Структуроутворення при взаємодії РЕЛІТу з розплавами сомофлюсівних сплавів на основі заліза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України, ”КПІ”

Структуроутворення при взаємодії РЕЛІТу з розплавами сомофлюсівних сплавів на основі заліза

УДК 621.793; 669.1

А.М. Степанчук, кандидат технічних наук, професор

М.Б. Шевчук, аспірант

Л.О. Бірюкович, кандидат технічних наук, доцент

030056, проспект Перемоги, 39; Тел.(044) 454-91-16;

E-mail: astepanchuk@iff-kpi.kiev.ua

Київ

Резюме

Досліджений вплив температури, часу та розміру гранул на структуру композиційних матеріалів, отриманих при взаємодії РЕЛІТу з розплавами самофлюсівних сплавів на основі заліза. Для вивчення структури матеріалів та визначення елементного складу фазових складових роботі застосовували растровий електронний мікроскоп РЕМ-106. Мікродюрометричні дослідження проводили вимірюванням мікротвердості за стандартною методикою. Встановлено, що між складовими композиційного матеріалу відбувається взаємодія з утворенням вторинних структур як з боку РЕЛІТу, так і з боку самофлюсівного сплаву. Фазовий склад і вигляд вторинних структур залежить від температури і часу взаємодії. Отже, змінюючи характеристики вихідних матеріалів та умови отримання КМ можна отримувати їх з заданою структурою та властивостями і, як наслідок, необхідними експлуатаційними характеристиками.

Abstract

The influence of temperature, time and size of granules on the structure of their compositions, material obtained by liquid-phase sintering WC_P - self-fluxing alloy on the iron base. To study the structure of the material and determine the elemental composition of the phase components of the work we used scanning electron microscope REM-106. Microhardness measurement we studies were performed by standard methods. Found that between the initial components are chemical-interaction and consequently change the microstructure formed with complex carbides type M₆C/M₁₂C. Shown that there are changes in the material matrix and in the WC_P granules. Thus, changing the characteristics of source materials and conditions of obtaining KM can get them from a given structure and properties and, consequently, the necessary performance.

Тепер у багатьох галузях науки і техніки знаходять застосування матеріали стійкі до агресивних навколишніх середовищ, до яких, перш за все необхідно віднести дію абразивів. Такі умови роботи деталей машин і механізмів мають місце в гірничодобувній, металургійній, будівельній та багатьох інших галузях промисловості [1,2]. До таких деталей можна віднести відбійні плити та робочі елементи подрібнювачів, колосникові решітки доменних печей, робочі елементи землерийної техніки, елементи подрібнювачів кормів для тварин. Для виготовлення таких деталей часто використовують високолеговані сталі та чавуни [3,4]. Але у багатьох випадках дія зовнішніх агресивних середовищ розповсюджується тільки на поверхню деталей або окремі її фрагменти у межах допустимого зносу. Підвищити працездатність таких поверхонь деталей можливо шляхом створення на них покриттів з матеріалів, які мають високу стійкість проти дії агресивних зовнішніх факторів. У цьому випадку для виготовлення самої деталі можна використовувати матеріали значно меншої вартості при одночасному значному збільшенні ресурсу їх роботи.

Особливе місце займають покриття, які захищають робочі поверхні від абразивного або газоабразивного зносу при наявності ударних навантажень. Часто для їх створення використовують композиційні матеріали (КМ) за участю твердих тугоплавких сполук (ТТС) і їх сплавів та металевої зв'язки [5-9].

Перспективними є КМ за участю гранул з литих тугоплавких сполук [10,11] та самофлюсівних сплавів (СФС) на основі нікелю та заліза, доцільність застосування яких при отриманні зносостійких покриттів показана нами в попередніх роботах та роботах інших авторів [4,12,13,14,15].

Використання литих тугоплавких сполук, зокрема РЕЛІТу, зумовлено високою міцністю їх зерен на роздавлювання та стійкістю проти газоабразивного зношування [9,16,17,18].

Самофлюсівні сплави (СФ) при створенні виробів та покриттів з композиційних матеріалів застосовують як металеве зв'язуюче. При цьому більш перспективними є СФ на основі заліза (СФЗ), які при збереженні властивостей (високі твердість, модуль пружності, зносостійкість) характерних для СФ на основі нікелю мають значно меншу собівартість [11,14] у зв'язку з використанням для їх виготовлення недефіцитних матеріалів (феросплавів). Тому розробка нових зносостійких матеріалів та виробів і покриттів з них за участю СФЗ є актуальною і перспективною задачею. самофлюсівний сплав мікротвердість

Однією з важливих проблем, яку доводиться вирішувати при розробці нових КМ є сумісність їх складових. Процеси взаємодії між металевою матрицею і ТС в значній мірі впливають на кінцеві властивості КМ [9,10,13,17,18,19].

