Influence of the chemical composition of the matrix on the structure and properties of monolithic SHS composites

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The development of new wear-resistant materials obtained by the method of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) is an urgent problem in materials science. The SHS method is most widely used in the field of creating new powder materials. Much less attention has been paid to the production of monolithic non-porous composites. For monolithic composites, it is very important to identify the role of the metal matrix and phase transformations in the process of secondary structure formation after the completion of the synthesis process when the obtained material is cooled. The aim of this work was to carry out a comparative analysis of the structure and properties of SHS composites of the Fe-Ti-C-B, Fe-Ni-Ti-C-B, Fe-Ni-Cr-Ti-C-B, and Cu-TiC-B systems. Materials and research methods. Composites were obtained from powder mixtures consisting of thermoreactive components Ti, C, and B, as well as matrix Fe, Fe-Ni, Fe-Ni-Cr, and Cu. The initial powders were thoroughly mixed, loaded into a steel tube container, and the powder mixture was preliminary compacted. Then, the workpieces were heated in an electric furnace to the temperature of the onset of autoignition. After completion of the SHS, the workpieces were deformed with a force of 250 MPa in a hydraulic press at a temperature not lower than 1000 ° C. Samples were cut from the obtained sandwich plates for microstructural studies, density determination, hardness measurements, transverse bending tests and abrasive wear resistance tests. Results and discussion. All investigated composites were characterized by an uneven distribution of strengthening particles TiC and TiB2 over the volume. The use of the Fe-Ni matrix led to the formation of regions with the γ-Fe + Fe2B eutectic structure in the composite and an additional strengthening phase Ni3Ti. The use of Fe-Ni-Cr metal-matrix components led to the formation of two solid solutions in the matrix - austenite and ferrite, and Cr23C6 particles were formed along the boundaries of austenite grains. The maximum transverse bending strength was shown by SHS composites of the Fe-Ti-C-B and Cu-Ti-C-B systems with a matrix of FCC solid solutions. All composites had a hardness of 66 -72 HRC and showed the same abrasion resistance.

About the authors

N. B. Pugacheva

Email: nat@imach.uran.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Institute of Engineering Science, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 620049, Russian Federation, nat@imach.uran.ru

Y. V. Nikolin

Email: sf.ekb@mail.ru
Solid Flame Ltd., Lenin Ave., 54, box. 5, Yekaterinburg, 620075, Russian Federation, sf.ekb@mail.ru

T. M. Bykova

Email: tatiana_8801@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Engineering Science, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 620049, Russian Federation, tatiana_8801@mail.ru

E. I. Senaeva

Email: nata5-4@yandex.ru
Institute of Engineering Science, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 34 Komsomolskaya str., Yekaterinburg, 620049, Russian Federation, nata5-4@yandex.ru

