Физико-химические закономерности взаимодействия карбида титана с металлическими и оксидными системами и их использование для разработки технологии получения карбидосталей тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Челябинский государственный технический университет

На правах рукописи

СОНОЛОВА Елена Владимировна

физико-химйчесжиб закономерности взаимодействия карбида титана' с металлическими .и оксвдныш системами и их. использование для разработки технологии *

Получения карбйдосталей '

02.00.04 - Физическая химия

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук -

Челябинск - 13Э1

Работа выполнена в Челябинском государственном техническом университете. .

Научный руководитель - доктор технических наук, - профессор Н.Р. Фраге.

Официальные оппоненты :

доктор химических наук,-профессор О.И.Бухтояров, кандидат технических наук, доцент Ю.С. Кузнецов.

Ведущая организация - Челябинский государственный университет.

Защита диссертации состоится " 8 " -¿¿О'Я:._1991 г.,

в часов,на заседании специализированного совета Д 053.13.03 Челябинского государственного технического университета (454080, г. Челябинск, пр. им..В.И. Ленина, 76, ауд. 24^.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного технического университета.

Автореферат разослан " ^ " стлелз._1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат .физико-математических наук

общая характеристика работы '

Актуальность темы. Все большее распространение для получения прогрессивных конструкционных и инструментальных материалов получают порошковые технологии, позволяющие в широких пределах варьировать как состав материалов, так и их структурные характеристики, обеспечивать необходимый уровень эксплуатационных свойств. Совершенствование технологических режимов получения порошковых композиций, в частности, сплавов на основе карбида титана и легарованных сталей, является актуальной задачей, решение которой долнно базироваться на физико-химических исследованиях взаимодействия фаз.

В связи с отсутствием в необходимых количествах дешевых порошков легированных сталей представляется перспективным использование отходов легированных сталей, в частности, отходов ылифования, содержащих до 90 % металлической составляющей.

Работа выполнена в соответствии с координационным планом АН СССР по направлению 2.26 "Физико-химические основы металлургических процессов" на 1986-1990 гг., шифр 2.26.1.-1, госбюджетная .тема П1-19, госрегистрационный • II 01860048263.

■ Целью работы является изучение термодинамических.и кинетических закономерностей взаимодействия карбида титана с металли-шскймй и оксидными системами и их использование для разработки технологических режимов получения карбидосталей методом пропитки гористых карбидных каркасов отходами шлифования. Для реализации ¡оставленной цели были решены следующие задачи:

- сделан термодинамический анализ систем Ме-11-С (где Ме - Ее, Ч) 'с учетом образования карбида титана переменного состава; ¡остроены изотермические разрезы фазовых диаграмм; предложена :етодика расчета равновесных составов фаз в карбидосталях на снове карбида титана с различным содерканием углерода;

- проанализировано взаимодействие карбида титана с легирован-ыми расплавами и оценена возможность образования сложных кар-идных фаз и кольцевой структуры карбидных зерен в карбидосталях а счет взаимодействия карбида титана с карбидообразуяяшш лементами ;

- теоретически и экспериментально изучена возможность исполь-звания оксидных систем в качестве защитной и рафинирующей свода

при получении материалов на основе карбида титана методом пропитки пористого карбидного каркаса отходами шлифования:

- разработана технология получения композиций Т1С-Р6М5 с использованием отходов шлифования.

Научная новизна работы »

1. Предложена методика расчета равновесных составов фаз в карби-досталях, содержащих карбид титана переменного состава и связки на основе железа и никеля.

2. Построены изотермические сечения диаграмм состояния систем Ме-Т1-С (где Не - Ре, 111) в областях, богатых металлом в широком интервале температур.

3. Определены термодинамические закономерности перехода легирующих элементов (Cr.Ho, IV) из связки в карбид титана при температурах кидкофазного спекания или пропитки.

4. Получены кинетические характеристики взаимодействия карбида титана с оксидными системами и определены составы флюсов, не взаимодействующих'с Т1С.

<1

Практическая значимость работы и ее -реализация

Разработана технология пропитки пористого карбидного каркаса отходами- шлифования стали Р6М5. Работоспособность материалов проверялась на фильерах для' правильных станков СМЖ-357 на Злато-устовском комбинате строительных материалов и изделий. Опытные фильеры показали стойкость в 15-20 раз выше по сравнению с фильерами из закаленной стали Т6Ш5.