У більшості випадків при їх створенні в тій чи іншій мірі має місце взаємодія між складовими. При цьому ступінь взаємодії впливає на кінцеві властивості композиційного матеріалу за рахунок зміцнення того чи іншого компоненту або навпаки, зменшення їх міцності. Властивості вихідних матеріалів також можуть залишатися незмінними [19,20]. Але обов'язковою умовою є якісний зв'язок межі фазових складових. При цьому підвищенню його якості сприяє відсутність градієнту властивостей складових або зменшення його у процесі створення матеріалу [9,16,20].

Враховуючи викладене вище, в роботі досліджувались процеси взаємодії між гранулами РЕЛІТу і розплавом СФЗ при створенні за їх участю композиційних матеріалів з метою встановлення фундаментальних засад формування властивостей останніх.

Композиційні матеріали отримували просоченням вібраційно ущільнених гранул з РЕЛІТу розплавом СФЗ. Характеристики вихідних матеріалів наведені в таблиці 1. Процес проводили за температури 1100, 1200, 1300°C і часу ізотермічної витримки 15, 30, 45 хв. на повітрі.

Досліджувалась структура отриманих КМ, елементний склад фазових складових, розподіл елементів в зоні взаємодії, мікродюрометричні дослідження. Для вивчення структури матеріалів та визначення елементного складу фазових складових застосовували растровий електронний мікроскоп РЕМ-106. Мікродюрометричні дослідження проводили вимірюванням мікротвердості за стандартною методикою [21] з використанням мікротвердоміра ПМТ-3 при навантаженні на індентор 100 г і часі витримки при навантаженні 5 с.

Для встановлення впливу кінетичних та температурних параметрів на процеси зміни структури складових КМ були досліджені вихідні матеріали. Так вивчення мікроструктури СФЗ (рис. 1, а) показало, що вона близька до евтектичної і згідно роботи [11] складається з аустенітної матриці та евтектики до складу якої входять залізо, нікель, хром, вуглець, кремній та карбобориди типу МеВ(С)₂, які можуть бути ідентифіковані як (Fe,Ni,Cr,Si)₂(B,C) [11].

У наслідок визначення елементного складу фазових складових СФЗ (табл.1) можна стверджувати, що його матриця складається з Fe-Ni-Cu сплаву (рис.1, б - точки 1, 4 ) та евтектик (точки 2, 3) на основі заліза та карбоборидів Сr, Fe, Mo, і на основі Fe-Mo відповідно.

Мікроструктура РЕЛІТу (рис 1, в) в основному складається з білої фази пронизаної сірими продовгуватими (голкоподібними) включеннями. Ці структурні складові можуть бути ідентифіковані як суміш фаз WC та W₂C, що узгоджується зі структурою описаною в літературі [18], та підтверджується локальним аналізом (рис 1, в - точки 1,2), результати якого наведені в таблиці 1.

а - структура СФЗ; б - локальний аналіз фазових складових СФЗ; в - локальний аналіз фазових складових РЕЛІТу

Рисунок 1 - Структура вихідних компонентів

Вимірювання інтегральної мікротвердості показали, що вона лежить у межах 22-25 ГПа для фазових складових РЕЛІТу і 8,5-9,5 ГПа для матричної фази СФЗ, що узгоджується з літературними даними [22].

Таблиця 1 - Результати локального хімічного аналізу

Мікроструктурні дослідження композицій показали що на ступінь взаємодії РЕЛІТу з СФЗ впливає температура, розмір гранул, їх форма, склад розплаву та тривалість взаємодії. Отримані композиційні матеріали мають стовідсоткову щільність та гетерофазну структуру (рис. 2).

Мікроструктура композиційного матеріалу отриманого при температурі 1100°С складається з рівномірно розподілених гранул РЕЛІТУ в матриці з СФЗ (рис. 2, а). При цьому мікроструктура та мікротвердість матеріалу зв'язки та зміцнюючої фази відповідає структурі та мікротвердості вихідних матеріалів. Середня мікротвердість РЕЛІТу складає 22-23 ГПа а металевої матриці СФЗ - 9,0-9,5 ГПа.

