Розробка та дослідження жаростійких безвольфрамових твердих сплавів (Ti, Nb)C–Ni–Cr-Al

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

УДК 621.762.4:546.261'821

Спеціальність 05.16.06 - порошкова металургія та композиційні матеріали

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка та дослідження жаростійких безвольфрамових твердих сплавів (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al

Лазарюк Валерій Володимирович

Київ - 2004



Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі матеріалознавства Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент, Бодрова Людмила Гордіївна, Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя, Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри матеріалознавства

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Маслюк Віталій Арсенійович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу зносостійких і корозійностійких порошкових конструкційних матеріалів

кандидат технічних наук, доцент Юрченко Олег Сергійович, Національний педагогічний університет ім. М.П. Драгоманова, Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри загальнотехнічних дисциплін

Провідна установа: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “14” травня 2004 р. о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.002.12 у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37, ІФФ, корп. №9, ауд. 203.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37

Автореферат розісланий “8” квітня 2004 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент Сиропоршнев Л.М.



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Збільшення продуктивності праці та зниження собівартості продукції на сучасному промисловому підприємстві в значній мірі залежать від використання сучасних інструментальних матеріалів, основною групою яких є тверді сплави. В зв'язку із значною залежністю вітчизняного твердосплавного виробництва від імпорту сировини для твердих сплавів на основі карбіду вольфраму та кобальту актуальним завданням є розробка та дослідження властивостей нових безвольфрамових твердих сплавів з підвищеними фізико-механічними та експлуатаційними властивостями.

Як тугоплавку основу безвольфрамових твердих сплавів найбільш широко використовують карбід титану, що обумовлено його меншою вартістю за одиницю об'єму та порівняно простою технологією отримання, більшою твердістю, зносостійкістю, хімічною стійкістю та достатньою вітчизняною сировинною базою. Перевага інструменту з твердих сплавів на основі карбіду титану виявляється при обробці металів з високою швидкістю різання, коли переважають вимоги до точності деталей та шорсткості обробленої поверхні.

Важливим напрямком покращення різальних властивостей та зносостійкості твердих сплавів є подрібнення їх мікроструктури. Близько 40% світового виробництва твердих сплавів складають сплави із дрібнозернистою мікроструктурою.

Відомі безвольфрамові тверді сплави на основі карбіду чи карбонітриду титану з нікель-молібденовою зв'язкою мають міцнісні властивості, що достатні для виготовлення металообробного інструменту, проте характеризуються підвищеним ростом карбідних зерен під час спікання. Жаростійкість даних сплавів є значно вищою, ніж WC-TiC-Co сплавів, проте окиснений шар, що утворюється при високотемпературному нагріванні відомих безвольфрамових твердих сплавів, не відзначається високими захисними властивостями.

Для отримання стійких до зношування та дії високих температур твердих сплавів на основі карбіду титану використовують нікель-хромову зв'язку. Така зв'язка добре змочує карбід титану, утворює ряд низькоплавких евтектик в системі Ni-Cr-C, має високу жаростійкість. Проте сплави на основі карбіду титану з нікель-хромовою зв'язкою характеризуються підвищеною пористістю та невисокою міцністю. Одним із методів підвищення фізико-механічних та експлуатаційних властивостей сплавів на основі карбіду титану є легування тугоплавкої та металевої фаз. Використання як тугоплавкої основи сплаву твердого розчину карбідів титану та ніобію, що характеризується вищими міцнісними характеристиками та жаростійкістю, краще змочується нікелем у порівнянні з карбідом титану, дозволяє підвищити механічні властивості сплаву та оптимізувати його структуру.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові результати, які cклали основу дисертації, отримані здобувачем, як виконавцем держбюджетної теми "Фізико-хімічні основи створення жаростійких та ливарних сплавів на карбідній основі та прогресивних технологій металообробки" (№ держреєстрації 0199U003998), яка виконувалася в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя упродовж 1999-2001 років згідно тематичних планів НДР Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є розробка безвольфрамового твердого сплаву на основі карбідів титану та ніобію з нікель-хром-алюмінієвою зв'язкою з підвищеними механічними властивостями та жаростійкістю для металообробного інструменту.

Для досягнення мети необхідно було вирішити такі наукові та практичні завдання:

- дослідити вплив карбіду ніобію, нікель-хром-алюмінієвої зв'язки та методу виготовлення на процес ущільнення, структурний стан, фізико-механічні та експлуатаційні властивості сплавів;

- дослідити основні закономірності процесу спікання сплавів;

- дослідити фазовий склад та взаємодію компонентів сплавів при спіканні;

- дослідити жаростійкість сплавів на повітрі та встановити кінетичні закономірності процесу окиснення;

- дослідити вплив вмісту нікель-хром-алюмінієвої зв'язки на структуру, морфологію, фазовий та хімічний склад, мікротвердість окиснених шарів.

Об'єкт дослідження: безвольфрамові тверді сплави на основі карбіду титану.

Предмет дослідження: вплив карбіду ніобію, нікель-хром-алюмінієвої зв'язки на процес ущільнення, структурний стан, жаростійкість, фізико-механічні та експлуатаційні властивості безвольфрамових твердих сплавів на основі карбіду титану. спікання сплав титан металообробний

Методи дослідження: мікроструктурний, металографічний, мікро-рентгеноспектральний (МРСА), рентгеноструктурний, фрактографічний аналізи; растрова та просвічуюча електронна мікроскопії; випробування на твердість, мікротвердість, міцність при згині та стиску, в'язкість руйнування та термостійкість твердих сплавів; термогравіметричний метод визначення жаростійкості; випробування на стійкість до зношування металообробного лезового інструменту із твердих сплавів; вивчення кінетичних параметрів процесів спікання та окиснення, фізико-механічних властивостей з використанням теоретичних положень порошкової металургії, фізики твердого тіла, теорії корозії металів, фізичної хімії, механіки деформівного твердого тіла та математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів.

Розроблено науково-технологічні принципи створення жаростійких та зносостійких твердих сплавів на основі складного карбіду титану та ніобію з нікель-хром-алюмінієвою зв'язкою, які полягають у одночасному введенні у склад сплавів карбіду ніобію, добавки нітриду або нікеліду алюмінію та оптимізації технологічних параметрів спікання, що зменшує пористість, подрібнює структуру та підвищує механічні властивості сплавів за рахунок підвищення механічних властивостей карбідної фази та дисперсійного зміцнення металевої зв'язки. При цьому досягається активація процесу спікання сплавів в результаті інтенсифікації стадії перегрупування частинок тугоплавкої фази. Визначено кінетичні параметри процесу спікання сплавів системи (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al.