На защиту выносятся следующие результаты работы:

1. Результаты термодинамического анализа систем, содержащих карбид титана переменного состава.и легированные стали; термодинамические характеристика карбида титана в области гомогенности, алгоритм расчета фазовых равновесий с участием нестехиометричес-кого соединения и комплекс фазовых диаграмм состояния сплавов на основе железа и никеля с карбидом титана переменного состава.

2. Термодинамические шзинцшш прогнозирования составов карбидной и металлической фаз в карбидосталях.

3. Результаты исследования термодинамики и кинетики взаимодействия карбида титана с оксидными системами.

4. Технологические режимы получения карбидосталей методом

•пропитки пористого карбидного каркаса отходами шлифования стали Р6М5.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсувдэлись на : 39-43-ей. научно-технических конференциях ЧПИ (Челябинск, 1986-1990 гг.); Научно-технической конференции "Практика разработки и внедрения новых прогрессивных' методов порошковой металлургии и нанесения покрытий" (Челябинск, 1986 г.); I Нзучто-технической конференции "Переработка вторичных металлов методами порошковой металлургии" (Челябинск, 1987 г.)', Шестой к седьмой всесоюзных научных конференциях "Современные проблемы электрометаллургии стали" (Челябинск, 1987, 1990 гг.); Региональной научно-технической конференции "Термическая обработка порошковых сталей" (Курган, 7987 г.); Всесоюзной научно-техни-нической конференции "Обобщение опыта молодых ученых, инженеров и рабочих отрасли по экономии материальных и энергетических ресурсов" (Донецк, 1989 г.); 7 Всесоюзном совещании "Диаграммы состояния металлических систем" (Москва, 1989 г.); VI Всесоюзной школе-семинаре "Диаграммы состояния в материаловедении" (Одесса, 1990 г.); Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и спациалистов "Молодежь и научно-технический прогресс в производстве и использовании металла" (Москва, 1989 г.); II Всесоюзном совещании "Базы физико-химических и технологических данных для оптимизации металлургических технологий" (Курган, 1990 г.); VII Всесоюзной конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов" (Челябинск, 1990 г.).

Публикации. По теме .диссертации опубликовано Ю работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения общим объемом 135 страниц текста, содержит 52 иллюстрации, 40 таблиц, список литературы из 126 наименовэ-. ваний.

'ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ ' - •

В литературном обзоре рассмотрены физико-химические свойс-ства карбидГа титана'в области гомогенности, вопросы технологии .получения сплавов на основе карбида титана с металлическими связками, формирования ш структуры и свойств. Особое внимание уделено обсуждению закономерностей взаимодействия карбидной фазы переменного состава с металлической связкой. Отмечается, что б

гфоцвссе взаимодействия изменяется состав как карбидной, так и металлической фазы, что при определенных условиях может приводить к существенному изменению содержания углерода и легирующих в них и влиять на эффективность термической обработки сплавов. .

Отмечено, что в литературе недостаточно освещается вопрос о влиянии состава карбидной фазы на особенности ее взаимодействия с металлической связкой, а так ке не определены термодинамические условия перехода легирующих элементов стали в карбид титана. Диаграммы фазовых равновесий в изучаемых системах построены, как правило, без учета широкой области гомогенности карбидной фазы .

В литературном обзоре обсужден вопрос об использовании металлических отходов для получения карбидосталей. Показано, что целесообразно использовать отхода шлифования для получения кар-бидосталей методом пропитки. Учитывая значительное содержание абразивных, частиц в шлифотходах, проанализированы имевдиеся работы по исследованию высокотемпературного взаимодействия оксидов с карбидом титана.

Термодинамический анализ фазовых равновесий в системе Me-Ti-C

Парциальные молярные характеристики титана и углерода в области гомогенности карбвда определялись обработкой экспериментальных данных Стормса по давлению паров титана над карбидом переменного состава. Показано, что термодинамичские характеристики компонентов карбидной фазы наиболее адекватно описываются соотношениями, предложенными P.A. Андриевским, которые учитывают изменение энергии образования вакансий в неметаллической подре-шетке карбида от его состава. Нами получены следующие аналитические зависимости:

IgOp^lgfl-x)*(2,96-1330?,Ч/Т) <3?+ЗОбЗ, 7/Т-0,40 , (1)