а - 1100; б - 1200; в - 1300

Рисунок 2 - Залежність структури КМ від температури (⁰С) при часі взаємодії 15 хв.

При підвищенні температури до 1200°С відбувається незначна зміна мікроструктури гранул РЕЛІТу (рис. 2, б). По всьому периметру з'являється темна зона, яка збіднена вольфрамом та збагачена залізом, хромом та нікелем. Поряд з розчиненням гранул РЕЛІТу (табл. 2, точка 4) відбувається насичення матриці тугоплавкою складовою з утворенням нових фазових складових (табл. 2, точка 1), в порівнянні з вихідними структурами, що також підтверджується зміною хімічного складу новоутворених фаз (табл. 2) Мікротвердість перехідної зони складає 11-15 ГПа і монотонно зростає до центру гранули, що можна пояснити виходячи з градієнтної структури утвореної перехідної зони. Можна стверджувати що відбувається поступова зміна фазового складу вихідних гранул РЕЛІТу з утворенням на границі складного карбіду, причому частка карбіду вольфраму з наближенням до периферії зменшується, що підтверджується розподілом елементів в зоні контакту представленому на рисунку 3.

Таблиця 2 - Результати локального хімічного аналізу

З результатів аналізу елементного складу наведених в таблиці 2, рентгенофазового аналізу (рис. 4) та на основі літературних даних [ 6, 17, 20, 22] можна стверджувати, що утворена нова фаза є складним карбідом типу M₆C (M₁₂C ) - W₃Fe(Cr)₃C, що також узгоджується з псевдобінарним перетином WС-Fe(Ni) потрійних діаграм стану W-С-Fe(Ni, Cr) [22].

1 - W; 2 - Fe; 3 - Si; 4 - Ni; 5 - Cr

Рисунок 3 - Розподіл елементів в КМ за участю СФЗ та РЕЛІТу

При мікроструктурних дослідженнях (рис. 3,4) зафіксовано, що при взаємодії РЕЛІТу з СФЗ відбувається розчинення переважно однієї його фазової складової. Це може бути зумовлено тим, що, при взаємодії з металами тріади заліза (Fе, Со, Ni) карбіди перехідних металів виступають, як донори електронів [23]. При цьому донорна здатність карбідів збільшується зі збільшенням нелокалізованої частки електронів в них. Тому, якщо порівнювати карбіди вольфраму WC та W₂C, то за рахунок того, що частка нелокалізованих електронів у кабіді W₂C нижча ніж у WC [22, 23], останній має підвищену схильність до контактної взаємодії з металами як у твердій фазі, так і в розплавленому стані. Таким чином можна стверджувати, що у нашому випадку при взаємодії РЕЛІТу з розплавом СФЗ у першу чергу в ньому буде розчинятись WС [23].

Мікротвердість металевої матриці (СФЗ) КМ отриманих за температури 1200⁰С ще більше зменшується і у середньому складає 7,4 - 8,1 ГПа. Це може бути зумовлено тим, що підвищення температури термічно активує процеси проникненням заліза та хрому в матеріал гранул (табл. 2, точки 1,4) і утворення складних карбідів за їх участю і участю вольфраму. Наслідком є збіднення матеріалу матриці залізом та хромом і зменшення в ньому їх карбідів, які сприяють підвищенню його твердості. Одночасно відбувається відносне збагачення матеріалу матриці нікелем (табл.2, точка 2), який, як відомо [23], не утворює карбідів. Останнє також має приводити до зменшення мікротвердості.

А- нерозпізнана фаза

Рисунок 4 - Рентгенограма композиту РЕЛІТ-СФЗ

При збільшенні температури до 1300°С структура КМ продовжує еволюціонувати за рахунок інтенсифікції дифузійних процесів та масопреносу (рис.3,в). Ширина зони взаємодії РЕЛІТ - СФЗ значно збільшується а кількість вторинної фазової складової, ідентифікованих нами як складний карбід W₃Fe(Cr)₃C, зростає і розміщуються практично по всьому об'єму металевої матриці. Мікротвердість перехідної зони монотонно зменшується від мікротвердості чистого РЕЛІТу до 12-16 ГПа на межі з матеріалом матриці. Також має місце лінійна залежність зменшення вмісту заліза, нікелю, хрому по ширині зони взаємодії в глибину гранули РЕЛІТу. Мікротвердість матриці зменшується у порівнянні з мікротвердістю вихідного СФЗ і складає 6,5 -7,0 ГПа.

