ФОРМИРОВАНИЕ БЕЗВОЛЬФРАМОВОГО ТВЕРДОСПЛАВНОГО ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО СПЕКАНИЯ

АННОТАЦИЯ

Выполнена количественная оценка степени упорядоченности структуры покрытия, полученного электроконтактным спеканием твердосплавного безвольфрамового порошка, по ее фрактальной размерности. Установлено, что содержание связующей фазы влияет на величину фрактальной размерности и данная зависимость носит экстремальный характер, максимум которой соответствует наиболее упорядоченной структуре.

ABSTRACT

A quantitative assessment of the degree of ordering the coating structure obtained by electrocontact sintering of a tungstenless carbide powder by its fractal dimension has been performed. It is established that the content of the binding phase affects the value of the fractal dimension and this dependence is extreme, the maximum of which corresponds to the most ordered structure.

Ключевые слова: микроструктура, мезоструктура, фрактальная размерность, твердый сплав, карбид титана, связующая фаза.

Keywords: microstructure, mesostructure, fractal dimension, hard alloy, titanium carbide, binding phase.

Введение

Сопротивляемость материала любому внешнему энергетическому воздействию определяется диссипативными свойствами его структуры. Функция диссипативных структур заключается в трансформировании внешнего энергетического воздействия в рассеивающие тепловые или другие необратимые виды энергетических потоков. Диссипативные структуры представляют собой локальные области, формирующиеся вокруг концентраторов напряжений и отличающиеся высокой степенью самоорганизации [1, 3, 7].

Способность структуры к самоорганизации заключается в наведении ближнего порядка в хаотичной комбинации структурных элементов, которые согласовано проявляются на разных масштабных уровнях.  С развитием таких структур образуются диссипативные каналы, в которых протекают процессы переноса энергии и вещества, снижающие общую энергоемкость материала. В поликристаллических материалах синергетические процессы в основном протекают на мезомасштабном уровне [4]. При наличии в материале упорядоченных мезоструктурных формирований синергетические процессы реализуются более активно и с меньшими энергетическими затратами. Диссипативные структуры чаще всего носят кластерный характер, степень упорядочения которого можно количественно оценить с помощью фрактальной размерности.

Расчет фрактальной размерности поликристаллического материала основан на анализе изображения структуры, которое формально представляет геометрическое множество, где каждый структурный компонент показан определенной геометрической фигурой. Методика расчета заключается в следующем. Периметр структурного объекта с развитой границей можно представить в виде фрактального соотношения

                                                          (1)

где  Δ – средний диаметральный размер зерна; D – фрактальная размерность.

Площадь структурного объекта связана со средним диаметральным размером

                                                         (2)

При известной величине k – тангенса угла наклона зависимости периметра от площади, построенного в логарифмических координатах, имеем

                                                  (3)

или

                                                (4)

тогда

                                                       (5)  

Методика исследования

Исследовались микроструктуры покрытий, полученные припеканием безвольфрамового твердосплавного порошка марки ТН, состав которых варьировался за счет разного содержания связующей никелевой фазы, при этом средний размер частиц карбида титана составлял 5,0 мкм. Порошок поступал в зону контакта обкатного ролика с дисковой заготовкой, через который пропускался импульсный ток высокой плотности (сила тока – 0,5 кА, напряжение – 3 В). Обкатной ролик создавал среднее давление в контакте равное 5,0 МПа, а частота вращения заготовки не превышала 24 об/мин.

Оцифрованные фотографии исследуемых микроструктур получали с помощью металлографического микроскопа «Euromex iScope» при 200, 400 и 1000 кратном увеличении, а их обработка осуществлялась программой Image.Pro.Plus.5.1, которая предполагала корректировку изображения, калибровку, учитывающую кратность увеличения, выделение границ зерен и раздела фаз, вычисление периметра и площади каждого микроструктурного элемента. По результатам измерений строилась в логарифмических координатах зависимость периметра от площади каждого микроструктурного элемента. Тангенс угла наклона получаемой зависимости идентифицировался как фрактальная характеристика.

Анализ результатов исследования

Припеченный твердосплавной порошок представляет собой композиционную микроструктуру, состоящую из металлической каркасной оболочки, обволакивающей частицы карбидов. Строение структуры определяется тепловым полем, формирующимся в спрессованном слое из твердосплавного порошка при прохождении импульсного тока. Основным источником тепловыделения является контакт между поверхностью заготовки и спрессованным твердосплавным порошком. Возникающие при этом тепловые потоки образуют градиентное температурное поле в направлении по нормали к поверхности заготовки за счет теплопроводности. Неоднородность теплового поля в направлении вдоль поверхности заготовки возникает за счет неравномерного распределения каналов электрической проводимости, в формировании которых в основном участвуют частицы никелевой фазы, имеющие более низкое удельное электрическое сопротивление. В результате наложения тепловых полей от разных источников тепловыделения создается температурное поле с локальными максимумами. Градиентный характер распределения локальных температурных максимумов сохраняется за счет доминирующего процесса теплопроводности.

В зонах локальных температурных максимумов формируются структуры с более прочной связью между связующей никелевой фазой и частицами карбидов, а наложение силового поля стимулирует наведение ближнего порядка в ориентации карбидных частиц между собой.

На рисунке 1 приведена фотография микроструктуры припеченного слоя.

Структура отличается неоднородностью, как по размерам частиц карбидной фазы, так и по их распределению в пространстве, и проявляется в виде отдельных кластерных скоплений. Присутствие крупных частиц карбидной фазы является нежелательным, так как при силовом и тепловом воздействии на материал они создают вокруг себя локальные зоны концентрации напряжений, которые могут инициировать образование микро и мезотрещин. Внутри каждого кластера наблюдается ближний порядок, при этом сам кластер приобретает вытянутую форму, ориентированную перпендикулярно плоскости подложки. В характере организации между кластерами порядка не наблюдается. 