1Вас==Шх/(1-Х)]+(26615,4/Т-5,92)'Х-260вЗ,1/Т+4,11 . (2)

Для описания активностей титана и углерода в растворах Se-ft-C на основе анализа экспериментальных данных, диаграмм состояния бинарных и трехкомпонентных систем получены соотношения: Расплав 7е - Т1 - С

Jgac':lgxc+LGl(p;/&T~4842' (1~Xcf/T~3.94-xTi . 7-раствор le ~ Tt - С

г^^г^^а-х^-С 174в'(2хХ1-1)-546-2хТ1]/Т-23ид-хс/Т ,^

1^2105/7-0,6735+317 'Х/П 1~хс)+1§Х(/( 1~5ха)-23148-Х^/Т.

Расплав Ш - 1Ч - С 18а*1=т.&гтс6843'<1-хт1)г/т-4315-хс/т ,

=41338+264,165'Т+0,522'10~3-Т2-175623• Г-74, 3 • 7 • I ^ .

с (р^

-у-раствор N1 - Т1 - С

18аТ1=1вгТ1+(1-хТ{)г-С(2,в9-11354/Т)-(1-2-хТ1)-5,6-хТ1]-в,69-хс.

1&1с=>18Хс+217б/Т+0,211-в,69'ХТ1 . (6)

Параметры двухфазного равновесия металл-карбид различного состава определялись решением системы уравнений :

= ^г? *

где ц - химический потенциал компонента- I (растворе). Учитывая выражение для имеем :

• - ц;^ = н.т-г&ъ* / ат*),

к -: \1°с р = Я-Т-1в(аср / а«) ,

.где р,*- химический потенциал в стандартном состоянии: • За" стандартное состошир для расчета активностей титана и углерода в карбиде и твердых растворах принимали твердый титан и графит, для расплава - жидкий титан и графит. ..г

'Для построения изотермических сечений;. диаграмм Ме-Т1Сх, рассматривались также• условия - двухфазного равновесия металл-Графит и трехфазного металл - графит - карбид, для которых ас=1, а значение х=0,98 ¿"верхняя граница области гомогенности).

Изотермические сечения фазовых диаграмм Ее-Т1-С и Ш-Т1-С при температуре 1873 К приведены на рис. 1, из которого видно, что состав карбидной фазы, равновесной с металлом, может изменяться в широких пределах» причем каждому составу металлического раствора - соответствует, определенный-, состав карбида. Стабильность-карбидной фазы,в никеле сушвственно меньше, -чем в железе. Ееж провести конода, соединяшив металлический угол: диаграммы с точкой на стороне Г£ - С, соответствующей: '. , Т1С0 а&г.. мокно убедиться,что при высокотёшературном взаимодействии'железег -или-

(7)

в карбиде

(8)

Изотермические сечения диаграмм состояния систем Ге-'Л-С, №1-2Ч-С С,%

Расплав + графит

Расплаб•*• грсирит+ЪСфь

Расплав* грасрит + ЪСд^

ЦХ Рис. I

6 6 10 12 • 14 16 16 го 22 Т\%

Изотермические сечения фазовой диаграммы системы {/1-Т1-С

с;/.(ат)

■и

ю в

в +

г

8 Т,%(ат)

г"..... 150 К.

ж.гр 1 ада

Ж е.

Т

ч, •

С

И

2. 4 е в Ю 12 Т;/Л(аг)

I

со (

-.е Т;%1ат)

Рно. _ Я

никеля о карбидом титана любого состава не должно происходить выделение графита. На рис. 2 представлены характерные изотерми-1 ческие сечения диаграммы состояния системы Ш-ЧЧ-С в шроком температурном интервале.

Методом растворения карбида титана в расплавах, насыщенных углеродом, изучались параметру трехфазного равновесия металл-графит-карбид Т1С0 9в в системе Ре-Т1-С при 7673, 1773, 1873 К. Экспериментально определенные содержания титана-в точке трехфазного равновесия' составляют 0,122 О.Р77 % и 0,310 % соответственно и хорошо коррелируют с результата?® термодинамического анализа (6,088 %; 0,183 %; 0,311 %).

