В ТНЦ СО РАН улучшили композит для режущих инструментов из диборида титана
Оптимальные условия получения прочного композиционного материала из порошков титана и ферроборных сплавов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) определили ученые Томского научного центра (ТНЦ) СО РАН, 28 ноября сообщает пресс-служба ТНЦ.
Применение такого материала в инструментальном производстве позволит значительно продлить срок службы испытывающих большие нагрузки инструментов. Научный сотрудник лаборатории гетерогенных металлических систем ТНЦ СО РАН кандидат технических наук Ольга Лепакова пояснила:
«Диборид титана — востребованный в промышленности материал, отличающийся высокой твердостью и износостойкостью, однако в чистом виде без внесения каких-либо добавок он достаточно хрупкий. Поэтому перед нами стояла актуальная задача — найти способ, который позволил бы повысить его прочностные характеристики».
Старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в гетерогенных системах ТНЦ СО РАН кандидат технических наук Ольга Шкода рассказала, что повысить прочность диборида титана они решили за счет добавления в композит железа.
В ходе исследований ученые определили оптимальные параметры процесса получения плотного композиционного материала из диборида титана с добавлением железа методом СВС. Процесс состоит из нескольких этапов. На первом в ходе СВС при температуре в реакторе около 2000 °С получают спеки из диборида титана с металлической связкой, которая и придает материалу прочность.
Далее спеки измельчаются в мелкий порошок, а на последней, третьей стадии производится отжиг с получением готового изделия. Для этого в соответствующие пресс-формы насыпается полученный композиционный порошок, который прессуют до необходимой плотности и в результате после отжига получают нужные детали.
Чтобы эти изделия имели необходимые физические свойства, исследователи, как объяснила Ольга Лепакова, провели серию экспериментов и установили оптимальный набор параметров процесса — температура и продолжительность отжига, которые обеспечивают высокие прочностные свойства, — выдержка при 1400 °С в течение одного часа.
Исследования были проведены для двух вариантов получения диборида титана с добавлением железа. В первом использовались чистые, отдельно взятые порошки титана, железа и дорогостоящего бора.
Во втором варианте были применены доступные по цене порошки из ферроборных сплавов и титана, что снизило стоимость полученного из них композиционного материала в несколько раз, улучшив при этом микроструктуру и свойства полученного композита.
Это было установлено при исследовании его микроструктуры с помощью оптического и электронного микроскопов и экспериментального определения таких механических свойств, как прочность, твердость и износостойкость.
Результаты исследования были представлены в статье «Твердые сплавы TiB₂-Fe, полученные с использованием СВС-порошков системы Ti-B-Fe» (TiB₂-Fe hard alloys obtained using SHS powders of the Ti-B-Fe system), опубликованной в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
Новый материал подтвердил свои прочностные свойства в ходе серии промышленных испытаний на предприятии по производству древесноволокнистых плит. Там испытывались диски циркулярных пил диаметром 360 мм с напайками из безвольфрамового твердого сплава на основе диборида титана и железа.
В ходе испытаний было установлено, что такие напайки повышают изностостойкость инструмента более чем на 20%. В результате он может проработать без заточки 14 часов в сравнении с 12 часами, которые выдерживают без заточки пилы с напайками из дорогостоящего сплава на основе карбида вольфрама и кобальта ВК15.
Разработанные в ТНЦ СО РАН сплавы на основе диборида титана и железа также могут применяться для создания различных абразивных паст, магнитных абразивных порошков, спеченных твердых сплавов для инструментов и конструкций и износостойких покрытий.
Ученые далее намерены исследовать получаемые методом СВС-синтеза композитные материалы на основе боридов титана с добавлением никеля и других металлов.
