Морфологические и структурные особенности карбида титана и твердых сплавов на его основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

ГРУЗИНСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

ДЖАЛАБАДЗЕ НИКОЛАЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КАРБИДА ТИТАНА И ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ НА ЕГО ОСНОВЕ

специальность 01.04.17 — химическая физика, включая физику горения и взрыва

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации па соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ТБИЛИСИ-1998 27

Работа выполнена в Грузинском техническом университете

Научные руководители: Академик АН Грузии, доктор технических наук, профессор Т. Лоладзе Доктор физико-математических наук, профессор Э. Кутелш

Эксперт: докт. физ. мат. наук, профессор Т. Дзнграшвияи

Официальные оппоненты: док. физ. мат. наук,

проф. Т. Марсагишвили док. техн. наук, проф. Н. Зоидзе

Ведущая организация — Институт металлургии АН Грузии

Защита диссертации состоится

" 49 " июня 1998 года в 4. 3 часов на заседании диссертационного совета РЬ, М 01. 04 С №2

при Грузинском техническом университете по адресу: 380075, Тбилиси, ул. Костава 77.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Грузинского технического университета.

Автореферат разослан ". 18 м мая 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета

профессор г Р. Чиковани

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Экономическое и социальное развитие подразумевает научно-технический прогресс и расширение объемов производства продукции машиностроения, металлообрабатывающей, станкостроительной, горнодобывающей промышленности и других отраслей техники. В современном машиностроении широко используются металлокерамические твердые сплавы. Поэтому создание новых инструментальных металлов, в частности, спеченных твердых сплавов, позволяющих интенсифицировать процесс резания и повысить производительность обработки, является актуальным.

Острый дефицит вольфрама и кобальта, а также то обстоятельство, что спеченные твердые сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой, не удовлетворяют повышенным требованиям предъявленными к ним обусловили интенсивные поиски для создания мало — и безвольфрамных твердых сплавов. Разработаны и внедрены в производство безвольфрамные твердые сплавы на основе карбида титана типа ТН и карбонитрида титана типа КНТ, с никель-молибденовой связкой. Но их применение ограничено из-за невысоких механических характеристик.

Одним из перспективных материалов в качестве твердосоставляющего твердых сплавов, является карбид титана. Несмотря на то, что промышленная технология производства карбида титана и твердых сплавов на его основе уже разработана и освоена давно, все же до конца не раскрыта физическая природа роли морфологии и структуры исходного карбида титана и их взаимосвязь со структурой и свойствами спеченного твердого сплава. Поэтому исследование морфологических н структурных особенностей карбида титана является важным моментом. Также большое значение имеет усовершенствование технологических циклов производства твердых сплавов.

Исследованиями последних лет убедительно доказано, что триботехнические характеристики материалов определяются свойствами пленок, непосредственно формирующихся на

поверхностях трения. Поэтому изучение процесса формирования структуры, механизмов пластической деформации поверхности спеченных твердых сплавов имеет важное значение.

Комплексное изучение физико-механических свойств и структур твердых сплавов дает возможность сознательно регулировать состав сплавов и технологию их производства с целыо улучшения характеристики готовой продукции. Важное значение имеет также усовершенствование современных методов исследования.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целыо настоящей работы является изучение особенностей структурных превращении карбида титана при его получении и при различных внешних воздействиях; комплексное исследование физических основ производства твердых сплавов с целью его усовершенствования; разработка износостойких твердых сплавов на основе карбида титана с высокими физико-механическими свойствами; изучение структуры и физико-механических свойств разработанных твердых сплавов; разработка новых методов препарирования образцов для металлографического и электронномикроскотгческого исследования и создание соответствующего устройства.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Изучены кристаллографические и морфологические особенности превращения карбида титана, происходящие при его получении и различных внешних воздействиях. Впервые найдены нолитипные и гексагональное структурные состояния карбида титана.

— Выявлены недостатки технологии производства спеченных твердых сплавов, связанные с неравномерным распределением в прессовке частиц карбида титана и связывающего материала и уху'дшением пресеуемости порошка твердосплавной шихты из-за сильного наклепа компонентов; предложена новая технология, устраняющая эти недостатки.

— Разработаны новые мало — и безвольфрамовые спеченные твердые сплавы на основе карбида тагана с М-МоЛУ, Гч-Ре и №Мо-№ связкой.

— Изучены структуры и физико-механичсские свойства разработанных сплавов, показывающие, что эти сплавы по эксплуатационным и прочностным характеристикам превосходят существующие твердые сплавы.

— Создано устройства "Спектрогальваностат", которое даст возможность повысить информативность структурного и коррозионно-химического поведения материалов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Комплексный подход к производству спеченных твердых сплавов дал возможность разработать твердые сплавы на основе карбида титана, которые защищены авторскими свидетельствами. А их внедрение в промышленность дало экономический эффект исчисляющийся несколькими сотнями тысяч рублен в год.

Разработашюе б соавторстве устройство — "Спектро-потенциостат" защищено авторским свидетельством, запатентовано в ФРГ, США, Японии и проданы лицензии в ФРГ и Японию. Разработанное модернизированное устройство "Спектрогальваностат" также защищено авторским свидетельством, характеризуется упрощенной конструкцией и повышенной информативностью.