Исследованы так же закономерности изменения состава фаз при взаимодействии карбида титана с расплавами железа и никеля, которые обусловлены непропорциональным переходом титана и углерода в металлическую связку щл получеетя карбидостали. Предложен алгоритм расчета состава фаз после взаикодейстЕия в системах Ме-Т1Сх при различных количествах исходных компонентов и соотношениях между ними. При этом исходили из следующих соображений. Если в исходной смеси содержится И молей карбида, ямещего состав Т1Сх1% N молей металла (Ре, N1), в котором Нс молей углерода, и в процессе взаимодействия в раствор перешло молей титана и молей углерода, то для состава металлического раствора имеем :

х^г/ги+г^). (9)

При этом состав карбида изменится и будет соответствовать значению х = х2

хг=(М-хг£г}/01-Е1) . , (10}

Решением систем (7) с учетом (9) и (10) получили равновесные составы фаз после взаимодействия (табл. 1). Из таблицы следует, что при использовании в качестве шихта карбида титана но составу близкого к стехиометрическому из него будет преимущественно растворяться углерод и уменьшаться значение х ъ Т1Сх. Начиная с х*>0,95 для системы Ь'1-Т?-С и х^0,85 для системы Ре-Т1-С при 1773 К, из карбидной фчзы должен преимущественно растворяться титан. Анализ табл. / показывает, что с уменьшением х в Т1С значительно увеличивается количество растворившегося карбида, которое зависит также от его содержания „ в исходной смеси.

Таблица 1

Изменение состава Т1Сх при взаимодействии-с расплавом Ие-Т1-С, 7=1773 К

Исходная смесь, % Состав карбида . Состав матрицы, % •Карбида ■ растворилось, % от связки

исходаый х, в Tic 7 X конечный х- в TiC„ Z X

TiC~ Me С Tt

Ps-TIC

30 70 0,98 0,90 0,91 0,94 1,85

0,95 0,89 0,77 1.11 1,88

0,90 0,87 0,56 1,51 2,07

0,85 0,8б 0,39 2,12 2,51

50 50 0.98 0,92 1,37 0,63 2,00

• 0,95 0,90 1,07 0,80 1,87

0,90 0,68 0,66 1,29 1,95

0,85 0,85 0,38 Ъ.,21 2,59

70 30 0,98 0,94 2.04 0,43 2,47

0,95 0,92 U47 0,59 2,06

0,90 0,89 0,77 1,11 1,88

0,85 0,85 0,36 2,29 2,66

m~Tic„

30 70 Q,98 . 0,97 2,17 8,55 10,22

0,95 0,96 2,01 8,85 10,37

0,90 0,96 1,76 9,40 10,66

50 50 0,98 0,97 2,25 8,41 10,17

0,95 - 0,96 1,92 9,04 10,46-

0,90 0,95 1,45 10,25 11,17

70 30 0,98 ■ 0,97 2,39 8,17 10,01

0,95 0,96 ■1,29 9,35 10,63

0,90 - 0,94 1,05 11,72 12,20

. Предложена методика расчета составов карбидной фазы в сплавах Ме-ТЮх, при которых растворение титана и углерода происходит в таких соотношениях, что состав карбида не изменяется (конгруэнтное растворение). Для определения состава, конгруэнтно растворяющегося карбида использовали соотношение материального баланса, которое связывает количества • растворившихся титана и углерода а при решении системы (7) считали, что

х^=х2=з?". В табл. 2 представлены рассчитанные составы конгруэнтно растворяющегося карбида (х*) для расплавов на основе Ре и NI при температурах 1673-1873 К. Отметим, что равновесные содержания углерода и титана в связке, приведенные в последних столбцах, не зависят от исходного соотношения фаз.

Таблица 2

Параметры конгруэнтного растворения

Исходная связка Т, к хк | п аг и » /о П. %

1673 0,857 0,294 1,372

Те 1773 0,860 0,424 1,972

1873 0,864 0,599 2,744

1673 0,965 1,695 7,019

т 1773 0,966 2,008 8,312

1873 0,967 2,349 9,722

Результаты анализа фазовых равновесий систем, состоящих из металла и соединения переменного состава, показывают, что в общем случае не могут реэлизовываться квазибинарные сечения ни по одному из лучей, выходящих из металлического угла диаграммы, так как изменение состава карбида после взаимодействия приводит к тому, что равновесная смесь будет лекать на другой коноде.