Виявлено особливості структури та фазового складу сплавів (Ti,Nb)C-Ni-Cr-Al. Встановлено, що легування карбіду титану карбідом ніобію зменшує розчинність карбідної фази у металевій зв'язці сплаву, що перешкоджає росту карбідних зерен, а обмежена розчинність хрому у тугоплавкій фазі (Ti, Nb)C сприяє зменшенню взаємодії металевої зв'язки з тугоплавкою фазою.

Виявлено особливості процесу високотемпературного окиснення сплавів (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al та встановлено механізм формування окиснених шарів, згідно якого на початковому етапі (1,5-2 год.) відбувається переважне утворення оксидів металів зв'язки сплаву, а в подальшому утворюються зовнішній та внутрішній окиснені шари на основі рутилу TiO2. Формування у зовнішньому окисненому шарі бар'єрного щільного проміжного підшару з високою концентрацією Nb, Ni, Cr змінює лімітуючу стадію окиснення сплаву на дифузію кисню або катіонів металів до реакційної поверхні. При утворенні суцільного шару оксиду хрому на межі внутрішнього окисненого шару із сплавом відбувається значне зменшення швидкості окиснення.

Встановлено, що використання складного карбіду (Ti,Nb)С як тугоплавкої основи сплаву сприяє підвищенню міцності та отриманню високих показників твердості та в'язкості руйнування сплаву, що досягається за рахунок підвищення міцнісних характеристик тугоплавкої фази, подрібнення структури, зменшення пористості та розмірів карбідних зерен.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені безвольфрамові тверді сплави на основі складного карбіду титану та ніобію з нікель-хром-алюмінієвою зв'язкою можуть бути використані для заміни стандартного твердого сплаву карбідовольфрамового класу марки Т15К6 на чистових та напівчистових токарних операціях обробки деталей з конструкційних вуглецевих сталей та для виготовлення деталей технологічного оснащення.

Розроблені безвольфрамові тверді сплави використано для виготовлення багатогранних непереточуваних різальних пластин, які впроваджено на ВАТ "Ватра" та ВАТ "Тернопільський комбайновий завод" (м. Тернопіль).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати, положення, висновки та рекомендації дисертаційної роботи належать автору. Здобувачем виявлено вплив карбіду ніобію, металевої зв'язки, добавок нітриду та нікеліду алюмінію на процес ущільнення, структуру, фазовий склад, фізико-механічні властивості сплавів на основі карбідів титану та ніобію з нікель-хром-алюмінієвою зв'язкою; визначено оптимальний хімічний склад сплавів; встановлено основні закономірності процесу спікання сплавів та технологічні режими отримання сплавів оптимального складу із щільною та дрібнозернистою структурою; встановлено кінетичні закономірності процесу окиснення сплавів та особливості формування окиснених шарів; визначено експлуатаційні властивості металообробного інструменту із розроблених сплавів та області їх застосування.

Постановку задач, аналіз та трактування результатів, формулювання наукових висновків та рекомендацій проведено спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на Світовому конгресі по порошковій металургії (Іспанія, м. Гранада, 1998р.), 15-ій Міжнародній конференції "Корозія в енергетиці" (Словаччина, м. Кошице, 1998), 3-ій Міжнародній молодіжній конференції "Металургія" (Словаччина, м. Кошице, 1998 р.), 14-ому Міжнародному конгресі по корозії (ПАР, м. Кейптаун, 1999), Європейських конгресах по корозії (ФРН, м. Аахен, 1999; Великобританія, м. Лондон, 2000), VII Міжнародній конференції "Машинобудування та техносфера на межі ХХІ століття" (Крим, м. Севастополь, 2000р.) (нагорода: диплом ІІІ ст.), Європейській молодіжній конференції "Євромат-Юніор" (Швейцарія, м. Лозанна, 2001 р.), 5-ому Міжнародному симпозіумі українських інженерів - механіків (м. Львів, 2001 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Надтверді матеріали на межі тисячоліть: отримання, властивості, використання (м. Київ, 2001 р.), 4-ому Міжнародному симпозіумі з трибофатики (м. Тернопіль, 2002р.), Міжнародній конференції "Деформація та руйнування конструкційних порошкових матеріалів" (Словаччина, м. Стара Лесна, 2002), на III--VІІ науково-технічних конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м. Тернопіль, 1998--2003 р.), а також на наукових семінарах кафедри матеріалознавства Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 21 друкованій праці, серед них 6 статей у фахових наукових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел. Загальний обсяг роботи становить 174 сторінки машинописного тексту, в т.ч. 57 рисунків, 25 таблиць. Список використаних літературних джерел містить 212 найменувань.



Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення роботи, приведено інформацію про особистий внесок здобувача та апробацію результатів дисертації.

В першому розділі проаналізовано сучасний стан розробки безвольфрамових твердих сплавів та розглянуто особливості формування структури під час спікання та результати досліджень фізико-механічних та експлуатаційних властивостей сплавів на основі карбіду титану.

У роботах В.Н. Єременко, Г.В. Самсонова, В.І. Третьякова, Р. Кіффера, Л.Е. Вальдми, С.С. Орданьяна, І. Осаму показано позитивний вплив легування твердих сплавів на основі карбіду титану карбідами металів 5-6 груп періодичної системи на їх механічні та експлуатаційні властивості. Проте, дані дослідження проведені, головним чином, для сплавів з нікель-молібденовою зв'язкою. З метою регулювання структури та підвищення механічних властивостей, зносостійкості, жаростійкості та термостійкості сплавів на основі карбіду титану з нікель-хромовою зв'язкою обґрунтовано доцільність введення до їх складу добавок карбіду ніобію та сполук алюмінію.

Жаростійкість та механізм високотемпературного окиснення сплавів на основі карбіду титану досліджено В.Б. Войтович, В.А. Лавренко, Е.І. Головко, В.Л. Хавекотт, Н. Хіннюбер, Е.А. Пугач, Ф. Монтеверде, Д.С. Парк. Проте, морфологія, структура та склад окиснених шарів в залежності від тривалості окиснення даних сплавів є мало вивченими. Роботи по дослідженню жаростійкості твердих сплавів на основі складного карбіду титану та ніобію з нікель-хром-алюмінієвою зв'язкою відсутні.

