Вплив умов термодеформаційного обробляння на структуру та механічні властивості системи Fe–Ti–C

А. В. Мініцький$^{1,2}$, Є. С. Шапошнікова$^{1}$, Є. Г. Биба$^{1,2}$, Н. В. Мініцька$^{1,4}$, О. В. Козленко$^{1}$, В. Л. Сироватка$^{3}$, Д. С. Леонов$^{4}$, М. Ю. Барабаш$^{1,2,4,5}$

$^{1}$Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», просп. Берестейський, 37, 03056 Київ, Україна
$^{2}$Інститут прикладних систем управління НАН України, просп. Академіка Глушкова, 42, 03187 Київ, Україна
$^{3}$Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, вул. Омеляна Пріцака, 3, 03142, Київ, Україна
$^{4}$Технічний центр НАН України, вул. Покровська, 13, 04070 Київ, Україна
$^{5}$Інститут газу НАН України, вул. Дегтярівська, 39, 03113 Київ, Україна

Отримано: 11.12.2025; остаточний варіант - 12.12.2025. Завантажити: PDF

У роботі досліджено вплив термодеформаційного оброблення на структуру та фізико-механічні властивості металокерамічного композиційного матеріялу системи Fe–Ti–C, який було синтезовано методою in situ з порошкової суміші складу: Fe — 86,0%, Ti — 10,0%, графіт — 4,0%. Карбід Титану (TiC) є армованою фазою, оскільки він має високу твердість (30 ГПа), високу температуру топлення (≅ 3100°С та низьке значення кута змочування з залізом (≅ 20°), що сприяє формуванню когерентного зв’язку на межі поділу фаз. Зразки сформовано шляхом пресування під тиском до 700 МПа, що дає змогу понизити пористість до ≅ 6%. Спікання відбувалося за Т = 1000–1050°C. Встановлено, що після спікання в структурі матеріялу формується характерна мікроструктура типу «ядро–оболонка», де у композитній системі зерна Ti оточено шаром TiC. Товщину карбідного прошарку обмежено дифузійними процесами, а його зростання із підвищенням температури від 1000°C до 1050°C (з 5–10 мкм до 10–15 мкм) відповідає механізму об’ємної дифузії вздовж меж зерен. Ключовим етапом оброблення є гаряче кування брикетів за Т = 1100°C. Визначено, що гаряче кування приводить до істотних мікроструктурних змін: сферичні включення TiC деформуються та витягуються в напрямку течії металу, що зумовлює виникнення механічної анізотропії властивостей. Кування впливає на значне деформаційне зміцнення й утворення цементиту (Fe3C). Наявність фази (Fe3C) підтверджується рентґенофазовою аналізою. Для кованих зразків спільний ефект зазначених механізмів забезпечує підвищення твердости та міцности на стиск на ≅ 65–70%, досягаючи 630,3 МПа. Найвищі показники твердости складають 104–109 HRB за комбінації процесу кування та гартування у воду. Показано, що сформована гетерофазна структура системи Fe–Ti–C поєднує собою когерентний зв’язок між твердою зміцненою фазою (Fe3C) та пластичною металевою матрицею із криці, що сприяє підвищенню зносостійкости, а тверді включення Ti–TiC ефективно локалізують абразивне навантаження.

Ключові слова: металокерамічні матеріяли, карбід Титану, композити інструментального призначення, термодеформаційне оброблення.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ua/abstract/v48/i02/0141.html