References

  1. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / Е.А. Левашов, А.С. Рогачев, В.В. Курбаткина, Ю.М. Максимов, В.И. Юхвид. – М.: МИСиС, 2011. – 378 с. – ISBN 978-5-87623-463-6.
  2. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. – М.:Физматлит, 2012. – 400 с. – ISBN 978-5-9221-1441-7.
  3. Физикохимические и технологические основы СВС / Е.А. Левашов, А.С. Рогачев, В.И. Юхвид, И.П. Боровинская. – М.: БИНОМ, 1999. – 176 c. – ISBN 5-7989-0126-2.
  4. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. – М.: Машиностроение-1, 2007. – 567 с. – ISBN 978-5-94275-360-3.
  5. Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез // Физическая химия. Современные проблемы / под ред. Я.М. Колотыркина. – М.: Химия, 1983. – С. 6–44.
  6. Nanoparticle dispersionstrengthened coatings and electrode materials for electrospark deposition / Е.А. Levashov, P.V. Vakaev, E.I. Zamulaeva, A.E. Kudryashov, Yu.S. Pogozhev, D.V. Shtansky, A.A. Voevodin, A. Sanz // Thin Solid Films. – 2006. – Vol. 515, iss. 3. – P. 1161–1165. – doi: 10.1016/j.tsf.2006.07.140.
  7. Влияние легирования композитных Ti–TiC-покрытий переходными и вентильными металлами на их структуру и механические свойства / И.Г. Жевтун, П.С. Гордиенко, Ю.Н. Кульчин, Е.П. Субботин, С.Б. Ярусова, А.В. Голуб // Физика металлов и металловедение. – 2019. – Т. 120, № 1. – С. 27–33. – doi: 10.1134/S0015323018100157.
  8. Щукин А.С., Сычёв А.Е. Особенности строения переходной зоны NiAl/Mo, сформированной в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Физика металлов и металловедение. – 2019. – Т. 120, № 9. – С. 925–930. – doi: 10.1134/S0015323019090134.
  9. Microstructure and mechanical properties of TiC-TiN-Zr-WC-Ni-Co cermets / X. Zhang, N. Liu, C. Rong, J. Zhou // Ceramics International. – 2009. – Vol. 35, iss. 3. – P. 1187–1193. – doi: 10.1016/j.ceramint.2008.06.005.
  10. Heiligers Ch., Neethling J.H. Crystal structure of the binder phase in a model HfC-TiC-Ni material // Journal of Alloys and Compounds. – 2008. – Vol. 453, iss. 1–2. – P. 222–228. – doi: 10.1016/j.jallcom.2007.05.094  .
  11. Zhang X., Liu N. Effects of ZrC on microstructure, mechanical properties and thermal shock resistance of TiC-ZrC-Co-Ni cermets // Materials Science and Engineering: A. – 2013. – Vol. 561. – P. 270–276. – DOI: 10.1016 / j.msea.2012.11.003.
  12. Kwon W.T., Park J.S., Kang S. Effect of group IV elements on the cutting characteristics of Ti(C,N) cermet tools and reliability analysis // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 166, iss. 1. – P. 9–14. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2004.06.009.
  13. Mechanochemical synthesis of nanocomposite powder for ultrafine (Ti, Mo)C-Ni cermet without core-rim structure / Y.-K. Kim, J.-H. Shim, Y.W. Cho, H.-S. Yang, J.-K. Park // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2004. – Vol. 22, iss. 4–5. – P. 193–196. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2004.06.004.
  14. LaSalvia J.C., Kim D.K., Meyers M.A. Effect of Mo on microstructure and mechanical properties of TiC–Ni-based cermets produced by combustion synthesis – impact forging technique // Materials Science and Engineering: A. – 1996. – Vol. 206, iss. 1. – Р. 71–80. – doi: 10.1016/0921-5093(95)09994-8.
  15. Effect of Mo addition on microstructure and mechanical properties of (Ti,W)C solid solution based cermets / G. Zhang, W. Xiong, Q. Yang, Z. Yao, S. Chen, X. Chen // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2014. – Vol. 43, iss. 4–5. – P. 77–82. – DOI: 10.1016 / j.ijrmhm.2013.11.004.
  16. Ettmayer P. Hardmetals and cermets // Annual Review of Materials Research. – 1989. – Vol. 19. – P. 145–164. – doi: 10.1146/annurev.ms.19.080189.001045.
  17. Хусид Б.М., Мержанов А.Г. Структурные превращения при безгазовом горении гетерогенных систем с плавящимся металлическим реагентом // Доклады АН СССР. – 1988. – Т. 298, № 2. – С. 414–417.
  18. Holt J.B, Munir Z.A. Combustion synthesis of titanium carbide – theory and experiment // Journal of Materials Science. – 1986. – Vol. 21. – P. 251–259. – DOI: 10.1007 / BF01144729ID.
  19. Technological aspects of manufacturing new synthetic titanium and molybdenum carbide-based tool materials / E.A. Levashov, B.V. Vyushkov, K.N. Egorychev, I.P. Borovinskaya // International Journal of SHS. – 1996. – Vol. 5, iss. 3. – Р. 293.
  20. Levashov E.A., Kurbatkina V.V. Regularities of composite materials with micrograded grain structure formation // Materials Science Forum. – 2004. – Vol. 492–493. – P. 615–620. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.492-493' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.492-493.
  21. Effects of nanocrystalline powders additions on the characteristics of combustion process, phase and structure-formation, and properties of SHS alloys on titanium carbide base / E.A. Levashov, O.V. Malochkin, A.E. Kudryashov, F. Gammel, R. Suchentrunk // Journal of Materials Synthesis and Processing. – 2002. – Vol. 10, iss. 5. – P. 231–236. – doi: 10.1023/A:1023033907477.
  22. Nowotny H., Rogl P., Schuster J.C. Structural chemistry of complex carbides and related compounds // Journal of Solid State Chemistry. – 1982. – Vol. 44, iss. 1. – P. 126–133. – doi: 10.1016/0022-4596(82)90409-1.
  23. Многослойная износостойкая пластина / Николин Ю.В., Зяткевич В.В., Блинков О.Г... Приоритет от 07.08.2014 до 07.08.2024.
  24. Патент 2680489 Российская Федерация. Способ изготовления многослойной износостойкой пластины / Николин Ю.В., Матевосян М.Б., Кочугов С.П., Пугачева Н.Б. – Заявл. 10.11.2017; опубл. 21.02.2019, Бюл. № 6.
  25. Структура СВС-композитов системы Fe-Ti-C-B / Н.Б. Пугачева, Ю.В. Николин, Е.И. Сенаева, И.Ю. Малыгина // Физика металлов и металловедение. – 2019. – Т. 120, № 11. – С. 1174–1180. – doi: 10.1134/S0015323019110135.
  26. Вихретоковый контроль структурного состояния, твердости и абразивной износостойкости высокопрочного чугуна, подвергнутого лазерной закалке и последующему отпуску / А.В. Макаров, Э.С. Горкунов, Л.Х. Коган, И.Ю. Малыгина, А.Л. Осинцева // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2015. – Iss. 6. – С. 90–103. – doi: 10.17804/2410-9908.2015.6.090-103.
  27. Влияние лазерной закалки и последующей термической обработки на структуру и износостойкость цементированной стали 20ХН3А / А.В. Макаров, Л.Г. Коршунов, И.Ю. Малыгина, А.Л. Осинцева // Физика металлов и металловедение. – 2007. – Т. 103, № 5. – С. 536–548.
  28. РД 50-672–88. Расчеты и испытания на прочность. Классификация видов изломов. Методические указания. – М.: Госстандарт, 1989. – 21 с.
  29. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. – М.: Наука, 1970. – 252 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).