У другому розділі подано відомості про матеріали, які використовували у роботі, технологію отримання сплавів та методи їх дослідження. Хімічний склад досліджуваних сплавів приведено у таблиці 1.

Сплави готували за двома технологічними варіантами: стандартним (варіант А) та з додатковою операцією отримання твердого розчину (Тi, Nb)C (варіант Б). Стандартний технологічний варіант включав такі основні операції: розмелювання у кульковому млині (діаметр твердосплавних кульок 4 мм) у середовищі етилового спирту протягом 72 годин при співвідношенні кульки: суміш - 7:1, введення пластифікатора - 5-% розчину синтетичного каучуку у бензині, холодного пресування та спікання у вакуумі. Спікання проводили у високотемпературній печі СНВ 1.3.1/20И1 при температурах до 1450 0С та тривалістю ізотермічної витримки 20-60 хв.

У розділі описано методики досліджень мікроструктури, фазового та хімічного складу, фізико-механічних властивостей, термостійкості, жаростійкості та експлуатаційних властивостей.

Таблиця 1 - Вихідний хімічний склад сплавів

спл.№	Вміст компонентів, % (мас.)
	TiC	NbC*	Ni	Cr	AlN	Ni3Al
1	82	-	13,5	4,5	-	-
2	80	2	13,5	4,5	-	-
3	77	5	13,5	4,5	-	-
4	75	7	13,5	4,5	-	-
5	72	10	13,5	4,5	-	-
6	67	15	13,5	4,5	-	-
7	78	10	7,5	2,5	2	-
8	70	10	13,5	4,5	2	-
9	64	10	18	6	2	-
10	70	10	13,5	4,5	-	2

*карбід ніобію вводили у сплав у вигляді NbC та (Тi, Nb)C

Третій розділ присвячений дослідженню закономірностей процесу спікання сплавів. На рисунках 1 та 2 приведено залежності усадки d/d від температури спікання при витримці 40 хв. Поява рідкої фази у температурному інтервалі 1250-1300 0С значно інтенсифікує ущільнення сплавів. Найбільша усадка спостерігається при вмісті карбіду ніобію у вихідному складі сплаву 10 %(мас.), незалежно від способу його введення у сплав (рис.1). Введення добавки нітриду алюмінію у сплав на основі складного карбіду титану та ніобію (спл.№8) дозволило отримати найменші значення пористості, об'ємний вміст пор становив А0,2 (ГОСТ 9391-80). При цьому усадка даного сплаву при температурах спікання 1200-1350 0С більша, ніж у інших сплавів на основі складного карбіду титану та ніобію (рис.2), що можна пояснити збільшенням кількості рідкої фази у його структурі.

Вивчення кінетичних закономірностей процесу ущільнення сплавів показало, що він проходить за стадіями перегрупування частинок тугоплавкої фази в результаті в'язкої течії розплаву металів зв'язки та перекристалізації тугоплавкої фази через металевий розплав. Виявлено, що введення нітриду алюмінію до сплаву (Ti, Nb)C-Ni-Cr приводить до підвищення швидкості ущільнення сплавів на стадії перегрупування частинок (рис.3). Енергія активації процесу ущільнення сплаву (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al (спл.№8) становила 158 кДж/моль. Добавка нікеліду алюмінію аналогічно впливає на процес ущільнення сплаву, але при вищій температурі спікання.

Дослідження кінетики фазових та структурних змін сплаву в процесі спікання проводили з допомогою рентгенівського фазового та структурного аналізів зразків сплаву (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al (спл.№8). Результати аналізів приведені в таблиці 2. Встановлено, що основними фазами сплавів, отриманих за технологічним варіантом Б, є складний карбід (Ti, Nb)C та твердий розчин заміщення на основі нікелю. Період гратки карбідної фази в температурному інтервалі 1350-1450 0С істотно не змінюється, що свідчить про утворення стабільної карбідної фази з постійним стехіометричним складом. Збільшення періоду гратки нікелю при температурі 1400 0С може свідчити про інтенсифікацію процесів розчинення компонентів тугоплавкої фази сплаву у зв'язці.



Таблиця 2 - Фазовий склад сплаву системи (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al (спл.№8) та період гратки а при різних температурах спікання Tсп

Tсп, 0С	Фазовий склад	а, нм
		(Ti, Nb)C	Ni
1200	(Ti, Nb)C, Cr7C3, Ni, сліди NbC, Cr , Cr23C6	0,43314	0,3568
1250	(Ti, Nb)C, Cr7C3, Ni, сліди NbC, Cr23C6	0,43353	0,3580
1300	(Ti, Nb)C, Cr7C3, Ni, сліди NbC	0,43352	0,3569
1350	(Ti, Nb)C, Cr7C3, Nі	0,43321	0,3565
1400	(Ti, Nb)C, Cr7C3, Nі	0,43316	0,3590
1450	(Ti, Nb)C, Cr7C3, Ni	0,43326	0,3573

Мікрорентгеноспектральним аналізом (МРСА) виявлено кільцеву структуру карбідних зерен, де ядро є твердим розчином карбідів титану та ніобію, а периферійна оболонка є твердим розчином ніобію, хрому, нікелю на основі карбіду титану. Різний вміст ніобію у серцевині (2,7 %(ат.)) та периферії карбідного зерна (7,9 %(ат.)) свідчить про проходження процесів розчинення-осадження.

Метали зв'язки нікель та хром зосереджені у цементуючій фазі та тонкій зовнішній оболонці карбідного зерна. Перехід хрому у твердий розчин оболонки супроводжується переходом титану у зв'язку. Вміст ніобію у металевій фазі низький (не більше 1 %(ат.)), що свідчить про його низьку розчинність у зв'язці. Алюміній, що утворюється в результаті дисоціації нітриду алюмінію, виявляється лише у зв'язці. Він покращує змочуваність карбідної фази, виявляє розкислюючу дію, утворює леговану титаном та хромом -фазу - Ni3Al, що дисперсійно зміцнює металеву зв'язку. При вмісті нітриду алюмінію у сплаві до 2 %(мас.) газоподібні продукти його дисоціації видаляються через відкриті пори ще до температури появи рідкої фази.

Рентгеноструктурним аналізом встановлено, що період гратки карбіду титану збільшується лише при введенні у сплав карбіду ніобію 10 % (мас.) і більше. Розподіл титану, ніобію та хрому у мікроструктурі сплаву, що був отриманий у характеристичному рентгенівському випромінюванні показав, що взаємодія складного карбіду титану та ніобію з хромом є незначною. Отримані результати вказують на досить обмежену розчинність хрому у складному карбіді титану та ніобію, що зменшує взаємодію металевої фази з карбідною та сприяє формуванню гомогенної карбідної фази під час спікання.

