РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ВЫБОРА СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Высокий уровень твердости, износостойкости, абразивной способности,
коррозионной стойкости в агрессивных газовых и жидких средах, присущий как
металлоподобным, так и неметаллическим тугоплавким соединениям позволяет
рекомендовать эти материалы для применения их в самых разных областях
современной техники [8,24,41,65]. Однако высокая хрупкость ограничивает
возможности широкого применения этих материалов. Кроме того, используемые
технологии получения компактных деталей и узлов из тугоплавких соединений не
всегда позволяют добиться их высокой плотности, что приводит к значительному
снижению уровня эксплуатационных характеристик. Поэтому тугоплавкие соединения
часто используются как составляющие композиционных материалов, в состав которых
дополнительно вводится металлическая связка.
При разработке новых композиционных материалов особое внимание следует обратить
на структуру, состав и свойства его исходных составляющих. В настоящей работе в
качестве твердых составляющих новых КМ выбраны сложные тугоплавкие соединения:
TiCN, TiCrC, TiB2 – TiC, SiC – Al2O3.
Карбонитрид титана представляет собой твердый раствор TiC и TiN. Cоединения TiC
и TiN обладают широкой областью гомогенности и при высоких температурах
происходит диспропорционирование соединений по неметаллическим компонентам, что
способствует ухудшению их свойств: образующиеся вакансии по углероду и азоту
заполняются атомами кислорода. Наличие кислорода существенно ухудшает
смачивание тугоплавкой фазы жидкими металлами и сплавами, что препятствует
получению материала с высокой плотностью. Для керметов на основе
нестехиометрического TiC характерно образование интерметаллидов c компонентами
металлической связки: Ni3Ti, Fe3Ti, NiTi, что является отрицательным фактором,
приводящим к охрупчиванию связки.
Попытки получить композиты на основе нитрида титана с различными связками
оказались безуспешными из – за высокой пористости (~30%) и низкой прочности
(уизг.= 280 МПа) [30].
Применение карбонитрида титана в качестве износостойкой составляющей КМ
обосновано тем, что TiCN обладает высокой термодинамической стабильностью за
счет комплектности решетки, а следовательно сохраняет высокий уровень свойств,
как в процессе получения кермета, так и в условиях его эксплуатации [60,65].
Кроме того, карбонитрид титана сочетает в себе высокую твердость, присущую TiC
с относительно высокой пластичностью TiN. Карбонитрид титана уступает TiC по
твердости, но превосходит по пластичности, что важно для улучшения
эксплуатационных характеристик разрабатываемых КМ.
Выбор в качестве износостойкой составляющей КМ двойного карбида титана – хрома
также обоснован более высокой термодинамической стабильностью TiCrC по
сравнению с TiC. В системе Ti – Cr – C образуются термодинамически устойчивые
твердые растворы, т.е. двойной карбид титана – хрома представляет собой
гомогенный порошок. Кроме этого, карбид хрома обладает более высокой
окалиностойкостью при нагреве на воздухе и, как показано в [106], увеличение
содержания хрома в TiCrC приводит к росту его стойкости к окислению при
температурах выше 700 0С. Двойной карбид титана – хрома выбран в качестве
основного ингредиента композиционных материалов конструкционного назначения и
для нанесения износостойких покрытий.
Материал TiB2 – TiC представляет собой механическую смесь карбида и диборида
титана. Добавка 20% TiC приводит к уменьшению размера зерен диборида титана.
Это происходит за счет того, что карбидная фаза является препятствием для
движения границ зерен. В результате образуется мелкодисперсная структура
материала TiB2 – TiC (с размером зерен ~ 5мкм) с высокими свойствами [53].
Поэтому в данной работе материал TiB2 – TiC также был выбран в качестве
износостойкой составляющей при разработке новых керметов.
В настоящее время перспективными являются материалы на основе карбида кремния,
в частности на основе SiC – Al2O3, которые обладают высоким уровнем физико –
механических и коррозионных свойств [51]. Однако, сведения о композитах SiC –
Al2O3 с металлическими связками отсутствуют.
Составы использованных в настоящей работе тугоплавких соединений приведены в
табл. 2.1.
Таблица 2.1
Химический состав тугоплавких соединений для получения КМ
Тугоплавкое
соединение
Содержание элементов, мас. %
Тi
Cr
Bобщ
Собщ.
Al
Si
TiC
TiCN
TiB2– TiC
TiCrC
SiC
AlN
79,9
78,7
71,7
54,4
---
---
---
---
---
25,9
---
---
---
12,7
---
---
---
31,5
---
---
24,1
---
---
---
19,8
8,5
4,1
18,6
29,9
0,25
0,2
0,3
0,3
---
---
---
---
---
---
67,8
---
---
---
---
70,1
---
Добавки металлических связок к тугоплавким соединениям с одной стороны повышают
пластичность материалов, а с другой – улучшают технологичность их получения.
В качестве металлических связок для новых КМ использованы сплавы на основе
железа (Fe – Cr, Fe – Ni) и никеля (Ni – Cr, Ni – Cr – Al). Никелевые сплавы
имеют высокую жаропрочность, и поэтому рекомендованы к применению в КМ для
покрытий. Сплавы на основе железа экономичны и их целесообразно использовать в
материалах для нанесения износостойких покрытий на стальные поверхности, чтобы
снизить интенсивность диффузионных процессов, протекающих на межфазной
границе.
Металлическая связка в разработанных композиционных материалах обязательно
должна быть многокомпонентной. Введение адгезионно – активных добавок в железо
или никель способствует улучшению смачивания тугоплавких соединений. В то же
время между компонентами металличес