Научные результаты полученные в работе могут быть использованы при совершенствовании и технологии спеченных твердых сплавов. В научно-исследовательских и заводских лабораториях будет полезно использование разработанного устройства для ускоренного определения коррозионной стойкости новых материалов, определения технологических параметров при выделении компонентов из химических отходов методом электролиза и нанесении гальванопокрытии.

ПОЛОЖЕНИЯ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1 .Гексаногальное и полптипиые структуры фазово-структурного превращения кубического карбида титана при микропластической деформации, плазменного переплава, самораспростраияющем высокотемпературном синтезе, высокотемпературной конденсации, ионной имплантации и взрыве.

2. Выявленные недостатки технологии производства спеченных твердых сплавов.

3. Новая технология получения спеченных твердых сплавов включающая добавление пластифицирующих веществ при размоле твердосплавных смесей, впоследствии предохраняющая порошок от окисления, улучшающая прессуемость шихты и характеристики готовой продукции.

4. Разработанные мало — и безвольфрамовые спеченные твердые спиты на основе карбида титана с М-МоЛУ, М-Рс и №-Мо-1ЧЬ связкой, превосходящие по физико-механическим и эксплуатационным свойствам существующие спеченные твердые сплавы.

5. Устройство для ускоренного определения коррозионно-химического поведения и структурного состояния материалов, функционирующее на принципе образования градиента потенциала на поверхности образца в электролите.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и совещаниях: XIX Республиканская научно-техническая (г. Тбилиси, 1975 г.); Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы производства и применения твердых сплавов" (г. Свердловск, 1977 г.); Всесоюзный симпозиум "Проблемы создания н внедретгия высокоэффективных режущих инструментов с пониженным содержанием вольфрама" (г. Тбилиси, 1977 г.); "Первая республиканская научно-техническая конференция по проблемам эффективного использования вторичных ресурсов в народном хозайстве" (г. Тбилиси, 1981 г.); IV тематическая сессия научног о Совета по проблеме "Теория и практика процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза" (г. Боржоми, 1981 г.); IV Всесоюзный симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел — "РЭМ-84" (г. Звенигород, 1984 г.); IX Европейский конгресс по электронной микроскопии (г. Будапешт, 1984 г.); VI Международный симпозиум по использованию энерпш взрыва для производства металлических материалов с новыми свойствами (ЧССР, г. Готвальдов, 1985 г.); Третья Всесоюзная школа по диаграмам состояния в материаловедении (г. Одесса, 1986 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Содержание диссертации отражено в 18 опубликованных работах, в том числе в 9 изобретениях и патентах, перечень которых приведен в конце работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа содержит 136 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 42 рисунка и библиографию го 161 наименований.

Общепринято, что в системе П-С существует лишь монокарбид титана с кубической решеткой, структурный тип №С1 (В1), с широкой

областью гомогенности. Но в литературе приводятся сведения и о других модификациях карбида титана. Дашгые часто противоречивы.

В работе впервые показано, что микроплаотнческая деформация кубического карбида титана выбывает его превращение в 6Н политип. Гексагональная элементарная ячейка кристаллической решетки характеризуется параметрами: а=Ь=3,05 А и с=14,96 А.

При получении тонких пленок методами электронно-лучевого и лазерного распыления карбида титана или его компонентов, в них образуется новая гексагональная структура карбида титана —ИВС5.

Образование этой структуры происходит путем упорядочения дефектов упаковки и углеродных вакансии карбида титана с кристаллической решеткой типа \'аС1. Новая фаза имеет параметры: а=Ь=5,29 А, с=9,96 А.

В образцах карбида титана полученных методами плазменного переплава, спекания, СВС, вакуумно-термической активации и взрыва, существует микроучастки соответствующие политипиым и Т1ВС5 структурам карбида гитана.

Стандартная технология спеченных твердых сплавов характеризуется недостаткам:; связанных с неравномерными распределением компонентов в шихте и ухудшением прессуемости из-за сильного наклепа частиц. Предложены новые технологии основанные на добавление пластифицирующих веществ в твердосплавную шихту во время размола и на плакирование дисперсных карбидных зерен улътрадисперсными металлами применяемых в качестве связки.

Разработаны новые мало — и безвольфрамовые спеченные твердые сплавы на основе карбида титана с ЭД-Мо-УУ, №Мо-]Ч1> и №Ре связками. Определены их структуры и физико-механические свойства. Показано, что сплавы системы Т1С-№ характеризуются низкими свойствами. Легирование связки одновременно молибденом и вольфрамом или молибденом и шюбием значительно увешгчивает физжо-механические и эксплоатациониые свойства сплавов при скоростном резашга материалов. А легирование сплавов системы ПС-№ железом дает возможность их применегаи в качестве технологической оснастки.

Разработан метод препарирования образцов для металлографических элетсгроиномикроскогпгческпх исследовании и создано соответствующее устройство "Спектрогальваностат", принцип работы

которого основан на образование градиента потенциалов в электролите вдоль поверхности образца. Разработанное устройство можно применить для изучения коррозионно-электрохимичеекого поведения материалов в разных средах.