Металографічними дослідженнями виявлено дрібнозернисту структуру сплавів у якій значну кількість становлять карбідні зерна розмірами 0,5-0,7 мкм (рис.4). Встановлено, що підвищення вмісту карбіду ніобію у сплаві приводить до зменшення середнього розміру карбідних зерен та підвищення твердості. Проведеним статистичним аналізом розмірів карбідних зерен виявлено нормально-логарифмічний закон їх розподілу та встановлено суттєвий вплив карбіду ніобію, нітриду та нікеліду алюмінію на мікроструктуру сплаву TiC-Ni-Cr. На рис.4 показано криві розподілу розмірів зерен сплавів. Середнє значення розмірів карбідних зерен сплаву (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al (спл.№8) становило 0,56 мкм, що на 22 % менше у порівнянні із сплавом без добавок.

Максимальна усадка, мінімальна пористість та розмір карбідних зерен сплавів досягаються у інтервалі температур 1400-14500С та при тривалості ізотермічної витримки 40-60 хв.

У четвертому розділі досліджено жаростійкість сплавів на основі складного карбіду титану та ніобію із вихідним вмістом нікель-хромової зв'язки 10, 18, 24 %(мас.) та нітриду алюмінію 2 %(мас.) (спл. №7, 8, 9) на повітрі при температурах 1173, 1223, 1273, 1393 К та тривалості 6 год. Як критерій жаростійкості використано питомий приріст маси зразка сплаву. Встановлено, що введення у сплав 24 %(мас.) нікель-хромової зв'язки приводить до значного підвищення його жаростійкості (рис. 5).

Визначено кінетичні закономірності окиснення в умовах ізотермічного нагрівання (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al сплавів протягом шести годин при 1173, 1223, 1273 та 1393 К. Для обробки експериментальних даних були використані кінетичні рівняння виду:

- початковий період: g=k1ln(+Н); (1)

- середній період: g=k2(+Н); (2)

- кінцевий період: g2=k3(+Н); (3)

де g - питомий приріст маси зразка; k1, k2, k3 - константи швидкості окиснення; - тривалість окиснення при постійній температурі; Н - час нагрівання зразка до заданої температури.

Встановлено, що у температурному інтервалі 1173-1273 К процес окиснення протягом початкового періоду (1,5-2 год.) описується логарифмічним рівнянням (1), середнього (2-4,5 год.) - лінійним (2), кінцевого (3,5-6 год.) - параболічним (3). При температурі 1393 К окиснення описується параболічним рівнянням (3). За константами швидкості окиснення розраховано позірну енергію активації процесу окиснення.

Оцінка жаростійкості сплавів на основі карбідів металів лише за величиною питомого приросту маси зразків не завжди відображає реальну картину процесу окиснення, оскільки крім збільшення маси зразка, що обумовлено утворенням оксидів металів, одночасно може відбуватися зменшення його маси за рахунок видалення газоподібних продуктів реакції окиснення карбідів. Тому важливим є дослідження структури окиснених шарів та їх морфології. Металографічними дослідженнями поперечних та косих зрізів окиснених зразків виявлено, що в результаті окиснення сплавів (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al при температурах 1173, 1223, 1273 та 1393 К утворюються зовнішній та внутрішній окиснені шари. Проте, у структурі зовнішнього окисненого шару за ознаками кольору, пористості, мікротвердості, фазового та хімічного складу виділяється проміжний підшар (рис.6).

Дослідження товщини окиснених шарів показало, що шари ростуть і назовні, і всередину (рис.6). Виявлено, що збільшення вмісту зв'язки приводить до зменшення товщини окиснених шарів.

Досліджено фазовий та хімічний склад окиснених шарів. Встановлено, що основною їх фазою є рутил TiО2. Проміжний підшар є багатофазною оксидною системою, що містить: TiО2, Ti2O3, Nb2O5, NiTiО3, Cr2O3. Особливістю складу внутрішнього шару є наявність фаз перехідного складу TiО2-х та твердого розчину на основі нікелю.

МРСА досліджено розподіл елементів в окиснених шарах сплавів після окиснення протягом шести годин при 1393 К. Встановлено, що концентрація хрому у внутрішньому окисненому шарі сплаву з 24 %(мас.) Ni-Cr зв'язки становить близько 19 %(ат.), а концентрація хрому у такому ж шарі сплаву з 10%(мас.) Ni-Cr зв'язки становить 6-8 %(ат.). Підвищена концентрація хрому (7-11 %(ат.)) у внутрішньому окисненому шарі сплаву з 24 % (мас.) Ni-Cr зв'язки спостерігається вже після двох годин окиснення при 1273 К. Збільшення вмісту хрому у сплаві, згідно даних пошарового рентгенофазового аналізу, приводить до утворення його оксиду у внутрішньому окисненому шарі. При вмісті хрому у сплаві 6 % (мас.) на поверхні розділу окиснений шар - сплав утворюється суцільний шар оксиду хрому, що є дифузійним бар'єром для кисню. При цьому значно зменшується товщина внутрішнього окисненого шару та швидкість окиснення (рис. 5, 6).

Дослідження структури, морфології, фазового та хімічного складу окиснених шарів дозволили виявити особливості їх формування. Початковий період окиснення, що описується логарифмічним рівнянням (1), характеризується переважним окисненням металів зв'язки. Зміна логарифмічної закономірності процесу окиснення на лінійну супроводжується зміною механізму окиснення. Внаслідок розкладання оксикарбідної фази у внутрішніх окиснених шарах стадією, що лімітує процес окиснення, стає процес вигоряння вуглецю, енергія активації якого близька до отриманих значень для лінійної ділянки залежності g- (рис.5). Початок лінійної ділянки залежності g- збігається з моментом появи пористості на межі зовнішнього і внутрішнього окиснених шарів. Лінійне рівняння добре описує окиснення сплаву при температурах 1173-1273 K, поки товщина окиснених шарів не перевищує 40 мкм (рис. 6). Надалі, по мірі росту й ущільнення зовнішнього окисненого шару, окиснення може лімітуватися дифузією кисню або катіонів металів. При цьому експериментальні дані добре описуються параболічним законом. Енергія активації, розрахована з параболічних констант швидкості окиснення, збільшується до 218 - 316 кДж/моль, що близько до значень енергії активації дифузії кисню або титану в рутилі.