Взаимодействие карбида титана с расплавами железа и никеля, легированными молибденом, хромом, вольфрамом

При разработке алгоритма расчета состава сложного карбида, образующегося в результате межфазного взаимодействия, исходили из следующих соображений. Смешанный карбид рассматривался как раствор легирующих элементов в насыщенном по углероду карбиде титана, причем атомы титана замещаются на атомы ..легирующих з эквивалентных количествах. Допустим, что исходная композиция сосгит из 1! молей карбида титана и N молей связующего металла, в котором ЯНе молей'кэрбидообразумцего элемента и Пс молей углерода. После высокотемпературного взаимодействия молей легирующего элемента перейдет в карбид,'а углерод (Хр молей) и титан (Я молей) из карбида перейдут, в металлический раствор.

Для составов фаз имеем : »■

*ссв= "с * % ♦* V" V '' ^

W к ir _ W . JJ К IT ,, JJ К _ «, _ »- _ « , , 1 1 ,

aC flK p' JV¿ - "к p ЬЫ& ' U U

где Л7,сь и "/.к - количества шлей компонента t в металлической связке и сложном карбиде соответственно.

Составы равновесных фаз, связаны условиями равновесия реакций образования смешанного карбида в металлической матрице :

1П1 + 1С) » ШС.) , kJ2 = aytc / fOy,. ас; , (12 J

m (Me] + [C] « , = ай<? c / fo^- acJ . ПЗ;

ti

Для определения констант равновесия реакций (12), (13) использовали термодинамические характеристики образования карбидов из тогах компонентов в стандартном состоянии. Сложную карбидную фазу рассматривали в рамках модели совершенных ионных растворов, согласно которой

«ТСС = ' С " «¡М^ •* *Т* + '

где ytK - доля атомов i в металлической подрететке.

Результаты расчета коэффициентов распределения Мо, Cr, W шжду карбидом и связкой приведены в табл. 3. Как следует из таблицы, в процессе высокотемпературного взаимодействия возможно образование слоннах карбидных фаз. Коэффициенты распределения (If=MeK/¡!eCB) зависят от концентрационных соотношений в исходных композициях и в сплавах ЗЧС-ffí значительно больше, чем в сплавах TiC-Pe.

Теоретически и экспериментально изучалось образование сложных карбидных фаз в сплавах Т1С-Р6М5. Параметры равновесий, рассчитанные по- описанной методике представлены в табл. 4, а результаты химического н рентгенографического анализов карбидного осадка, . полученного электролитическим растворение« сплавов TÍC - 45 % об. Р6М5 - в табл. 5.

■Из табл.' 4 следует, что в процессе взаимодействия в сплавах TIC - 50 % Р6М5 при 1773 Е до 50 % хрома, молибдена и вольфрама могут перейти в карбидную фазу, при этом, чем больше содержание карбида титана в композиции, тем в большей степени изменяется состав связки. Особо следует отметить возможность ее значительного обезуглероживания. С ростом температуры легирующие В шньшей степени переходят в карбидную фазу и в меньшей степени уменьшается содержание углерода в связке. Результаты экспериментального исследования /"табл. 5) согласуются с результатами тер-

•Таблица 3

Распределение Мо, От, ¡7 (Не) между карбидом и связкой, Т=1773 К

Содержание карбида, % Состав.связки, % Состав ка; эбида. % I

исходи. кснечн. п а | Ме п Ме

Т1С - (VI + 10 % Мо)

50 49,03 9,84 1,31 0,58 71,36 9,59 16,57

90 89,82 10,20 1,33 0,06 ' 79,00 1,11 18,14

ПС - (N1 + 20 % Мо)

50 53,18 12,75 0,66 1,15 63,99 17,79 15,47

90 90,67 13,46 0,70 0,12 78,03 2,19 18,48

Т1С - т + 10 % Сг

50 48,16 11,55 1,85 0,80 ТО, 63 9,52 11,08

90 89,62 12,32 о,ев 0,03 78,91 1.11 13,27

ПС - (N1 * 20 %Сг)

50 50,10 ' 7,60 0,24 2,00 62,31 17,97 8,98

90 90,02 9,42 0,27 0,18 77,83 2,20 12,11.