PACS: 62.20.Qp, 62.23.Pq, 81.05.Mh, 81.05.Ni, 81.20.Ev, 81.40.Ef, 81.40.Lm


ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  1. B. P. Aramide, A. P. I. Popoola, E. R. Sadiku, F. O. Aramide, T. Jamiru, and S. L. Pityana, Wear-Resistant Metals and Composites. Handbook of Nanomaterials and Nanocomposites for Energy and Environmental Applications (Springer: 2020), p. 1.
  2. A. L. Crăciun, C. Pinca-Bretotean, C. Birtok-Băneasă, and A. Josan, IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng., 200: 012009 (2017).
  3. L. J. Huang, L. Geng, and H.-X. Peng, Progress Mater. Sci., 71: 93 (2015).
  4. F. Bouville, E. Maire, S. Meille, B. Van de Moortèle, A. J. Stevenson, and S. Deville, Nat. Mater., 13, Iss. 5: 508 (2014).
  5. X. Deng, B. R. Patterson, K. K. Chawla, M. C. Koopman, Z. Fang, G. Lockwood, and A. Griffo, Int. J. Refractory Metals Hard Mater., 19, Iss. 4: 547 (2015).
  6. H. X. Peng, Z. Fan, and J. R. G. Evans, J. Microsc., 201, Iss. 2: 333 (2001).
  7. U. Pandey, R. Purohit, P. Agarwal, and S. K. Singh, Mater. Today: Proc., 5, Iss. 2, Part 1: 4106 (2018).
  8. C. L. Wu, S. Zhang, C. H. Zhang, J. B. Zhang, and Y. Liu, Mater. Letters, 217: 304 (2018).
  9. F. Ma, J. Zhou, P. Liu, W. Li, X. Liu, D. Pan, W. Lu, D. Zhang, L. Wu, and X. Wei, Mater. Characterization, 127: 27 (2017).
  10. X. Xu, W. Li, Y. Wang, G. Dong, S. Jing, Q. Wang, Y. Feng, X. Fan, and H. Ding, Results in Physics, 9: 486 (2018).
  11. S. J. Algodi, J. W. Murray, P. D. Brown, and A. T. Clare, Wear, 402–403: 109 (2018).
  12. M. Penchal Reddy, M. A. Himyan, F. Ubaid, R. A. Shakoor, M. Vyasaraj, P. Gururaj, M. Yusuf, A. M. A. Mohamed, and M. Gupta, Ceramics Int., 44, Iss. 8: 9247 (2018).
  13. J. Lee, D. Lee, M. H. Song, W. Rhee, H. J. Ryu, and S. H. Hong, J. Mater. Sci. Technol., 34, Iss. 8: 1397 (2017).
  14. X. Guo, M. Ma, Sh. Zhang, and Z. Wei, J. Mater. Research Technol., 34: Iss. 1–2: 761 (2025).
  15. X. Cai, Y. Xu, L. Zhong, N. Zhao, and Y. Yan, Vacuum, 119: 239 (2015).
  16. A. Levy, A. Miriyev, A. Elliott, S. S. Babu, and N. Frage, Mater. Design, 118: 198 (2017).
  17. Y. Wang, X. Zhang, F. Li, and G. Zeng, Mater. Design, 20, Iss. 5: 233 (1999).
  18. E. Olejnik, Ł. Szymański, T. Tokarski, and M. Tumidajewicz, Mater. Letters, 222: 192 (2018).
  19. Y.-Z. Xing, C.-P. Jiang, and J.-M. Hao, Vacuum, 95, Iss. 9: 12 (2013).
  20. Z. G. Liu, J. T. Guo, L. L. Ye, G. S. Li, and Z. Q. Hu, Applied Phys. Letters, 65, Iss. 21: 2666 (1994).
  21. L. Zhong, Y. Xu, M. Hojamberdiev, J. Wang, and J. Wang, Mater. Design, 32, Iss. 7: 3790 (2011).
  22. Z. Zhao, P. Hui, T. Wang, X. Wang, Y. Xu, L. Zhong, and M. Zhao, J. Alloys Compd., 745: 637 (2018).
  23. L. Zhong, X. Zhang, S. Chen, Y. Xu, H. Wu, and J. Wang, Int. J. Refractory Metals Hard Mater., 57: 42 (2016).
  24. A. V. Minitsky and P. I. Loboda, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 56, Nos. 7–8: 424 (2017).
  25. A. V. Minitsky, P. I. Loboda, Ya. I. Yevych, and I. M. Zakiev, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 59, Nos. 5–6: 290 (2020).
  26. S. Supriyono and M. Mesin, Majalah Teknik Mesin., 19, No. 1: 38 (2018).