Порівняння питомого приросту маси різних сплавів показало, що жаростійкість сплаву із 24 %(мас.) Ni-Cr зв'язки (спл.№9) вища, ніж безвольфрамового сплаву ТН20 та компактного карбіду титану (рис.7).

У п'ятому розділі досліджено фізико-механічні та експлуатаційні властивості сплавів. З метою оцінки якості та працездатності твердих сплавів досліджено комплекс фізико-механічних властивостей: границі міцності при згині та стиску, твердість, в'язкість руйнування, термічний коефіцієнт лінійного розширення та термостійкість.

Залежності границі міцності при згині зг та твердості за Віккерсом HV5 від вмісту карбіду ніобію у досліджуваних сплавах приведено на рис.8. При збільшенні вмісту NbC у сплаві підвищуються міцність та твердість, що вказує на структурні перетворення у карбідній фазі та зв'язці. Вищі значення вказаних властивостей мають сплави, отримані за технологічним варіантом Б. Встановлено, що введення у сплав складного карбіду титану та ніобію та нітриду алюмінію підвищує характеристики міцності на 20-35 % (рис.8). При введенні нікеліду алюмінію міцність сплаву залишається на тому ж рівні, а твердість за Віккерсом є меншою на 70-100 МПа. При збільшенні кількості Ni-Cr зв'язки твердість зменшується, а границя міцності при згині досягає максимуму при 18 %(мас.).

Результати досліджень показали, що значення показника в'язкості руйнування Kіс досліджуваних сплавів з вмістом Ni-Cr зв'язки 18 % (мас.) та добавками нітриду та нікеліду алюмінію (спл. № 8, 10), отриманих за технологічним варіантом А становили 6,8-8,1 МПам1/2, а за варіантом Б - 10,2-12,4 МПам1/2. При збільшенні Ni-Cr зв'язки спостерігається ріст величини Кіс.

Мікрофрактографічним аналізом виявлено, що руйнування сплавів відбувається як по границях зерен, так і безпосередньо по зерну. Порівняння мікроструктури сплавів з різним вмістом зв'язки показало, що у сплавах з 10% (мас.) Ni-Cr зв'язки переважають елементи міжзеренного крихкого руйнування. Збільшення вмісту Ni-Cr зв'язки до 18 - 24 % (мас.) приводить до зменшення розміру фасеток на зламі та збільшення елементів в'язкого руйнування, що дозволяє використовувати їх у більш складних умовах експлуатації.

Дослідження на термостійкість показали, що сплави із 18 та 24 % (мас.) Ni-Cr зв'язки (спл.№8 та №9) витримують більший перепад температур, ніж сплав із 10 % (мас.) (спл.№7), а з них сплав з вмістом зв'язки 24 % (мас.) витримує більшу кількість термоциклів. Оцінку термостійкості сплавів проведено за критерієм максимальних напружень та енергетичним критерієм.

Проведеними дослідженнями встановлено, що найвищий рівень властивостей має сплав (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al (спл.№8): зг=1100 МПа; cт=3800 МПа; HRA=91,5; HV5=1720 МПа, Kic=12,4 МПам1/2, =8,510-6 0С-1. Визначено, що оптимальними режимами спікання даного сплаву, які забезпечують поєднання високих значень міцності та твердості, є температура спікання 1400 0C та тривалість ізотермічної витримки 40 хв.

Дослідження експлуатаційних властивостей сплавів при різанні проводилось при чистовій та напівчистовій обробці конструкційних сталей при торцевому та поздовжньому точінні без змащувальної охолоджувальної рідини. Для порівняння використано різальні пластини із стандартних твердих сплавів Т15К6 (WC-TiC-Co) та ТН20 (TiC-Ni-Mo).

При торцевому точінні встановлено, що пластини із досліджуваних сплавів на основі карбідів титану та ніобію можуть працювати при швидкостях різання в 1,24-1,56 рази вищих, ніж пластини з сплаву Т15К6. Середня критична швидкість різання сплавом Т15К6 становила 430 м/хв, а досліджуваними сплавами - 590 м/хв. (табл.3). При поздовжньому точінні при критерію зношування по задній поверхні 0,3 мм стійкість інструменту із розробленого сплаву із вмістом Ni-Cr зв'язки 10 % (мас.) (спл. №7) виявилася вищою у 2-2,5 рази, ніж стійкість інструменту із стандартного твердого сплаву Т15К6 (рис.9).

Таблиця 3 - Критичні швидкості різання Vкр. при торцевому точінні

Сплав	Вихідний вміст зв'язки, %(мас.)	Vкр., м/хв.	Режим різання (обр. мат. Сталь 50)
(Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al (спл. №7)	10	595-615	n=630; 800; 1000 м/об., s=0,5 мм/об., t=1,0 мм
(Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al (спл. №8)	18	559-605
(Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al (спл. №9)	24	565-609
WC-TiC-Co (T15K6)	6	358-495

Результати дослідження експлуатаційних властивостей розроблених безвольфрамових твердих сплавів дозволяють рекомендувати сплав на основі карбідів титану та ніобію з 10-18 % (мас.) нікель-хром-алюмінієвої зв'язки для заміни стандартного сплаву Т15К6 на чистових та напівчистових токарних операціях обробки деталей з конструкційних вуглецевих сталей. Положення області використання розроблених сплавів за стандартом ISO 513:1991 визначено як P15…P25.



Висновки

1. Розроблено та досліджено безвольфрамові тверді сплави на основі складного карбіду титану та ніобію з нікель-хром-алюмінієвою зв'язкою. Оптимізовано хімічний склад та технологічні режими спікання сплавів. Встановлено, що введення у склад сплавів складного карбіду (Ti, Nb)C та добавки AlN активує процес спікання, зменшує пористість та приводить до утворення дрібнозернистої структури сплаву. Максимальна усадка сплаву (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al досягається при вмісті 10 %(мас.) NbC та 2 % (мас.) AlN.

2. Визначено особливості структури та фазового складу сплавів. Встановлено, що основними фазами сплавів (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al є складний карбід (Ti, Nb)C та твердий розчин заміщення на основі нікелю. Легування карбіду титану карбідом ніобію зменшує розчинність тугоплавкої основи у металевій зв'язці сплаву, що гальмує ріст карбідних зерен в процесі перекристалізації через рідку фазу. Обмежена розчинність хрому у тугоплавкій фазі (Ti, Nb)C сприяє зменшенню взаємодії металевої зв'язки з тугоплавкою фазою.