Т1С - (Ре + 5 % Мо)

10 8,62 . 2,29 0,52 4,44 75,23 5,25 1,23

50 49,57 2.97 0,4^ 2,42 77,67 2,58 1,07

90 90,04 3,71 0,36 0,51 79,55 0,50 0,98

ПС '- (Ре 4 % Сг)

10 ' 8,13 2,10 .0,42 3,44 74,71 ■5,57 1,56

50 о- ^,¿7, 3,57 0,33 1,49 77,51 2,52 ■1,69

90 89,88 4,66 0,31 0,22 . 79,59 0,42 1,87

■ ПС - '(Ре + 6 % Ю

■10 ■ 7,90 2,13 0,51 5,51 76,49 4,12 0,75

50 49,69 2,47 0,47 3,64: 77,99 2,35 0,65

90 90,16 2,99 0,42 1,03 79,53 0,55 0,54

модинамического анализа и свидетельствуют о том, что процесс образования "кольцевой структуры" может протекать при высокотемпературном жидкофазном спекании композиций Т1С - Р6Х5. Следовательно, с целью предотвращения процессов образования "кольцевой структуры" целесообразно уменьшать время изотермической выдержки, что можно реализовать при получении композиций методом пропитки пористого .карбидного каркаса-

Таблица 4

Распределение элементов в системе TiC - Р6М5

Сод-е карбида в композиции, % т, К Состав связки. % Состав карбида, % L

исхода. конечн. ' Т1 С Cr ff Mo Cr У Mo

10 12,84 1673

10 11,99 1773

50 53,48 1673

50 53,22 1773'

90 90,97 1673

90 90,92 177$

0.60 58J6 0,98

0,56 3,31 4,27 4,30 17М 5~53 13,06 5,58 0,70 3,38 4,46 4,38

59,54 2,34 72J7 2,94 72^56 4,90 76^66 . 5,44 64

17,58 5,25 0,23 1,55

19,25 2,39 0,36 1,50

19,23 2,44 0,15 0,24 19*85 (¿42 .0,28 0*22 19^0^42

12,27 2,80 3~!8 2,61 3734 0,84 (Ъ5в 0,68 CÜ59

5,36 2,60 2^41 2,60 ¡V4t

1,67 3,06 1,36 1,55 2.75 1,22 1,54 1,14 0,93 1,63 1,28 0,93

0,65 « ■

- 1,75.0,68 0,74

0,49

0,61 0^49

1,92 0,87 0,80

'. • Таблица 5

Результаты химического и рентгенографического анализов карбидного осадка образцов Tic - 45 % об P6U5

N образца Содержание элементов, % Параметр решетки, нм

Mo ; ' W Ti

1 3,65 5,20 ■ 75,00 9 0,4322

2 2,85 3,50 73,50 0,4326

-3 .3,25 2,45 72,00 0,4324

. 4 2,73 3,20 62,10 0,4326

Взаимодействие карбида титана с.оксидными системами

С целью выбора составов шлаков, рафинирующих шлифэтхода от абразивных частиц.и невзаимодействующих с пористой прессовкой из карбида титана в процессе пропитки проведен анализ процессов

•взаимодействия карбида титана с оксидными системами. Экспериментальное исследование кинетических закономерностей растворения карбида титана в шлаковых расплавах методом вращающегося диска показало, что при взаимодействии со шлаками, принадлежащими системе Ca0-SW2-Äl20j, содержащими 2-6 % FeO или N10, происходит интенсивное газовыделение, и скорости взаимодействия не зависят от угловой скорости вращения образца. Энергии активации процесса растворения составляют 216-280 кдк/лолъ, их четкой зависимости от состава шлака не обнаружено.

Термодинамический и кинетический анализ процессов взаимодействия карбида титана со шлаками на основе СсЮ - А1г03 - S10P (да 30 %)~Т10г (до 2 %) показал, что в температурном интеркале 1623-1823.К они инертны по отношению к карбиду и могут быть использованы как технологическая среда для спекания и термообработки композиций на основе карбида титана, последний, в свою очередь, можно использовать как огнеупорный материал для расплавления и выдержки оксидных расплавов.

Разработка технологии получения сплавов TIC - P6U5 . с использованием отходов шлифования

Флюс, ассимилирующий абразивные частицы и очищающий поверхность шлифотходов от оксидной пленки, должен удовлетворять следующим требованиям:

- температура плавления на 100-150 градусов меньше, чем температура пропитки;

- компоненты флюса должны' обладать низкой летучестью в вакууме при температуре пропитки;

- высокая ассимилирующая способность по отношению к абразивным частицам и оксидным пленкам;

- флюс не должен взаимодействовать с карбидом титана и проникать в поры прессовки;

- невысокая стоимость и недэфшитность компонентов флюса.

