Сборник научных трудов ДонНТУ - 2012. Серия: металлургия
  Публикация №13

Оценка перспектив создания композиционных материалов на основе Ti-Cu матрицы, упрочненной TiC

В.В. ПАШИНСКИЙ (д-ртехн.наук, доц.), М.Г. СУББОТИНА
Донецкий национальный технический университет, Донецк

УДК 621.763

В статье рассматриваются такие вопросы: выбор количественного состава матрицы и количества добавок TiC; выбор температуры спекания порошков исходных материалов; изучение микроструктуры и микротвёрдости готового композита. Было установлено, что при выборе состава матрицы наиболее перспективным оказался состав 10% Ti и 90% Cu. В материале с 30% TiC после спекания при 1100±10oС образуется трёхфазная структура, в которой связка достаточно равномерно распределена в отличие от состава с большим содержанием TiC (где её недостаточно для смачивания всего количества карбида). Микротвёрдость матрицы такого материала составила 3590±137 Н/мм2.

Ключевые слова: композиционный материал, карбид титана, порошок, спекание, матрица, медь, титан, смачивание, краевой угол.

Введение

Среди существующих композиционных материалов большую часть занимают материалы, полученные из дисперсных тугоплавких частиц, внедрённых в более легкоплавкую матрицу. Популярность применения карбида титана в таких композициях обусловлена такими его положительными качествами, как высокая твёрдость, модуль упругости, хорошая смачиваемость расплавленными Ni, Fe, Co. Краевые углы смачивания кр TiC этими металлами в вакууме соответственно равны: Co – 5o (1500oС), Ni – 38o (1500oС), Fe – 41o (1550oС) [1].

Столь малые углы смачивания дают хорошие предпосылки для создания материалов с матрицей на основе перечисленных металлов. Однако существует группа металлов, имеющих малое сродство к карбиду титана и большие кр. К таким металлам относится, среди прочих, медь: кр Cu – 100o (1100oС) [1-2]. Увеличение смачиваемости TiC при использовании этого металла в качестве связки может быть достигнуто использованием адгезионно-активных добавок, таких титан. Ведение его в небольших количествах - 3..10% - значительно снижает кр [1-4]. Таким образом, существует предпосылка успешного создания композита с матрицей медь-титан.

Состояние двойной металлической системы Ti-Cu описывается соответствующей диаграммой, приведённой на рисунке 1.

Диаграмма состояния системы Cu-Ti

Рисунок 1 – Диаграмма состояния системы Cu-Ti [5].

В интервале концентраций титана 5-10%мас. в системе реализуется перитектическое превращение Ж+(Cu)->Cu4Ti, температура перитектического равновесия tпер = 892oС. Структура и свойства такого сплава изучены в малой степени, поэтому представляет собой интерес рассмотрение с точки зрения использования в качестве матрицы для композиционного материала.

Цель работы

Целью данной работы является изучение возможности создания материала на основе Cu-Ti, упрочнённого TiC, используя метод спекания порошков без приложения внешнего давления.

Основная часть

Материалом для изготовления образцов служил порошок титана фракцией меньше 100 мкм (Ti>99%) и измельчённая стружка меди марки М0. Выбранные составы и температуры спекания приведены в таблице 1.

Спекание проводилось в лабораторной печи с окислительной атмосферой. Исходные материалы размещались в тигле согласно увеличению их плотности: внизу тигля помещался порошок титана (p=4,54 г/см3), а выше слой меди (p=8,92 г/см3). Такое расположение исходных материалов обеспечивает естественное перемешивание расплава и частиц карбида титана во время спекания. Для предотвращения окисления на поверхность насыпался порошок карбюризатора. После выдержки при температуре спекания тигли охлаждались в печи до полного остывания.

Таблица 1 – Состав спекаемого сплава Ti-Cu.

Состав спекаемого сплава Ti-Cu

Сплавы составов №1-6 были получены при различной температуре нагрева – близкой к температуре ликвидуса (составы №1, 3, 5) и на приблизительно 50oС выше её (составы № 2, 4, 6).

В образцах составов № 1, 3, 5 после охлаждения медь и титан не образовали гомогенного материала, присутствовали скопления порошков, не перемешавшихся друг в друге (рис. 2,а). Это говорит о том, что выбранная температура нагрева была ниже необходимой.

В структуре образца состава №2 (с 5% мас Ti) обнаружен твёрдый раствор на основе меди (рис. 2, б) без признаков произошедшего перитектического превращения.

Это свидетельствует о том, что в данном сплаве область, претерпевающая данное превращение, смещена вправо (в сторону больших концентраций титана). Это могло произойти в силу неравновесных условий охлаждения либо метастабильности сплава.

