Исследование железоматричных композитов с карбидным упрочнением, полученных спеканием механоактивированных смесей титанидов железа с углеродом

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Широко применяемым эффективным способом повышения износостойкости сталей и их сплавов является введение в структуру сплава дисперсных твердых частиц тугоплавких соединений (карбидов, боридов, силицидов). Наибольший практический интерес представляют композиты с матрицей из сплавов на основе железа (стали и чугуны), упрочненных частицами карбида титана. Основными структурными характеристиками, которые определяют твердость и износостойкость этих композитов, являются объемная доля, дисперсность и морфология частиц упрочняющей карбидной фазы. Структура композитов зависит от способа их получения. Широко используются методы порошковой металлургии в сочетании с предварительной механоактивацией порошковых смесей. Ранее было установлено, что в механоактивированных порошковых смесях ферротитана ФТи35С5, состоящего на 82 % из соединения (Fe,Al)2Ti, и сажи П-803 идет реакция с образованием композита, согласно рентгеноструктурному анализу состоящего из стальной связки и карбида титана. Реакция синтеза карбида идет в твердофазном режиме при температурах горения 900…950 °C. Поэтому не происходит огрубления структуры за счет роста карбидных частиц, что характерно для реакций в присутствии жидкой фазы. Промышленный ферротитан содержит много примесей (кремний, алюминий и др.). Целью настоящей работы было исследовать фазовый состав и структуру продуктов взаимодействия титанидов железа Fe2Ti и FeTi с углеродом в условиях реакционного спекания механоактивированных порошковых смесей и выяснить возможность синтеза железоматричных композитов, упрочненных субмикронными частицами карбида титана. Методы исследования. Структуру и фазовый состав спеченных прессовок из механоактивированных порошков исследовали методами оптической металлографии, рентгенофазового анализа и растровой электронной микроскопии (SEM) с определением элементного состава методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX). Методика эксперимента. Для приготовления реакционных смесей использовали интерметаллидные порошки, полученные спеканием в вакууме прессовок из порошковых смесей железа и титана двух составов: 2Fe+Ti и Fe+Ti. В интерметаллидные порошки добавляли сажу в количестве, необходимом для того, чтобы весь титан, находящийся в интерметаллидах, был связан в карбид. Полученные смеси с добавлением спирта обрабатывали в течение 10 минут в планетарной мельнице Activator 2S при 755 об/мин (40g). Из механоактивированных смесей прессовали цилиндрические заготовки диаметром 20 мм, которые спекали в вакууме при температуре 1200 °С с изотермической выдержкой 60 минут. Результаты и обсуждение. Согласно результатам рентгеноструктурного анализа практически весь титан, содержащийся в титанидах железа, вступает в реакцию с углеродом с образованием карбида и восстановленного железа. Продукты спекания прессовок обоих составов содержат целевые фазы: карбид титана с признаками смещения его состава от эквиатомного в сторону титана и a-железо с параметрами решетки, близкими к справочным данным, а также незначительное количество других фаз. На электронномикроскопических изображениях (BSE) железная связка и карбид титана хорошо различимы благодаря тоновому контрасту: тяжелое железо более темное, чем карбид, состоящий из более легких элементов. Согласно результатам локального элементного анализа относительное содержание титана и углерода в карбиде действительно соответствует составу нестехиометрического карбида титана. Заключение. Спеканием механоактивированных порошковых смесей титанидов железа с углеродом (сажей) получены композиты, включающие карбид титана и альфа-железо. Гранулы композиционных порошков, полученные дроблением спеков, представляют интерес в качестве фидстоков для нанесения покрытий и в аддитивных технологиях, а также для получения плотных материалов другими методами компактирования: искровым плазменным спеканием (SPS) или горячим прессованием (HP).

Об авторах

Г. А. Прибытков

Email: gapribyt@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8267-971x
доктор техн. наук, доцент, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия, gapribyt@mail.ru

А. В. Барановский

Email: nigalisha@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8800-4716
канд. техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия, nigalisha@gmail.com

И. А. Фирсина

Email: iris1983@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2253-0582
канд. техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия, iris1983@yandex.ru

К. О. Акимов

Email: akimov_ko@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0002-3204-250X
канд. техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия, akimov_ko@ispms.ru

В. П. Кривопалов

Email: krivopalov@ispms.tsc.ru
ORCID iD: 0009-0003-3224-1749
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия, krivopalov@ispms.tsc.ru