Дослідження впливу розміру фракції РЕЛІТу на процеси взаємодії показують, що при зменшенні його вони інтенсифікуються (рис. 5). Кількість вторинних фаз в металевій матриці збільшується. Це може бути зумовлено тим, що зі зменшенням розміру гранул збільшується їх питома поверхня [24]. Це сприяє збільшенню площі контакту з розплавом, що сприяє інтенсифікації процесів масоперенесення і, тим самим, утворенню більшої кількості нових фазових утворень.

Також помітна залежність процесів структуроутворення від форми гранул РЕЛІТу. Більш інтенсивно відбувається розчинення гранул в місцях вершин з гострими кутами (великою кривизною) (рис. 5, б).

а - 358; б - 258

Рисунок 5 - Вплив середнього розміру гранул (мкм) на структуру КМ при часі взаємодії 15 хв.

Це пояснюється більшим вмістом дефектів кристалічної будови в цих місцях, що сприяє активуванню дифузійної рухливості атомів. Крім того, зміна кривизни поверхні буде приводити до зміни хімічного потенціалу, який може бути визначений за формулою [24]:

,

де R - радіус кривизни.

Зменшення радіуса кривизни (збільшення кривизни) поверхні приводить до його збільшення і, як наслідок, до більшої активності таких поверхонь гранул [22,24].

В роботі було встановлено, що ступінь взаємодії РЕЛІТу з розплавом СФЗ також залежить, при інших однакових умовах, від часу ізотермічної витримки. З його збільшенням еволюція мікроструктури відбувається так само як і при збільшенні температури. При збільшенні часу ізотермічної витримки до 30 хв. в структурі КМ поряд з початковими дендритними утвореннями в СФЗ, які виникають після взаємодії протягом 15 хв. (рис. 6, а), починають формуватись кристали більш правильної форми (рис. 6, б).

При збільшенні часу витримки до 45 хв. (рис. 6, в) в структурі металевої матриці (СФЗ) в основному присутні кристали складного карбіду W₃Fe(Cr)₃C рівноважної форми, що швидше за все, пов'язано з більшим насиченням розплаву СФЗ тугоплавкою складовою композиту. Останнє підтверджується локальним мікрозондовим аналізом, результати якого наведені в таблиці 3.

а - 15; б - 30; в - 45

Рисунок 6 - Залежність структури КМ від часу просочення (хв.) при температурі 1200°C

Таблиця 3 - Результати локального хімічного аналізу вторинних карбідів при збільшенні часу витримки

Висновки

Встановлено, що на процес формування структури КМ за участю РЕЛІТу та СФЗ впливають температура та тривалість процесу просочення, характеристики гранул твердої складової.

Виявлено, що при просоченні гранул РЕЛІТу розплавом СФЗ відбуваються процеси взаємодії, які супроводжуються переважним розчиненням карбіду вольфраму (WС) в розплаві СФЗ та збагаченням його вольфрамом. Як наслідок в структурні КМ утворюються нові фазові складові, які ідентифікуються як складні карбіди типу M₆C(M₁₂C)-W₃Fe(Cr)₃C. Спостерігається також зворотнє розчинення заліза та хрому в РЕЛІТі. Як наслідок на межі фаз утворюються перехідна зона з плавною зміною хімічного складу та твердості. Збільшення температури, часу просочення та зменшення розміру гранул РЕЛІТу сприяє інтенсифікації цих процесів.

Таким чином, змінюючи характеристики вихідних матеріалів та умови отримання КМ за участю РЕЛІТу та СФЗ можна отримувати їх з заданою структурою та властивостями і, як наслідок, необхідними експлуатаційними характеристиками.

Література

1. Триботехническое материаловедение и триботехнология: Учебное пособие / Под ред. Н.Е. Денисовой. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - 248 с.

2. Добровольский А.Г., Кошеленко П.И. Абразивная износостойкость материалов: Справочное пособие. - К.:Техника, 1989. - 128 с.

3. Износостойкие материалы ля деталей горных машин и технологические методы повышения срока их службы: Труды ВНИИПТУглемаш / Под ред. В.М. Гутермана, М. Е. Гарбера - М: Недра, 1966. - 148 с.

4. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Колокольников М. Г. Абразивное изнашивание. - М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

5. Microstructures and wear resistance of large WC particles reinforced surface metal matrix composites produced by plasma melt injection / Aiguo Liu, Mianhuan Guo, Minhai Zhao, Changbai Wang. // Surface & Coatings Technology. - 2007. - 201. - P. 7978-7982.