Структура образца состава №4 (с 7,5% мас Ti) состояла из твёрдого раствора на основе меди и выделений второй фазы - Cu4Ti (рисунок 2, в). На нетравленом шлифе эти фазы хорошо различимы по цвету. Сплав состава №6 (10% мас Ti) состоял также из двух фаз (рисунок 2, г), таким образом, при концентрации титана в сплаве 7,5 и 10% осуществляется перитектическое превращение.

На основании полученных данных были сделаны такие предварительные выводы:

  • температуру нагрева для спекания выбирать на ~50oС выше температуры соответствующего ликвидуса;
  • провести спекание композиционных материалов, состоящих из матрицы 10%мас.Ti+90%мас.Cu и добавок 20,30 и 50%мас. TiC.

Спекание образцов, содержащих карбид титана, проводилось по описанной выше технологии. Для приготовления образцов был использован порошок карбида титана чистый для анализа. Тигель наполнялся также согласно плотности: порошок титана, порошок карбида титана (p=4,93 г/см3) и затем медь. Составы приведены в таблице 2.

Микроструктура полученных сплавов

Рисунок 2 – Микроструктура полученных сплавов.

Таблица 2 – Состав спекаемого композиционного материала.

Состав спекаемого композиционного материала

Сплав, содержащий 50% TiC, не обладал достаточной гомогенностью и однородностью. Объёма образовавшейся жидкости оказалось недостаточно для равномерного распределения по большому количеству карбида, в результате чего не образовался целостный материал. Содержимое тигля после охлаждения составляло порошок карбида титана, который не прореагировал с расплавом. Следовательно, содержание карбида должно быть уменьшено до 20 и 30%.

При 30% TiC (рис. 3,а) структура состояла из карбида титана и перитектики. Карбид титана был равномерно окружён матрицей, что говорит о хорошей смачиваемости TiCTi-Cu связкой. Скоплений карбида, изолированных от матрицы не обнаружено, значит, при спекании произошло перемешивание всех составляющих.

При введении 20% TiC (рис.3, б, в) в материале образуются участки двух типов – светлые на основе меди и тёмные области перитектики. Это означает, что исходные порошки не перемешались.

Причины такого расслоения требуют дальнейшего изучения, вероятнее всего, температура спекания была недостаточно высокая. В участках на основе меди наблюдаются продолговатые и овальные шлаковые включения.

Во всех полученных образцах выявлено большое количество пор, что характерно для используемого способа получения материала. На образцах была измерена микротвёрдость. В сплаве №6 - 10% Ti+90% Cu микротвёрдость составила 3843±215 Н/мм2, в сплаве с 30% TiC - 3590±137 Н/мм2 (для матрицы), в сплавах с 20% TiC для фазы на основе меди - 1683±134 Н/мм2 (№9) и 1701±137 Н/мм2 (№10).

Микроструктура полученных материалов

Рисунок 3 – Микроструктура полученных материалов

Выводы и перспективы дальнейших исследований

В результате выполненных исследований установлено, что Ti-Cu сплав может быть использован качестве матрицы композиционного материала на основе TiC. Рекомендуется использовать матрицу с концентрацией титана не менее 7,5%, в данной работе был использован сплав с 10%мас.Ti. Установлено, что этот состав обеспечивает удовлетворительное смачивание карбида титана при спекании. Было выяснено, что температура нагрева при спекании должна быть на ~50o выше температуры ликвидуса соответствующего состава.

При содержании в композите 50%мас.TiC объёма жидкости недостаточно для равномерного распределения по карбиду и однородный материал не образуется. Рекомендуются вводить карбид в количестве менее 50%. В данной работе изучены композиты с содержанием карбида титана 20 и 30%. Микротвёрдость матрицы такого материала составляет 3590±137 Н/мм2.

В дальнейшем перспективно провести спекание в вакууме этих же составов, а также оценить возможность использования добавок различных элементов, обладающих адгезионно-активным действием.

  • 1. Лисовский А.Ф. Формирование структуры композиционных материалов при обработке металлическими расплавами / А.Ф. Лисовский. – К.: Наукова думка, 2008. – 198с.
  • 2. Композиционные материалы: справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тернопольского. – М.: Машиностроение, 1990. – 510 с.
  • 3. Сумм Б.Д. Физико-химические основы смачивания и растекания / Б.Д. Сумм, Ю.В. Горюнов. – М.: Химия. – 1976. – 236 с.
  • 4. Сурков В.А. Исследование порошковых материалов на медной основе для изготовления антифрикционных изделий / А.В. Сурков // Вестник машиностроения. – 2010. – № 5. – С. 76-77.
  • 5. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник / под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение. – 2000. – Т.1. – 1024 с.
  Публикация №13
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