Разработка состава сплава-связки на железной основе для макрогетерогенных композиционных материалов

Abstract

RU: Использование композиционных покрытий позволяет решить проблему продления срока службы быстроизнашивающихся деталей оборудования. Для увеличения износостойкости покрытий необходима разработка состава сплава-связки на железной основе для композиционных материалов, упрочненных гранулами карбидов вольфрама. Методика. Макрогетерогенные композиционные материалы, упрочненные гранулами карбидов вольфрама, изготавливали методом свободной пропитки при температуре 1453 К в течение 30 минут. В качестве металлических связок использовали сплавы Fe–3%C–1,8%B–1%P и Fe–3%C–1,8%B–1%P–0,5%Мо. Структуру композиционных материалов исследовали методами металлографического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов. Для контроля структурного и фазового состава зон контактного взаимодействия, образующихся между наполнителем и связкой при пропитке, использовалиоригинальную методику статистического анализа структуры. Результаты. Установлено, что легирование сплава-связки Fe–C–B–P молибденом позволяет уменьшить интенсивность процессов контактного взаимодействия между наполнителем и расплавленной связкой при пропитке. За счет этого подавляется выделение нежелательных хрупких фаз Fe3W3C и аустенита в структуре зон контактного взаимодействия. Показано, что точность определения количественных характеристик структуры можно существенно повысить благодаря использованию предложенной методики статистического анализа микрофотографий. Рассчитаны суммарные энтропии фаз в зонах контактного взаимодействия с использованием кривых распределения плотности вероятности попадания значений интенсивности отраженного от шлифа света от микроскопа в заданный интервал. Научная новизна. Изучены закономерности структурообразования зон контактного взаимодействия, образующихся между сплавом-наполнителем W–C и затвердевшими сплавами-связками Fe–C–B–P и Fe–C–B–P–Мо, в структуре композиционных материалов. Для идентификации и определения относительного содержания фаз использована оригинальная методика статистического анализа структуры. Выполнен расчет суммарной энтропии фаз в зонах контактного взаимодействия, что позволило объяснить снижение интенсивности процессов растворения гранул наполнителя в расплавленной связке Fe–C–B–P–Мо при пропитке. Практическая значимость. Разработан состав сплава-связки на железной основе для пропитки макрогетерогенных композиционных материалов, упрочненных карбидами вольфрама. Использование предложенного сплава-связки позволит повысить износостойкость композиционных материалов за счет подавления образования хрупких фаз в структуре зон контактного взаимодействия. Разработанный состав сплава-связки можно рекомендовать для получения защитных композиционных покрытий на поверхности быстроизнашивающихся деталей металлургического и машиностроительного оборудования, работающих в условиях абразивного и газо-абразивного износов.

UK: Застосування композиційних покриттів дозволяє вирішити проблему подовження терміну роботи швидкозношуваних деталей обладнання. Для підвищення зносостійкості покриттів необхідна розробка складу сплаву-зв’язки на залізній основі для композиційних матеріалів, зміцнених гранулами карбідів вольфраму. Методика. Макрогетерогеннікомпозиційні матеріали, змінені гранулами карбідів вольфраму, виготовляли методом вільного просочення при температурі1453 К протягом 30 хвилин. В якості металевої зв’язки застосовували сплави Fe–3%C–1,8%B–1%P і Fe–3%C–1,8%B–1%P–0,5%Мо. Структуру композиційних матеріалів досліджували методами металографічного, рентгеноструктурного імікрорентгеноспектрального аналізів. Для контролю структурного і фазового состава зон контактної взаємодії, що утворюються між наповнювачем і зв’язкою при просоченні, використовували оригінальну методику статистичного аналізуструктури. Результати. Встановлено, що легування сплаву-зв’язки Fe–C–B–P молібденом дозволяє зменшити інтенсивність процесів контактної взаємодії між наповнювачем і розплавленою зв’язкою при просоченні. За рахунок цього усуваєтьсявиділення небажаних крихких фаз Fe3W3C і аустеніту в структурі зон контактної взаємодії. Показано, що точність визначеннякількісних характеристик структури можна суттєво підвищити завдяки застосуванню запропонованої методики статистичного аналізу мікрофотографій. Розраховані сумарні ентропії фаз у зонах контактної взаємодії за допомогою кривих розподілу густини ймовірності потрапляння значень інтенсивності відбитого від шліфа світла від мікроскопу в заданий інтервал.Наукова новизна. Вивчені закономірності структуроутворення зон контактної взаємодії, що утворюються між сплавом-наповнювачем W–C і затверділими сплавами-зв’язками Fe–C–B–P і Fe–C–B–P–Мо, в структурі композиційних матеріалів. Для ідентифікації і визначення відносного вмісту фаз застосовано оригінальну методику статистичного аналізу структури. Виконано розрахунок сумарної ентропії фаз у зонах контактної взаємодії, що дозволило пояснити зниження інтенсивності процесів розчинення гранул наповнювача в розплавленій зв’язці Fe–C–B–P–Мо при просоченні. Практична значимість. Розроблено склад сплаву-зв’язки на залізній основі для просочення макрогетерогенних композиційних матеріалів, зміцнених карбідами вольфраму. Застосування запропонованого сплаву-зв’язки дозволить підвищити зносостійкість композиційних матеріалів за рахунок усунення утворення крихких фаз у структурі зон контактної взаємодії. Розроблений склад сплаву-зв’язки може бути рекомендований для отримання захисних композиційних покриттів на поверхні швидкозношуваних деталей металургійного і машинобудівного обладнання, що працюють в умовах абразивного і газо-абразивного зносів.

EN: Application of composite coatings allows solving the problem of prolongation of service life of quicklyworn equipment parts. The development of iron-based binder composition for composites reinforced with tungsten carbides is imperative to enhance wear resistance of the coatings. Methodology. The macroheterogeneous composites reinforced with tungsten carbides were produced by infiltration at 1453 К during 30 minutes without applying pressure. The Fe–3%C–1,8%B–1%P and Fe–3%C–1,8%B–1%P–0,5%Мо alloys were used as metal binders. The structure of the composites was investigated by metallographic, Xray, and energy dispersive X-ray analyses. To control structural and phase composition of contact interaction zones appearing

between the filler and the binder during infiltration an original method of statistical structural analysis was applied. Findings. Alloying the Fe–C–B–P binder with molybdenum is established to allow decreasing the intensity of contact interaction processes between the filler and the molten binder during infiltration. As the result, the undesirable brittle Fe3W3C and austenite phases do not appear in the structure of contact interaction zones. It is shown that the accuracy of quantitative characteristics determination can be essentially improved thanks to application of the suggested statistical analysis of microphotographies. Total entropies of the contact interaction zones phases are calculated using probability density curves showing the hitting of the certain interval by the intensities of the microscope light reflected from the polished section. Originality. The regularities of the structure formation of the contact interaction zones appearing between the W–C filler and the solidified Fe–C–B–P or Fe–C–B–P–Мо binders were investigated. To identify and determine relative phase content the original method of statistical structural analysis was applied. Total entropies of the contact interaction zones phases were calculated which allowed explaining the decrease in dissolution rate of the filler in the molten Fe–C–B–P–Мо binder during infiltration. Practical value. The iron-based binder composition is developed to infiltrate macroheterogeneous composites reinforced with tungsten carbides. The application of the suggested binder allows increasing the wear resistance of the composites due to contact interaction zones being free from the brittle phases. The developed binder can be recommended to obtain composite coatings to protect quickly-worn parts of metallurgical and machine-building equipment working in abrasive and gas-abrasive media.