6. Hans Berns. Comparison of wear resistant MMC and white cast iron // Wear. - 2003. - 254 - P. 47-54.

7. Soon-Gi Shin. Experimental and Simulation Studies on Grain Growth in TiCand WC-based Cermets during Liquid Phase Sintering // Metals and Materials. - 2000. - 6, №. 3. - P. 195-201.

8. Kasparova M., Zahalka F., Houdkova S. WC-Co and Cr₃C₂-NiCr Coatings in Low- and High-Stress Abrasive Conditions // Journal of Thermal Spray Technology. -2010. - 20, №. 3. - P. 412-424.

9. Износостойкие композиционные сплавы на основе тугоплавких карбидов вольфрама / Д. А. Дудко, И. В. Нетеса, Б. И. Максимович, В. И. Зеленин. // Износостойкие наплавочные материалы на основе тугоплавких соединений. - К.: Наук.думка, 1977. - С. 5 - 8.

10. Структуроутворення та формування триботехнічних властивостей евтектичних покриттів / М. В. Кіндрачук, Ю. А. Куницький, О. І. Дудка, Ю. Г. Сухенко та інш. - К.: Вища школа, 1997. - 120 с.

11. Нечипоренко А. А., Степанчук А. Н., Лобода П. И. Самофлюсующиеся сплавы на основе железа // Адгезия расплавов и пайка материалов - 1992. - №. 3- С. 94-98.

12. Степанчук А.М., Шевчук М.Б., Незабитовський Д.Г. Зносостійкість товстошарових покриттів з композицій РЕЛІТ - самофлюсівний сплав // Луцьк: Ж-л “Наукові нотатки” ЛДТУ, 2011.- Випуск 31, - С. 169-175

13. Степанчук А.М., Шевчук М.Б., Шаповал К.О. Взаимодействие РЕЛИта с расплавами самофлюсующихся сплавов // Труды 3-й междунар. конф. “HighMatTech”. - Киев: 3-7 октября 2011 . - С. 189

14. Степанчук А.М.,Степанов О.В.,Гончарук О.Й. Експлуатаційні властивості самофлюсівних сплавів на основі заліза одержаних з використанням недефіцитної сировини //Наукові нотатки. -Луцьк, ЛТДУ. - 2004. - Вип.4. -317-330.

15. S. Lu, O. Kwon. Microstructure and Bonding Strength of WC Reinforced Ni-Base Alloy Brazed Composite Coating / Surf. Coat. Technol., 2002, 153, 40-48 pp.

16. Композиционные сплавы со сферическими и плакированными твердыми составляющими / Д. А. Дудко, Б. И. Максимович, В. И. Зеленин, И. В. Нетеса и др. // Износостойкие наплавочные материалы на основе тугоплавких соединений. - К.: Наук.думка, 1977. - С. 8 - 12.

17. Miranda J.C., Ramalho A. Abrasion resistance of thermal sprayed composite coatings with a nickel alloy matrix and a WC hard phase. Effect of deposition technique and remelting // Tribology Letters. - 2001. - 11, №. 1. - P. 37-48.

18. J. Bao, J.W. Newkirk, S. Bao. Wear-Resistant WC Composite Hard Coatings by Brazing // Journal of Materials Engineering and Performance - Published online 10 February 2004

19. Контактное взаимодействие карбида титана со сплавами на основе железа / А.Д. Панасюк, Я.П. Кюбарсепп, И.Я. Дзыкович, Д.Э. Вальдма. // Порошковая металлургия. - 1981. - №4. - С. 66-72.

20. Современные композиционные материалы / Под ред. Л. Браутмана, Р. Крока. - Мир, 1970. - 672 с.

21. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. - Действующий от 01.01.77.

22. Самсонов Г. В., Витрянюк В. К., Чаплыгин Ф. И. Карбиды вольфрама - Киев: Наук. Думка, 1974. - 167 с.

23. Самсонов Г. В., Прядко И. Ф. Прядко Л. Ф. Конфигурационная модель вещества. - К.: Наук. Думка, 1971. - 232 с.

24. Свойства элементов: Справ. Изд. / Под ред. М. Е. Дрица. - М.: Металлургия, 1985. - 672 с.

25. Гегузин Я. Е. Физика спекания. - М. Наука, 1984. - 312 с.

26. Мазур В. И., Мазур А. В., Введение в теорию сплавов. - Д.: Лира ЛТД, 2009. - 264 с.

Размещено на Allbest.ru