Концентрация частиц карбидной фазы принимает наибольшее значение вблизи поверхности основы, затем она снижается по мере удаления от нее, что позволяет отнести подобную структуру к разряду градиентных. Послойный фрактальный анализ припеченного покрытия подтверждает наличие структурной градиентности, которая проявляется в характере изменения фрактальной размерности по глубине (рис. 2). Глубина проявления градиентной структуры в среднем составляет 200…250 мкм.

Повышенная фрактальная размерность указывает на развитость границ структурных образований, более высокую неравновесность и, как следствие, большую величину химического потенциала [4].

Рисунок 1. Микроструктура спеченного покрытия из ТН15 (х400)

Рисунок 2.  Распределение фрактальной размерности по глубине «припеченного» слоя

Неравновесность структурного состояния слоя, примыкающего к подложке, связана с тем, что ее развитие происходит за счет импульсного тепловыделения, приводящего к оплавлению или нагреву выше температуры полиморфных превращений, и охлаждению этого слоя за счет теплопроводности, при этом основным стоком тепла является приповерхностная зона подложки. Импульсный нагрев стимулирует высокую активность диффузионных процессов [2; 4; 9]. Высокоскоростное охлаждение вызывает развитие закалочных структур или пересыщенных твердых растворов.

Указанные процессы протекают не только в наносимом покрытии, но и в приповерхностном слое подложки. На рисунке 3 приведена фотография микроструктуры подложки из стали 40Х, имеющая типичную закаленную структуру мартенсита.

Рисунок 3. Микроструктура подложки из стали 40Х с покрытием, нанесенным на поверхность элеткроконтактным спеканием (х400)

Рисунок 4.  Влияние содержание никелевой связки на фрактальную размерность

Содержание связующей фазы существенно влияет на упорядочение карбидной фазы при электроимпульсном припекании. В момент нахождения связующей фазы в жидком состоянии упорядочение карбидных частиц может происходить по механизму перегруппировки за счет капиллярного эффекта, который наиболее ярко проявляется при жидкофазном спекании порошковых материалов [6; 9; 10]. Максимальная упорядоченность будет проявляться при определенной концентрации жидкой фазы, когда между микрочастицами карбида формируется зазор, обеспечивающий максимальный капиллярный эффект. При нехватке жидкой фазы процесс перегруппировки тормозится за счет образования микропор, при избытке – зазор между частицами карбидов не обеспечивает должный эффект капиллярности и не вся связующая фаза может находиться в жидком состоянии.

На рисунке 3 представлено влияние содержания никелевой связки на среднюю фрактальную размерность припеченного покрытия. Экстремум зависимости соответствует условию формирования наиболее упорядоченной структуры, где следует ожидать проявления максимального капиллярного эффекта.

Заключение

Диссипативная структура характеризуется тем, что в организации ее структурных компонентов наблюдается ближний порядок. Если в начальной структуре имеются локальные обрасти упорядоченности, то формирование диссипативных структур протекает значительно легче с меньшими энергетическими затратами.

Микроструктура покрытия при электрконтактном спекании формируется в неравновесных тепловых условиях высокоскоростного нагрева и охлаждения, которые стимулируют развитие синергетических процессов. Процессы самоорганизации сопровождаются наведением ближнего порядка в структурной организации материала, которую можно количественно оценить фрактальной размерностью.

Характер изменения фрактальной размерности по глубине припеченного твердосплавного покрытия позволяет отнести этот материал к разряду градиентных.

Зависимость фрактальной размерности от содержания никелевой связки указывает на оптимальную концентрацию, при которой формируется наиболее упорядоченная структура.

Список литературы:

1. Балохонов Р.Р., Болеста А.В., Бондарь М.П. и др.  Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах / отв. ред. В.Е.Панин. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. – 520 с.
2. Бокштейн Б.С.   Диффузия в металлах. – М.: Металлургия, 1987. – 247 с.
3. Гордиенко Л.К.  Субструктурное упрочнение металлов и сплавов. – М.: Наука, 1973. – 224 с.
4. Дорошкин Н.Н. Упрочнение и восстановления деталей машин металлическими порошками. – Минск: Наука и техника, 1975. – 152 с.
5. Иванова В.С., Баланкин Л.С., Бунин И.Ж., Оксокоев А.А.  Синергетика и фракталы в материаловедении. – М.: Наука, 1994. – 383 с.
6. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А.  Порошковая металлургия. – М.: Металлургия, 1980. – 496 с.
7. Кристиан Д.  Термодинамика и общая кинетическая теория. Теория превращений в металлах и сплавах: перс англ. – М.: Мир, 1978. – 810 с.
8. Кулак М.И.  Фрактальная механика материалов. – Мн.: Выш. шк., 2002. – 304 с.
9. Karimov Sh. A.,  Mirzarakimova Z.B.,Khabibullaeva I.A.,Guzashvili K.V. The Influence of Termai Baking Modes on the Electrical Properties of the Carbide Coating and its Strength with the Base // Middle European Scientific Bulletin (MESB). – Vol. 21. – 2022. – P. 220–222.
10. Karimov Sh. A., S.M. Timofeev Production of wear-resisting coating by method of electric-contact sintering of hard-alloy powdered compositions //  Proceedings of the I-st Seminar among KALM, Tashkent State Technical University, and Ustoz Republican Foundation. – 2003. – Pp. 152-153.