Введение

Актуальность темы исследования. Вольфрамо-титано-кобальтовые спла­вы обладают рядом весьма ценных свойств, благодаря которым их эффективно используют во многих областях промышленности.

Актуальность работы подтверждается выполнением ее в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. регистр. № 14.В37.21.1845), гранта Президента РФ (МД-1123.2014.8) и являетсярешением важной народно-хозяйственной задачи по созданию прогрессивных, экологически чистых, малотоннажных и безотходных технологий получения новых функцио­нальных материалов, в том числе наноразмерных, и их практического примене­ния.

Степень разработанности темы. Работы в области исследования и произ­водства новых вольфрамо-титано-кобальтовых сплавов ведутся в научных и выс­

ших образовательных учреждениях, таких как: НИТУ МИСиС, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, МПУ, ЮЗГУ, Институт материаловеде­ния Хабаровского НЦ ДВО РАН, ФНАЦ ВИМ, ГОСНИТИ, ДГТУ, БГИТА, ОГУ, СибАДИ и других организациях.

Цельюработы являлось разработка и исследование вольфрамо-титано­кобальтовых сплавов, пригодных к промышленному применению, на основе дис­пергированных электроэрозией частиц сплава Т15К6.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие за­дачи:

1. Разработать экологический чистый, малотоннажный и безотходный спо­соб измельчения сплава марки Т15К6 до частиц микро- и нанофракций.

2. Измельчить сплав Т15К6 электроэрозией в двух рабочих средах (воде ди­стиллированной и керосине осветительном) и провести исследования состава, структуры и свойств диспергированных частиц:

- гранулометрического состава;

- среднего размера частиц;

- удельной площади поверхности;

- морфологии и элементного состава;

- фазового состава.

3. Из диспергированных электроэрозией частиц сплава Т15К6 получить за­готовки вольфрамо-титано-кобальтовых сплавов по двум технологиям:

- изостатическим прессованием и спеканием в вакууме;

- горячим прессованием путем пропускания высокоамперного тока.

4. Провести исследования состава, структуры и свойств вольфрамо-титано­кобальтовых сплавов из диспергированных электроэрозией частиц сплава Т15К6:

- микроструктуры и элементного состава;

- пористости;

- размера зерна;

- плотности;

- предела прочности при изгибе;

- предела прочности при сжатии;

- микротвердости.

5. Исследовать влияние рабочих жидкостей на свойствадиспергированных электроэрозией частиц сплава Т15К6.

6. Исследовать влияниесостава, структуры и свойств шихты из диспергиро­ванных электроэрозией частиц сплава Т15К6 на состав, структуру и свойства спе­ченного из нее вольфрамо-титано-кобальтового сплава.

7. Исследовать влияние технологии производства вольфрамо-титано­кобальтовых сплавов из диспергированных электроэрозией частиц сплава Т15К6на его свойства.

8. Выполнить апробацию и патентование полученных результатов.

Научная новизна

1. Применительно к диспергированию электроэрозией сплава Т15К6установлено влияние рабочих жидкостей на свойства диспергированных частиц, позволяющее управлять их дисперсностью, элементным и фазовым составами.

В частности, анализ гранулометрического состава показал, что диспергиро­ванные электроэрозией частицы сплава Т15К6 имеют средний размер 19,692 мкм и 5,118 мкм, в керосине осветительном и воде дистиллированнойсоответствен-

но.По удельной площади поверхности результат аналогичный 13401,22 см2/см3против 30738,5 см²/см³. Это связано с большими потерями энергии элек­трического разряда на пробой рабочей жидкости ввиду разности диэлектрической проницаемости керосина (2,1) и воды (81,0), а также различием в охлаждающей способности. Рентгеноспектральный микроанализ показал, что на поверхности частиц, полученных в воде дистиллированной, присутствует часть кислорода, а в керосине осветительном - углерода. Рентгеноструктурный анализ показал, что диспергирование электроэрозией сплава Т15К6 в воде дистиллированной приво­дит к потере углерода в частицах вплоть чистого W, Тіи фаз W2C, ТЇ2Є, а дис­пергирование в керосине осветительном способствует образованию фаз WC и ТіС.Это связано с различием химического состава рабочих жидкостей, обеспечи­вающих поставку активного углерода в реакционную зону при температурах, со­ответствующих той или иной модификации карбидов.