Список литературы

  1. Review on TiC reinforced steel composites / K.I. Parashivamurthy, R.K. Kumar, S. Seetharamu, M.N. Chandrasekharaiah // Journal of Materials Science. – 2001. – Vol. 36 (18). – P. 4519–4530. – doi: 10.1023/A:1017947206490.
  2. Parashivamurthy K.I., Sampathkumaran P., Seetharamu S. Wear behavior of Fe–TiC composites // International Conference on Advances in Manufacturing Engineering – 2007, ICAME-2007 / Manipal Institute of Technology. – Manipal, Karnataka, India, 2007. – P. 73–78.
  3. Srivastava A.K., Das K. The abrasive wear resistance of TiC and (Ti,W)C-reinforced Fe–17Mn austenitic steel matrix composites // Tribology International. – 2010. – Vol. 43 (5–6). – P. 944–950. – doi: 10.1016/J.TRIBOINT.2009.12.057.
  4. TiC–FeCr local composite reinforcements obtained in situ in steel casting / E. Olejnik, L. Szymanski, P. Batóg, T. Tokarski, P. Kurtyka // Journal of Materials Processing Technology. – 2020. – Vol. 275. – P. 116157. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2019.03.017.
  5. Fabrication of in situ TiC locally reinforced manganese steel matrix composite via combustion synthesis during casting / S.W. Hu, Y.G.  Zhao, Z. Wang, Y.G. Li, Q.C. Jiang // Materials and Design. – 2013. – Vol. 44. – P. 340–345. – doi: 10.1016/j.matdes.2012.07.063.
  6. TiC–Fe-based composite coating prepared by self-propagating high-temperature synthesis / S. He, X. Fan, Q. Chang, L. Xiao // Metallurgical and Materials Transactions B. – 2017. – Vol. 48 (3). – P. 1748–1753. – doi: 10.1007/s11663-017-0942-8.
  7. Synthesis and mechanical properties of TiC–Fe interpenetrating phase composites fabricated by infiltration process / Y. Zheng, Y. Zhou, Y. Feng, X. Teng, S. Yan, R. Li, W. Yu, Z. Huang, S. Li, Z. Li // Ceramics International. – 2018. – Vol. 44 (17). – P. 21742–21749. – doi: 10.1016/j.ceramint.2018.08.268.
  8. Effects of chromium and carbon content on microstructure and properties of TiC-steel composites / T. Lin, Y. Guo, Z. Wang, H. Shao, H. Lu, F. Li, X. He // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2018. – Vol. 72. – P. 228–235. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2017.12.037.
  9. Persson P., Jarfors A.E.W., Savage S. Self-propagating high-temperature synthesis and liquid-phase sintering of TiC/Fe composites // Journal of Materials Processing Technology. – 2002. – Vol. 127 (2). – P. 131–139. – doi: 10.1016/S0924-0136(02)00113-9.
  10. Akhtar F., Guo S.J. Microstructure, mechanical and fretting wear properties of TiC-stainless steel composites // Materials Characterization. – 2008. – Vol. 59 (1). – P. 84–90. – doi: 10.1016/j.matchar.2006.10.021.
  11. Akhtar F., Guo S. On the processing, microstructure, mechanical and wear properties of cermet/stainless steel layer composites // Acta Materialia. – 2007. – Vol. 55 (4). – P. 1467–1477. – doi: 10.1016/j.actamat.2006.10.009.
  12. Reaction mechanisms of the TiC/Fe composite fabricated by exothermic dispersion from Fe–Ti–C element system / H. Zhu, K. Dong, H. Wang, J. Huang, J. Li, Z. Xie // Powder Technology. – 2013. – Vol. 246. – P. 456–461. – doi: 10.1016/J.POWTEC.2013.06.002.
  13. Wang J., Wang Y., Ding Y. Reaction synthesis of Fe–(Ti,V)C composites // Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 197 (1–3). – P. 54–58. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2007.06.016.
  14. Jing W., Yisan W., Yichao D. Production of (Ti,V)C reinforced Fe matrix composites // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 454–455. – P. 75–79. – doi: 10.1016/j.msea.2006.11.024.
  15. In-situ synthesis of TiC/Fe alloy composites with high strength and hardness by reactive sintering / J. Lee, D. Lee, M.H. Song, W. Rhee, H.J. Ryu, S.H. Hong // Journal of Materials Science and Technology. – 2018. – Vol. 34 (8). – P. 1397–1404. – doi: 10.1016/j.jmst.2017.03.006.
  16. A TiCx reinforced Fe(Al) matrix composite using in-situ reaction / X. Chen, H. Zhain, W. Wang, S. Li, Z. Huang // Progress in Natural Science: Materials International. – 2013. – Vol. 23 (1). – P. 13–17. – doi: 10.1016/j.pnsc.2013.01.002.
  17. Rapid fabrication of in situ TiC particulates reinforced Fe-based composites by spark plasma sintering / B. Li, Y. Liu, H. Cao, L. He, J. Li // Materials Letters. – 2009. – Vol. 63 (23). – P. 2010–2012. – doi: 10.1016/j.matlet.2009.06.026.
