Cx-X Электроразрядная обработка порошков твердых сплавов с целью изменения

Cx-X
Электроразрядная обработка порошков твердых сплавов с целью изменения
структуры и свойств консолидированных материалов
Е. В. Липян, О. Н. Сизоненко, А. И. Райченко*, Э. И. Тафтай,
А. Д. Зайченко, А. С. Торпаков, А. В. Деревянко*
Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины, 54018, пр. Октябрьский, 43а, Николаев, Украина
Институт проблем материаловедения им. И. М. Францевича НАН Украины, 03680, ул. Кржижановского, 3, Киев, Украина
*
Поиски путей улучшения основных характеристик твердых сплавов ведутся в направлении
повышения качества исходных материалов, усовершенствования их состава и методов
консолидации. Рассматривается возможность замены дорогих и дефицитных материалов в их
составе, в частности, карбида вольфрама, на карбид титана. Известно, что, используя
высоковольтный электрический разряд (ЭР), можно значительно уменьшить размеры порошков
различных материалов, генерировать в них высокую плотность линейных и точечных дефектов.
Активация порошков должна позитивно сказаться на процессе их консолидации и улучшить
качество материала.
Целью данной работы является исследование влияния ЭР обработки порошков твердых
сплавов на изменение структуры и основных свойств консолидированных материалов.
Обработке подвергались смеси композиционных порошков – Fe (75 %) – Ti (20 %) – C (5 %)
(масс.) в воде и керосине и ВК15 (85 %WC – 15 %Co) в керосине. При обработке запасаемая
энергия составляла 1 кДж, интегральная энергия воздействия – 1000 кДж. После обработки
жидкость
выпаривалась,
а
порошок
высушивался.
Выполнялся
компьютерный
гранулометрический анализ порошков до и после воздействия, а также рентгеноструктурный
анализ. Исследуемый порошок Fe–Ti–C консолидировался статическим прессованием при
давлении 650 МПа с последующим вакуумным спеканием при температуре 1050 °С. Порошок
ВК15 спекался на установке ЭРАН 2/1 при прямом пропускании суперпозиции постоянного и
переменного (частота 5000 Гц) тока при температуре 1380 °C. После спекания образцов
измерялась удельная плотность, твердость по Роквеллу и Виккерсу, проводился анализ
микроструктуры.
В исходной композиции Fe–Ti–C средний размер частиц порошков составлял d = 145 мкм,
средний фактор формы по Салтыкову F ≈ 0,58. После ЭР воздействия средние размеры
уменьшаются ~ в 2 раза при обработке в воде (d = 75 мкм, преобладают более округлые частицы,
F ≈ 0,64), а в керосине ~ в 3 раза (d = 50 мкм, поверхность частиц довольно развита, F ≈ 0,52).
Исходный порошок ВК15 был представлен более мелкими фракциями, однако тенденция
уменьшения среднего размера частиц (от 2,6 до 1,1 мкм) в результате ЭР воздействия сохранилась.
Значительно сужается диапазон распределения частиц (практически в 2 раза), более половины
частиц имеют размеры меньше 1 мкм, а форма частиц изменяется на более округлую.
Согласно данным рентгенофазового анализа ЭР воздействие в керосине на порошок Fe–Ti–C
приводит к образованию карбидов TiC и Fe3C и интерметаллида Fe2Ti. Рентгенофазовый анализ
исходных порошков ВК15 показал наличие трех фаз – кобальта Co, карбидов вольфрама W2C и
WC, а в обработанном порошке – Co, W2C, WC и графита С. Все фазы имеют относительно
нестехиометрический состав, все дифракционные максимумы уширяются при уменьшении
интенсивности, что вызвано уменьшением размера частиц.
Твердость образцов, спеченных из исходного порошка Fe–Ti–C, составила 5,8 ГПа по
Виккерсу и 52 HRC по Роквеллу, после ЭР обработки в керосине твердость возросла до 8,8 ГПа
и 64 HRC, после обработки в воде не отличалась от исходной. После ЭР обработки у спеченных
образцов ВК15 уменьшается размер зерна и исчезает η–фаза (сложного карбида), ухудшающая
прочностные свойства материала. Было отмечено снижение на ~20 % средней удельной плотности
образцов (с 14,01 до 11,18 г/см3), что связано с наличием пористости (4 %) и несвязанного
углерода (15 %), из-за чего твердость спеченного ВК15 снижается с 86 до 71,7 единиц HRA.
Выводы. Установлено, что ЭР обработка порошков Fe–Ti–C и ВК15 в углеводородной
жидкости приводит к значительному уменьшению среднего размера частиц, диапазона
распределения их размеров и формы. Доказана возможность ЭР синтеза карбидов титана, железа и
интерметаллидов в композиции порошков Fe–Ti–C и образования добавки графита С для порошка
ВК15. Выявлено существенное влияние новых фаз на структуру и свойства консолидированных
материалов, которое приводит к улучшению их прочностных характеристик, для композиции Fe–
Ti–C приближает их к уровню твердых сплавов.