученного механическим синтезом. Рук. Деп. в ЦНИИцветмет экономики и информатики. 28.0191, № 2016 -цм 91.-7 с.

4. Акимов В.В., Калачевский Б.А., Пластинина М.В. и др.

Изучение процессов спекания и формирования структуры сплавов на основе TiC с неравновесным состоянием связующей фазы TiNi // Омский науч. вестн. 2002. № 19. С. 76-78.

5. Luo Y.C., Li D.Y. New wear-resistant material: Nano-

TiN/TiC/TiNi conposite // J. of materials science. 2001. Vol. 36. P. 4695-4702.

6. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. М.,

1962. Т. 1, 2.

7. Кудимов Ю.Н., Гаврилов К.И., Гаврилов Н.И. ДТ-эффект при контактном плавлении систем Al - Mg, Cd - Cu, Al - Ni при СВС алюминида никеля // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2002. № 3. С. 76-78.

31 мая 2004 г.

весная термодинамика не учитывает целенаправленность внешнего воздействия, а это типично для технических устройств, поведение которых определяет не случайная игра природных стихий, а замысел конструктора и команды оператора. Кроме того, фактором, стабилизирующим трибосистему, служит обычно, как это ни парадоксально, само трение, ведь именно ему эквивалентна «энергия порядка», подводимая извне. Но, уменьшая трение, а следовательно, уменьшая подводимую энергию, мы тем самым снижаем шансы трибосистемы на самоупорядочение. Следовательно, ввод трибосистемы в режим самоорганизации только за счет энергии самого трения маловероятен. Необходимо подвести к трибосистеме дополнительную энергию.

Проанализируем с изложенной точки зрения эффект аномально низкого трения (АНТ) [2], когда трение падает в десятки и более раз. Невозможность при обычной приработке получить столь низкие коэффициенты трения объясняется тем, что для достижения достаточно высокого порядка энергии самого трения явно не достаточно. Необходима дополнительная подпитка трибосистемы энергией для увеличения в ней порядка.

Проявлению эффекта АНТ способствует полная ориентация кристаллитов поверхностей. Однако молекулы воды, прочно «сидящие» на гранях кристаллитов, ограничивают их подвижность. Избавиться от

Пятигорская государственная фармацевтическая академия

УДК 621.891

СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ТРИБОЭЛЕКТРОХИМИИ

© 2004 г. Ф.И. Кукоз, Н.М. Мамаев, В. Ф. Кукоз, В.Д. Хулла, М.Н. Мамаев, М. И. Христофориди