Результаты диссертации опубликовании в следующих работах

1. Лоладзе Т. Н., Кочиашвнли О. В., Джалабадзе II. В. и Микаиадзе А. И.

Спеченный твердый сплав. АС №616978, М. Кл. С 22 С 29/00 4 с.

2. Лоладзе Т. Н., Шарашенндзе Г. Г. н Джалабадзе Н. В. Спеченный твердый

сплав. АС №707364, 1979, М. Кл. С 22 С 29/00 6 с.

3. Лоладзе Т. Н., Кочиашвилн О. В., Микаиадзе А. И., Джалабадзе Н. В., п

др. Маловлоьфрамовые к безвольфрамовые твердые сплавы типа Т н ТП. В кн: Т. Н. Лоладзе и др. Грузинский политехнический институт им В. И. Ленина — производству ГПИ, Тбилиси, 1980, с. 8-11.

4. Лоладзе Т. Н., Кутелия Э. Р., Джалабадзе Н. В., Табатадзе Г. С. Исследование .морфологических особенностей компонентов твердых сплавов при их производстве. Сообщение АН ГССР, 111, №2, 1983, с. 265-268.

5. Лоладзе Т. Н., Кутелия Э. Р., Джалабадзе Н. В. Исследование полированных поверхностей твердосплавных материалов и спеченных компонентов сплава. Сообщение АН ГССР, 111, №1, 1983, с. 41-44.

6. Лоладзе Т. Н., Шарашенидзе Г. Г. и Джалабадзе Н. В. Спеченный твердый сплав на основе карбида титана. АС №1104906, 1984, М. Кл. С 22 С 29/00, 5 с.

7. Джалабадзе Н. В., Кутелия Э. Р. Методика препарирования образцов из

спеченных твердых сплавов в РЭМ. Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел — "РЭМ-84", Звенигород, 1984, с. 178.

8. Kutelia Е. R., Jalabadze N. V., Etcraslnili Т. V., Loladze Т. N. Electron optical studies of titanium monocarbide transformation. Eigth European Congress on Electron Microscopi, Budapest, 1984. V.2, p 725-726.

9. Asatiani G. N., Pikus E. A., Kutelia E. R., Civcivadze D. M., Mudziri J. M., Dzalabadze N. Y. Vorrichtung zur Bestimmung der Korrosion-sbestandigkeit der Metalle durch eiektrolytisclies Atzen. Deutsches Patent DE 353519 AI, 1985, Int. CI. G01 N 17/00, 19p.

10. Тавадзе Ф. Н., Гоцирпдзе Г. Г., Джалабадзе Н. В., Пеикришвилн А. Б. Взрывное прессование некоторых карбидов и боридов при высоких температурах. Труды VI международного симпозиума по использованию энергии взрыва для производства металлических материалов с новыми свойствами. Готвальдов, 1985, с. 453-458.

И. Asatiani G. N., Piláis Е. A., Kiitelia Е. R., Tsivtsivadze D. М., Miidzhiri Y. N., Dzalabadze N. V. Device for electrochemical-etching determination of corrosion resistence of metals. United States Patent 4, 695, 360, 1987, Int. CI. G01 N 27/46, 8p.

12. Асатиани Г. H., Пикус Е. А., Кутелия Э, Р., Цивиквадзе Д. М., Муджнри Я. Н., Джалабадзе Н. В. и Агладзе Г. Р. Устоиство для ускоренного определения коррозийной стойкости металлов электрохимическим травлением. АС №1404901 Al, 1988, М. Кл. G 01 №17/00. 4 с.

13. Мцариашвили JI. В., Джапабадзе Н. В. Твердый сплав, полученный из титановых отходов. Порошковая металлургия, 1988, №2, с. 97-101.

14. Лоладзе Т. Н., Шарашспндзе Г. Г., Джалабадзе Н. В. Спеченный твердый сплав на основе карбида титана. АС №1535053 Al, 1989, М. Кл С 22 С 29/00, 2 с.

15. Эристави Б. Г., Диасамндзе Э. М., Декапоеидзс Р. Н., Джалабадзе Н. В., Кутелия Э. Р., Сичинава А. В., Небиерпдзе Ц. М. Поведение углерода, имплантированного в иолнкристалличеекий никель. Поверхность. 1990, №7, с. 137-141.

16. Джалабадзе Н. В. Устройство для определения коррозийной стойкости материалов при электрохимическом травлении. АС №1642843А1, 1990, М. Кл. G 01 №17/02, 4 с.

17. Джалабадзе Н. В., Готиашвили Г. ¡VI., Борпсешсо Н. И. и Церцватдзе Г. Д. Способ получения карбида титана. АС №16558559 Al, 1991, М. Кл. С 01В 31/30,3 с.

18. Эристави Б. Г., Диасамндзе Э. М., Деканосидзе Р. Н., Майсурадзе И. И., Кутелия Э. Р., Джхтабадзе Н. В., Сичинава А. В. Поведение углерода, имплантированного в поликристаллический гитан. Поверхность, 1994, №10-11, с. 103-109.