Исследования показали, что наиболее приемлемым составам соответствуют пределы концентраций 55-65 % СаО, 15-25 % SiC?, 15-25 % А1г03 И ' 1-2 % ТЮ2.

Шлифотходы и мелкораздробленный флюс (фракция менее 0,5 лл) тщательно перемешивали в соотношении 3:1 и прессовали без пластификатора в брикеты, размеры которых определяются „размерами и

пористостью карбидной прессовки. Усилив прессования 50-100 ЛПа, Пропитку проводили методом наложения при 1750±10 К в вакууме 0,3 Па. Оптимальной скоростью нагрева до 1270 К является 10-15 град/мян, в° интервале 1270-1730 К - 25-35 град/мин. Выдержка при температуре пропитки определяется размерами изделия. Охлаждение с печью. После пропитки на поверхности образца остается легко отделявдаяся шлаковая "корона".

Предложенная технология позволяет осуществить пропитку пористых карбидных каркасов шлкфотходами без предварительной сепарации абразивных частиц и восстановления оксидных пленок с поверхности металла. Прочностные характеристики полученных по описанной технологии композиций приведены в табл. б:

Таблица б

Механические характеристики карбндостали Т1С-Р6М5

Состав, Яоб. порис- °С2С МПа о изг , та

ПС Р6М5 тость, % 1 . 2 ' 1 2

55 45 1.0-2,0 1300-1400 1400-1450 1000-1100 1000-1100

45 55 2,0-3,0 1000-1100 1100-1200 1100-1200 1100-1200

1 - после изготовления; 2 - после термообработки.

Твердость композиций после отжига составляет 82-66 HRA, после закалки в масле с 1270-1290 К и отпуска {800 К) существенно не изменяется.

Износостойкость сплавов изучали на установке, позволяющей определять удельную работу абразивного износа, которая для закаленной стали P6U5 составляет 14,5-16,6 Дх/лг, а для сплэбов TiC-P6M5 (45-55 об % TIC).19,4-20,6 Дх/лг. Высокая, износостойкость и достаточные прочностные характеристики обусловливают возмоиность использования карбидосталей Т1С-Р6М5 в качестве износостойких материалов,„работающих в условиях сухого трения и интенсивного износа.

.Работоспособность сплавов, полученных по предложенной технологии, проверялись на фильерах правильных стадков CMS-357 на Златоустовском комбинате строительных материалоов и изделий. Стойкость фильер, из ззкаленной стали Р6М5 при правке ' арматурной проволоки' диаметром 10 мл составляла не более 8-10 часов. Фильеры из предложенных сплавов показали стойкость в 15-20 раз выше. Экономический эффект составил 467,46 рублей на один станок.

основные вывода

1. Проведена оценка парциальных молярных характеристик титана и углерода в области гомогенности карбида титана и в сплавах на основе келеза и никеля. Рассчитаны и построены изотермические сечения фазовых диаграмм систем Ме-Т1-С (Не - Ре, !Н) в областях, богатых металлом, с учетом наличия у карбида титана широкой области гомогенности.

2. Предложен алгоритм расчета состава фаз после высокотемпературного взаимодействия карбида и связки при получении сплавов Т1С -Ре и Т1.Сх-!И. Показано, что при взаимодействии нестехиомет-рического карбида титана с металлической связкой титан и углерод переходят в растЕор не в пропорциональных количествах, что обусловливает изменение как состава карбида, так и состава связки. В зависисмости от состава композиций возможно как науглероживание, так и практически полное обезуглероживание связующего металла. Масса растворившегося карбида титана зависит от состава фаз и количественного соотношения между ними. •

. 3. Проанализированы результаты экспериментальных исследований по распределению элементов между карбидной'.. фазой и связкой в карсидосталях. Показано, что при жидкофазном спекании Но, Сги йг из связки могут переходить в карбидную фазу, что обусловливает образование "кольцевой структуры". Предложена методика расчета равновесных составов сложного карбида и связки в нарбвдосталях при различных соотношениях между фазами. Проведён анализ перераспределения Но, Сг, № между металлом и' карбидной фазой, а также условий образования сложного карбида в системе Т1С-Р6Ы5. Показано,, что до 50 % от содержания легирувдих из ~вязкй может переходить в карбидную фазу в процессе кидкофазного спекания композиций. Проведено экспериментальное исследование процессов образования сложных карбидов при жидкофазном спекании композиций Т1С-Р6М5. Полученные экспериментальные данные согласуются с результатами термодинамического расчета.