3. Встановлено, що підвищення міцності та отримання високих показників твердості та в'язкості руйнування сплавів на основі складного карбіду (Ti, Nb)С досягається за рахунок зменшення пористості та розмірів карбідних зерен. Дослідження фізико-механічних властивостей сплавів показало, що підвищені їх значення: зг=1100 МПа, ст=3800 МПа, HRA=91,5, HV5=1720 МПа, Kіс=12,4 МПам1/2 має сплав на основі (Ti, Nb)C із вихідним складом %(мас.): TiC - 68, NbC - 10, Ni - 13,5, Cr - 4,5, AlN - 2, який відзначається найбільш дрібнозернистою структурою.

4. Дослідження кінетики окиснення сплавів (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al на повітрі за критерієм питомого приросту маси у температурному інтервалі 1173-1392 К показало, що підвищення вмісту Ni-Cr зв'язки від 10 до 24 % (мас.) у сплаві приводить до збільшення його жаростійкості в 2-2,5 рази при постійній температурі нагрівання. Жаростійкість сплаву на основі (Ti, Nb)C із вихідним складом, %(мас.): TiC - 64, NbC - 10, Ni - 18, Cr - 6, AlN - 2 вища, ніж стандартних карбідовольфрамових твердих сплавів, компактного карбіду титану та безвольфрамового твердого сплаву марки ТН-20.

5. Досліджено фазовий склад, морфологію, кінетичні закономірності та механізм формування окиснених шарів сплавів (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al. На початковій стадії (1,5-2 год.) відбувається переважне утворення оксидів металів зв'язки сплаву, в подальшому утворюються два окиснені шари на основі рутилу TiO2: зовнішній та внутрішній. При вмісті у вихідному складі хрому 4,5 та 6 % (мас.) на межі внутрішнього окисненого шару з сплавом утворюється суцільний шар оксиду хрому, що приводить до зменшення швидкості окиснення сплаву. В результаті дифузійного потоку катіонів металів у зовнішньому окисненому шарі після 5-6 годин окиснення при досліджуваних температурах формується бар'єрний щільний проміжний підшар з високою концентрацією Nb, Ni, Cr, що змінює лімітуючу стадію окиснення сплаву на дифузію кисню або катіонів металів до реакційної поверхні.

6. Дослідження ріжучих властивостей показали, що розроблені безвольфрамові тверді сплави системи (Ti,Nb)C-Ni-Cr-Al можуть ефективно застосовуватись для заміни карбідовольфрамового твердого сплаву Т15К6 як інструментальний матеріал для ріжучих пластин для обробки конструкційних вуглецевих сталей на чистових та напівчистових токарних операціях із швидкістю різання до 600 м/хв, а також для виготовлення зносостійких деталей технологічного оснащення для обробки металів тиском, що працюють в умовах підвищених температур.



Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1. Лазарюк В. Дослідження впливу карбіду ніобію на властивості твердого сплаву TiC-Ni-Cr // Вісник Тернопільського державного технічного університету. -Том. 3, число 4 . -1998. -С.132-136.

2. Бодрова Л.Г., Крамар Г.М., Лазарюк В.В., Самогальський І.І., Загуляк Я.І. Безвольфрамові тверді сплави. Сучасні тенденції розвитку // Вісник Тернопільського державного технічного університету.-2000.-Т.5.-№2.-С.16-28. Особистий вклад здобу-вача - аналіз фізико-механічних властивостей твердих сплавів на основі карбіду титану.

3. Бодрова Л.Г., Крамар Г.М., Лазарюк В.В., Самогальский И.И. Твердые сплавы на двойной карбидной основе // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научн. трудов. -Донецк:ДонГТУ, 2000. Вып.11.-С.89-93. Особистий вклад здобувача - дослідження та аналіз фізико-механічних властивостей твердого сплаву на основі карбідів титану та ніобію.

4. Бодрова Л.Г., Крамар Г.М., Кислий П.С., Лазарюк В.В. Особенности спекания керметов на основе карбидов титана, ванадия и ниобия // Сверхтвердые материалы.-2001.-№4.-С.45-49. Особистий вклад здобувача - аналіз впливу карбіду ніобію на процес спікання твердого сплаву TiC-Ni-Cr.

5. Бодрова Л.Г., Бодров В.П., Лазарюк В.В. Высокотемпературное окисление твердого сплава на основе карбидов титана и ниобия с никель-хромовой связкой // Сверхтвердые материалы. - 2002.- №1. - С.58-66. Особистий вклад здобувача - розрахунок кінетики окиснення, аналіз морфології, структури, фазового складу та механізму формування окиснених шарів.

6. Бодрова Л, Крамар Г., Лазарюк В. Фізико-механічні властивості безвольфра-мових твердих сплавів на подвійній карбідній основі // Вісник Тернопільського державного технічного університету, 2002, том 7, №3. С.9-16. Особистий вклад здобувача - проведення випробувань твердих сплавів на міцність та тріщиностій-кість, участь у обговоренні результатів та висновків.

7. Лазарюк В.В., Бодрова Л.Г., Крамар Г.М., Кривий П.Д., Шарик М.В. Експлуатаційні властивості твердих сплавів на оcнові карбідів титану, ніобію та ванадію // Трибофатика: Пр. 4-ого Міжнародного симпозіуму з трибофатики, Тернопіль: ТДТУ, 2002. том 2, с.749-752. Особистий вклад здобувача - постановка задач дослідження, випробування твердих сплавів на стійкість при різанні.

8. Бодров В.П., Бодрова Л.Г., Лазарюк В.В. Кінетичні закономірності високотемпературного окиснення на повітрі кермету TiC-10NbC-24NiCr // Наукові записки Тернопільського державного педагогічного університету. Серія: Хімія. Вип.3.-1999.-С.37-45. Особистий вклад здобувача - аналіз кінетики окиснення, структури та фазового складу окиснених шарів твердого сплаву на основі карбідів титану та ніобію з вмістом нікельхромової зв'язки 24 %(мас.).

9. Бодров В.П., Бодрова Л.Г., Лазарюк В.В. Залежність кінетичних характеристик керметів на основі карбідів титану та ніобію від вмісту нікель-хромової зв'язки // Наукові записки Тернопільського державного педагогічного університету.-2000.-Вип.4.-С.30-34. Особистий вклад здобувача - аналіз кінетичних характеристик окиснення твердих сплавів на основі карбідів титану та ніобію.