  18. Fabrication and mechanical properties of TiC reinforced CoCrFeMnNi high-entropy alloy composite by water atomization and spark plasma sintering / D. Yim, P. Sathiyamoorthi, S.-J. Hong, H.S. Kim // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 781. – P. 389–396. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.12.119 0925-8388.
  19. Composites fabricated by self-propagating high-temperature synthesis / Z.Y. Fu, H. Wang, W.M. Wang, R.Z. Yuan // Journal of Materials Processing Technology. – 2003. – Vol. 137 (1–3) – P. 30–34. – doi: 10.1016/s0924-0136(02)01061-0.
  20. Фадин В.В., Колубаев А.В., Алеутдинова М.И. Композиты на основе карбида титана, полученного методом технологического горения // Перспективные материалы. – 2011. – № 4. – С. 91–96.
  21. Телепа В.Т., Щербаков В.А., Щербаков А.В. Получение композита TiC–30 вес.% Fe методом электротеплового взрыва под давлением // Письма о материалах. – 2016. – Т. 6, № 4. – С. 286–289.
  22. Study of formation behavior of TiC in the Fe–Ti–C system during combustion synthesis / M.X. Zhang, Q.D. Hu, B. Huang, J.Z. Li, J.G. Li // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2011. – Vol. 29 (3). – P. 356–360. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2011.01.001.
  23. Formation and growth mechanism of TiC terraces during self-propagating high-temperature synthesis from a Fe–Ti–C system / M.X. Zhang, Q.D. Hu, Y.Q. Huo, B. Huang, J.G. Li // Journal of Crystal Growth. – 2012. – Vol. 355 (1). – P. 140–144. – doi: 10.1016/j.jcrysgro.2012.06.045.
  24. Rahimi-Vahedi A., Adeli M., Saghafian H. Formation of Fe–TiC composite clad layers on steel using the combustion synthesis process // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 347. – P. 217–224. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.04.086.
  25. Characteristics of the combustion synthesis of TiC and Fe–TiC composites / A. Saidi, A. Chrysanthou, J.V. Wood, J.L.F. Kellie // Journal Materials Science. – 1994. – Vol. 29 (19). – P. 4993–4998. – doi: 10.1007/BF01151089.
  26. Preparation of the Fe–TiC composites by thermal-explosion mode of combustion synthesis / A. Saidi, A. Chrysanthou, J.V. Wood, J.L.F. Kellie // Ceramics International. – 1997. – Vol. 23 (2). – P. 185–189. – doi: 10.1016/s0272-8842(96)00022-3.
  27. Ляхов Н.З., Талако Т.Л., Григорьева Т.Ф. Влияние механоактивации на процессы фазо- и структурообразования при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе. – Новосибирск: Параллель, 2008. – 168 с.
  28. Extending the SHS combustion concentration limits in Ti+C+Fe powder mixtures by preliminary mechanical activation / A.V. Baranovskiy, G.A. Pribytkov, M.G. Krinitcyn, V.V. Homyakov, G.O. Dankovcev // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 25 (3). – P. 458–460. – doi: 10.1016/j.matpr.2019.12.176.
  29. Mechanoactivated SHS in ferrotitanium–carbon black powder mixtures / G.A. Pribytkov, A.V. Baranovskiy, V.V. Korzhova, M.G. Krinitcyn // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. – 2020. – Vol. 29 (1). – P. 61–63. – doi: 10.3103/S1061386220010082.
  30. Combustion synthesis in FeTi+C mechanically activated mixture / A.V. Baranivskiy, G.A. Pribytkov, V.V. Korzhova, E.N. Korosteleva // AIP Conference Proceedings. – 2022. – Vol. 2509. – P. 020017. – doi: 10.1063/5.0084735.
  31. Синтез интерметаллидов системы Ti–Fe из смесей элементарных порошков / Г.А. Прибытков, А.В. Барановский, В.В. Коржова, И.А. Фирсина, В.П. Кривопалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 126–136. – doi: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-126-136.
  32. Bartin I., Knacke O., Kubaschevski O. Thermodinamical properties of inorganic substances. Supplement. – Berlin: Springer-Verlag, 1977. – 861 p. – doi: 10.1007/978-3-662-02293-1.
  33. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: справочник / под ред. Т.Я. Косолаповой. – М.: Металлургия, 1986. – 928 с.
  34. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник. В 3 т. Т. 1 / под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с. – ISBN 5-217-02688-X.
  35. Современные инструментальные материалы на основе тугоплавких соединений: сборник научных трудов / ВНИИТС; под ред. Н.А. Кудри – М.: Металлургия, 1985. – 127 с.
  36. Zueva L.V., Gusev A.I. Effect of nonstoichiometry and ordering on the period of the basis structure of cubic titanium carbide // Physics of the Solid State. – 1999. – Vol. 41 (7). – P. 1032–1038. – doi: 10.1134/1.1130931.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».