2. Установлена зависимость состава, структуры и свойств спеченного воль- фрамо-титано-кобальтового сплава от состава, структуры и свойств шихты из диспергированных электроэрозией частиц сплава Т15К6, позволяющая оказывать влияние на его физико-механические свойства.

3. Установлена зависимость влияния технологии производства вольфрамо- титано-кобальтовых сплавов из диспергированных электроэрозией частиц сплава Т15К6на его свойства, позволяющая управлять качеством изделий.

Отмечено, что вольфрамо-титано-кобальтовые сплавы из дис­пергированных электроэрозией частиц сплава Т15К6, полученные с помощью импульсного электротока и так называемого «эффекта плазмы искрового разряда» в условиях очень быстрого нагрева и малой продолжительности рабоче­го цикла обладают лучшими физико-механическими свойствами, по сравнению с

вольфрамо-титано-кобальтовыми сплавами из диспергированных электроэрозией частиц сплава Т15К6, полученными холодным изостатическим прессованием при давлении и спеканием в вакууме, а также по сравнению с вольфрамо-титано- кобальтовымисплавами, полученными в заводских условиях. Это достигается за счет подавления рост зерна и получения равновесного состояния с субмикронным инаномасштабным зерном.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в ис­следовании, разработке и апробации вольфрамо-титано-кобальтовых сплавов на основе диспергированных частиц сплава Т15К6, пригодных к промышленному применению, включая:

- разработку и патентование шихты для производства вольфрамо-титано­кобальтовых сплавов (патент на изобретение РФ № 2612886);

- разработку и патентование способа получения заготовок вольфрамо-титано-кобальтового сплава (патент на изобретение РФ № 2613240).

Диссертационная работа по тематике, содержанию и результатам со­ответствует п.3 «Теоретические и экспериментальные исследования влияния структуры на физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства металлов и сплавов», п.8 «Исследование работоспособности металлов и сплавов в различных условиях, выбор и рекомендация наиболее экономичных и надежных металлических материалов для конкретных технических назначений с целью сокращения металлоемкости, увеличения ресурса работы, повышения уровня заданных физических и хими­ческих характеристик деталей машин, механизмов, приборов и конструкций» и п.9 «Разработка новых принципов создания сплавов, обладающих заданным ком­плексом свойств, в том числе для работы в экстремальных условиях» паспорта научной специальности 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов».

Методология и методы исследования. При решении поставленных задач использовались современные методы испытаний и исследований, в томчисле: на

лазерном анализаторе размеров частиц «Analysette 22 NanoTec» исследловали гранулометрический состав и средний размер частиц;на газо-адсорбционном анализаторе «TriStar II 3020»определяли удельную площадь поверхности частиц по одно- и пятиточечному методу БЭТ;на атомно-эмиссионном спектрометре фирмы «HORIBA Jobin Yvon» модель «ULTIMA 2» определяли содержание воль­фрама, титана и кобальта с помощью атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой;на анализаторе углерода и серы «Leco CS- 400»определяли содержание общего углерода методом сжигания в потоке кис- лорода;потенциометрическим методом по ГОСТ 25599.2-83 «Сплавы твёрдые спечённые. Методы определения свободного углерода» определяли содержание свободного углерода;на анализаторе кислорода и азота «Leco TC-600» опреде­ляли содержание кислорода методом восстановительного плавления (графитовый тигель) в импульсной печи сопротивления в токе инертного газа (гелий);на электронно-ионном сканирующем (растровом) микроскопе с полевой эмиссией электронов «QUANTA 600 FEG» и энерго-дисперсионного анализатора рентгеновского излучения фирмы «EDAX»определяли форму и морфологию по­верхности частиц,выполняли рентгеноспектральный микроанализ, исследовали элементный состав;на рентгеновском дифрактометре «Rigaku Ultima 1У»проводили рентгеноструктурный (фазовый) анализ;с помощью прибора «In- stron 402 MVD» определяли микротвёрдость;на прессе «EPSI» проводили изоста- тическое прессование при давлении 300 МПа, а спекание - в высокотемпературной печи «Nabertherm» в вакууме при температуре 1500 °С и в устройстве для горячего прессования порошков путем прямого пропускания электрического тока (Система искрового плазменного спекания SPS 10-3); на ав­томатическом высокоточном настольном отрезном стан^^ссШот^и шлифовально-полировальном станке