10. Bodrova L., Lazaryuk V., Kramar H. Properties and Composition of the TiC-NbC Based Cemented Carbides // Proc. of 1998 Powder Metallurgy World Congress & Exhibition, Granada (Spain). -London:EPMA. -1998.-P.105-109. Особистий вклад здобувача - аналіз результатів досліджень фазового складу, механічних властивостей та жаростійкості твердих сплавів на основі карбідів титану та ніобію.

11. Bodrova L., Bodrov V., Lazaryuk V., Mul E. Scale-resistance of the TiC-NbC-24 NiCr hard metal in air // Solution of Corrosion Problems in Advanced Technologies: Book of abstracts of European Corrosion Congress (EUROCORR'99), Aachen (Germany). - Aachen:DECHEMA. -1999.-P.66. Особистий вклад здобувача - аналіз кінетики росту окиснених шарів твердого сплаву на основі карбідів титану та ніобію.

12. Bodrova L.G., Lazaryuk V.V., Bodrov V.P. Kinetics of high-temperature oxidation of the alloys based on titanium and niobium carbides // Proceeding of the 15th Int. conf. “Corrosion in power industry'98”, Kosice, (Slovac Republic). -Kosice:IMRSAS.-1998.-Р.49-53. Особистий вклад здобувача - аналіз взаємозв'язку між кінетичними характеристиками окиснення та товщиною окиснених шарів твердого сплаву на основі карбідів титану та ніобію.

13. Lazaryuk V., Varyan A., Tymoshchuk D. Health and scale-resistance of free-tungsten alloys based on titanium and niobium carbides // Proceeding of the 3th Int. conf. ''Metallurgy Junior'98'', Kosice (Slovac Republic).-Kosice: IMRSAS.-1998.-P.51. Особистий вклад здобувача - аналіз експериментальних досліджень термостійкості твердих сплавів на основі карбідів титану та ніобію.

14. Лазарюк В., Бодрова Л., Вар'ян, Тимощук Д. Термо- та жаростійкість безвольфрамових твердих сплавів на основі карбідів титану та ніобію // Тези доп. III наук.-техн. конф. ТДТУ ''Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні''. -Тернопіль:ТДТУ.-1998.-С.72. Особистий вклад здобувача - аналіз результатів досліджень жаростійкості твердих сплавів на основі карбідів титану та ніобію.

15. Лазарюк В., Бодрова Л. Дослідження процесу спікання твердого сплаву на основі карбідів титану та ніобію // Тези доповідей IV наук.-техн- конф- ТДТУ "Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні". -Тернопіль:ТДТУ. -2000.- C.29. Особистий вклад здобувача - проведення експери-менту та аналіз кінетичних характеристик процесу спікання твердих сплавів.

16. Lazaryuk V.V. Phase composition and structure of surface layers of TiC-based cermet at high temperatures // Abstracts of European Conference Junior Euromat 2000, Lausanne (Switzerland). -Lausanne:FEMS. -2000. -P.113.

17. Bodrova L.G., Bodrov V.P., Lazaryuk V.V., Mul E.V. Effect of Ni-Cr Binder Content on Scale-resistance of Cermets based on Titanium and Niobium Carbides // Past Successes - Future Challenges: Book of Abstracts of European Corrosion Congress (EUROCORR'2000), London (UK). -London:IOM-2000. - P.79. Особистий вклад здобувача - аналіз впливу вмісту нікель-хромової зв'язки на механізм формування окиснених шарів твердих сплавів.

18. Лазарюк В., Бодрова Л., Бодров В. Жаростійкість керметів на основі карбідів титану та ніобію // У зб. “П'ятий міжнародний симпозіум українських інженерів - механіків у Львові: Тези доповідей”.- Львів: Кінпарті лтд. - 2001.-C.126-127. Особистий вклад здобувача - аналіз кінетики окиснення та росту окиснених шарів твердих сплавів на основі карбідів титану та ніобію.

19. Бодрова Л., Крамар Г., Лазарюк В., Самогальський І., Бугра М. Кермети на полікарбідній основі // Материалы международной научно-технической конференции “Сверхтвердые материалы на рубеже тысечелетий: получение, свойства, применение". -Київ:ГПИПЦ Алкон. 2001.- C.102-103. Особистий вклад здобувача - аналіз впливу карбіду ніобію на структуру та фізико-механічні властивості твердих сплавів на основі карбідів титану та ніобію.

20. Bodrova L., Kramar H., Lazaryuk V. Relationship between structure, properties and fracture mechanisms of the double carbide based cermets // Proceeding of Int. Conf. "Deformation and Fracture in Structural PM Materials". -Stara Lesna (Slovac Republic). -Kosice:IMRSAS. -2002. -P.55-60. Особистий вклад здобувача - аналіз взаємозв'язку між структурою та механічними властивостями твердих сплавів на основі карбідів титану та ніобію.

21. Бодрова М., Лазарюк В., Кривий П.Д. Вплив легуючих добавок на структуру твердого сплаву TiC-Ni-Cr // Матеріали VIІ наук.-техн. конф. ТДТУ. -Тернопіль:ТДТУ. -2003. -С. 107. Особистий вклад здобувача - статистичний аналіз розмірів карбідних зерен в мікроструктурі твердих сплавів.



Анотація

Лазарюк В.В. Розробка та дослідження жаростійких безвольфрамових твердих сплавів (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.06 - Порошкова металургія та композиційні матеріали. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2004.

Розроблено та досліджено безвольфрамові тверді сплави на основі складного карбіду титану та ніобію з нікель-хром-алюмінієвою зв'язкою. Оптимізовано хімічний склад та технологічні режими спікання сплавів.

Встановлено, що легування карбіду титану карбідом ніобію зменшує розчинність тугоплавкої основи у металевій зв'язці сплаву, що уповільнює ріст карбідних зерен. Обмежена розчинність хрому у тугоплавкій фазі (Ti, Nb)C сприяє зменшенню взаємодії металевої зв'язки з тугоплавкою основою.

Підвищення міцності та отримання високих показників твердості та в'язкості руйнування сплавів досягається за рахунок подрібнення структури, зменшення пористості та розмірів карбідних зерен.

Дослідження кінетики окиснення сплавів на повітрі у температурному інтервалі 1173-1392 К показало, що сплав із 24 %(мас.) Ni-Cr зв'язки характеризується вищою жаростійкістю, ніж у карбіду титану та сплавів ТН20 та Т15К6. Досліджено фазовий склад, морфологію, кінетичні закономірності та механізм формування окиснених шарів досліджуваних сплавів.