4. Исследованы термодинамические и кинетические закономерности взаимодействия карбида титана с оксидными расплавами. Показано, что шлаки на базе СсЮ-А1г03-5Юг с добавками ТЮг (1-2 %) инертны по отношению к карбиду титана и могут быть использованы в ка-

■ боткк композиций на основе карбида титана.

5. Разработана технология получения карбидостадей TW-P61S5' (45-55 об %) методом пропитки пористых карбидных каркасов отходами шлифования стали Р6М5 с использованием шлаковых смесей, рафинирующих шлифотхода от абразивных частиц и оксидных пленок. . Проведены промышленные испытания фильер из сплавов- TW-P6M5 на правильных станках СКВ-357 на Златоустовсксм комбинате строительных материалов' и изделий. Показано, что стойкость опытных фильер в 15-20 раз вше по сравнению с Фильерами из закаленной стали Р6Й5. Экономический эффект составил 467,46 рублей на один •станок.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Фраге K.P., Соколова Е.В. Анализ стабильности тугоплавких соединений в жидком металле.- В сб.: Совершенствование машиностроительных материалов, конструкций машин и методов обработки деталей.- Челябинск, 1986.- С. 3-8.

2. Взаимодействие карбида титана с расплавом стали P6U5 / Фраге Н.Р., Соколова Е.В., Гуревич -Ю.Г.,Чуманов В.И? // Шестая всесоюзная научная конференция по современным проблемам электрометаллургии стали. Тезисы докладов.- Челябинск: ЧШ, 1987.-С. 25-26.

3. Соколова Е.В. Анализ стабильности карбида титана в расплавах железа, насыщенных углеродом. В сб.: Совершенствование машиностроительных материалов, конструкций машин и методов обработки деталей.- Челябинск: ЧЛИ, 1988.- С. 36-40.

4. Стабильность карбида титана в расплавах железа и никеля / Фраге Н.Р., Гуревич Ю.Г., Соколова Е.В., Чуманов В.И. // Известия АН СССР. Металлы.- 1989.- ff 3.- С. 33-37.

5. О взаимодействии карбонитридов титана с железом и никелем / Фраге Н.Р., Гуревич Ю.Г., Соколова Е.В., Леонович Б.И. // Известия АН СССР. Металлы.- 1989.- N 4.- С. 176-180.

6. Фраге Н.Р., Соколова Е.В., Чуманов Б.И. Анализ диаграммы состояния системы Me-Tt-C-K и прогнозирование процессов газовыделения при получении композиций ¡¿e-TtCJi. (Не - Fe, N1). В кн.: Диаграммы состояния металлических систем: Тез. докл. V Все союз., совещ.- Москва, 1989, С. 291.

7. Взаимодействие карбида титана со сталью Р6М5 /Соколова Е.В.,

'фраге Н.Р., Гуревич Ю.Г., Чуланов В.И. // Порошковая металлургия.- 1991.~ И 1.~ С. 68-72.

8. Фраге Н.Р., Соколова Е.З. Термодинамические условия образования сложных карбидных фаз в карбидосталях на основе, карбида титана. В кн.: Молодежь и научно-технический прогресс, в производстве и использовании металла: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. копф.- Москва,'1989, С. 61.

9. Соколова Е.В., Фраге Н.Р. Фазовые равновесия в системе 1е-Г(-С. В кн.: Строение и свойство тталлпчвских и шлаковых расплавов: Тез. докл. VII Всесоюз. конф.- Челябинск, 1990, Г. ?.-часть 2.- С. 293-295.

10. Фраге Н.Р., Соколова Е.В., Гуревич Ю.Г. Термодинамические принципы прогнозирования структурных характеристик сплавов' на основе карбида титана со связками из легированных сталей. В кн.: Базы физико-химических и технологических данных для оптимизации металлургических технологий: Тез. докл. Второго Всесоюз. совсщ.-Курган, 1990, С. 173-174.

Подписано к печалш 03.04.91. Формат- 6ОУ90 1/16/Пе<-. л. I

7ч._-изд. л. I. Тираа 100 экз. Заказ 79/206.

____ _ " • . *' , .■

УОП ЧПГГ. <*540Я0. Челябинск, пр. им.В.И Ленива, 76'.,