Розроблені безвольфрамові тверді сплави системи (Ti,Nb)C-Ni-Cr-Al можуть ефективно застосовуватись як інструментальний матеріал для заміни твердого сплаву Т15К6.

Ключові слова: безвольфрамовий твердий сплав, карбід титану, карбід ніобію, рідиннофазове спікання, мікроструктура, жаростійкість, окиснення, механічні властивості.



Аннотация

Лазарюк В.В. Разработка и исследование жаростойких безвольфрамовых твердых сплавов (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al. Рукопись. Диссертация на соискание ученого степеня кандидата технических наук по специальности 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы. - Национальный техни-ческий университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2004.

Разработаны и исследованы безвольфрамовые твердые сплавы на основе сложного карбида титана и ниобия с никель-хром-алюминиевой связкой. Оптимизирован химический состав и технологические режимы спекания сплавов.

Наибольшая усадка сплава наблюдается при содержании карбида ниобия 10% (мас.), независимо от способа его введения в сплав. При одновременном введении карбида ниобия и нитрида (или никелида) алюминия в результате интенсификации перегруппировки частиц тугоплавкой фазы достигается активация процесса спекания сплавов.

Микрорентгеноспектральным анализом выявлена кольцевая структура карбидных зерен, где ядро является твердым раствором карбидов титана и ниобия, а периферийная оболочка - твердым раствором ниобия, хрома, никеля на основе карбида титана. Установлено, что основными фазами сплавов являются сложный карбид (Ti, Nb)C и твердый раствор замещения на основе никеля. Легирование карбида титана карбидом ниобия уменьшает растворимость тугоплавкой основы в металлической связке сплава, что препятствует росту карбидных зерен. В отличие от сплавов системы TiC-Ni-Mo ограниченная растворимость хрома в тугоплавкой фазе (Ti, Nb)C приводит к снижению взаимодействия металлической связки с тугоплавкой фазой.

Статистическим анализом размеров карбидных зерен выявлен нормально-логарифмический закон их распределения и показано существенное влияние карбида ниобия, нитрида и никелида алюминия на микроструктуру сплава TiC-Ni-Cr. Среднее значение размеров карбидных зерен сплава (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al составляло 0,56 мкм, что на 22 % меньше по сравнению со сплавом без добавок.

Проведенными исследованиями установлено, что повышенный уровень свойств: изг=1100 МПа; сж=3800 МПа; HRA=91,5; HV5=1720 МПа, Kic=12,4 МПам1/2, =8,510-6 0С-1 имеет сплав на основе (Ti, Nb)C с 18%(мас.) Ni-Cr связки и добавкой нитрида алюминия в исходном составе. Установлено, что повышение прочности и достижение высоких показателей твердости и вязкости разрушения сплавов происходит за счет измельчения структуры, уменьшения пористости и размеров карбидных зерен. Установлен оптимальный режим спекания данного сплава: температура спекания 1400 0C, длительность изотермической выдержки 40 мин.

Исследование кинетики окисления сплавов (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al на воздухе в температурном интервале 1173-1392 К по критерию удельного прироста массы показало, что увеличение содержания Ni-Cr связки от 10 до 24 % (мас.) в исходном составе сплава приводит к увеличению его жаростойкости в 2-2,5 раза.

Металлографическими исследованиями окисленных образцов выявлены внешний и внутренний окисленные слои. В структуре внешнего окисленного слоя по признакам цвета, пористости, микротвердости, фазового и химического состава выделяется промежуточный подслой.

Выявлены особенности процесса высокотемпературного окисления сплавов и установлен механизм формирования окисленных слоев, согласно которому на начальном этапе (1,5-2 часа) происходит образование оксидов металлов связки сплава, а в дальнейшем образуются внешний и внутренний окисленные слои на основе рутила TiО2. Формирование во внешнем окисленном слое барьерного плотного промежуточного подслоя с высокой концентрацией Nb, Ni, Cr изменяет лимитирующую стадию окисления сплава на диффузию кислорода или катионов металлов к реакционной поверхности. При образовании сплошного слоя оксида хрома на границе внутреннего окисленного слоя со сплавом скорость окисления значительно уменьшается.

Проведенные исследования режущих свойств показали, что разработанные безвольфрамовые твердые сплавы системы (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al могут эффективно использоваться в качестве инструментального материала для замены карбидо-вольфрамового твердого сплава Т15К6 на операция чистовой и получистовой обработки конструкционных углеродистых сталей, а также для изготовления износостойких деталей технологической оснастки для обработки металлов давлением в условиях повышенных температур.

Ключевые слова: безвольфрамовый твердый сплав, карбид титана, карбид ниобия, жидкофазное спекание, микроструктура, жаростойкость, окисление, механические свойства.



Abstract

Lazaryuk V.V. Design and investigation of free-tungsten hard alloys (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al. Manuscript. Thesis on competition of a scientific degree of candidate of technical science degree on speciality 05.16.06 - Powder metallurgy and composite materials. - National technical university of Ukraine "Kyiv polytechnic institute", Кyiv, 2004.

The free-tungsten hard alloys based on the complex carbide (Ti, Nb)C with nickel-chromium-aluminum binder have been designed and investigated. The chemical compositions and technological parameters of sintering were optimised.

The alloying titanium carbide by niobium carbide decreases a solubility of the refractory base alloy in metal binder that suppresses the carbide grain growth. The limited solubility of chromium in the (Ti, Nb)C refractory base leads to a decrease of interaction between the metal binder and refractory phase.

Increase of strength and the high values of hardness and fracture toughness of the alloys are obtained at the expense of the structure refinement, a decrease of porosity and carbide grain size.

The high temperature oxidation kinetic of (Ti, Nb)C-Ni-Cr-Al alloys was investigated on air at the temperature interval 1173-1392 К. Increase of Ni-Cr binder content from 10 to 24 %(weight) raises the heat-resistance to 2-2,5 times. The phase's compositions, morphology, kinetic regularity and formation mechanism of the oxidised layers have been investigated.

An investigation of the cutting properties was shown that the designed free-tungsten alloys of (Ti,Nb)C-Ni-Cr-Al system effectively can use as the cutting tool material for substitution of T15K6 hard alloys based on the tungsten carbide.

Key worlds: free-tungsten hard alloys, titanium carbide, niobium carbide, liquid phase sintering, microstructure, heat resistance, oxidation, mechanical properties.

Размещено на Allbest.ru

...