Для оборудования высокоскоростной прокатки важной и актуальной задачей является создание и модернизация высокопрочных, износостойких роликов. Материалами, обеспечивающими необходимую твёрдость и прочность, являются твёрдые сплавы на основе карбида титана и карбида вольфрама, получаемые методом горячего вакуумного прессования. Важной задачей является создание износостойких роликов с сердцевиной из более дешевого и в тоже время более пластичного и вязкого материала и твердосплавной поверхностью.

     Для многослойных композиций важной задачей является согласование коэффициента термического расширения слоёв. При несогласованности термического расширения при циклическом охлаждении и нагреве изделий из таких материалов возможно появление трещин и разрушение изделия. Научная значимость работы состоит в установлении характера разрушения и развития трещины при термоциклировании, установлении коэффициентов термического расширения компонентов композиции, изучении особенностей структуры и свойств пристыковой зоны.

 

Основные результаты

 

     Железоникелевые сплавы позволяют получать широкий диапазон варьирования коэффициента линейного термического расширения в зависимости от состава сплава. Следовательно, можно подобрать такой состав сплава, коэффициент линейного расширения которого будет соответствовать коэффициенту линейного расширения какого либо заданного материала.

     Изучались образцы композиционного материала, состоящего из двух слоёв: железоникелевого сплава (45% Ni) и твёрдых сплавов (ВК15 и ТЖН). В ходе исследований были получены фотографии микроструктур в пристыковой зоне и в глубине сплава. Проводились испытания по термоциклированию образцов с нагревом до 700ºC и охлаждением в воде. Также образец железоникелевого сплава подвергался дилатометрическим испытаниям с целью определения коэффициента линейного расширения.

     На рисунке 1 показаны микрофотографии   пристыковой зоны (а) и железоникелевого сплава (б) сделанные на нетравленых образцах.

 

                           а                                                         б                              

     Рисунок 1 – Микрофотографии   пристыковой зоны (а) и железоникелевого сплава (б) сделанные на нетравленых образцах (увеличение 50Х).

 

     Из рисунка 1 можно отметить, что в железо-никелевом сплаве наблюдаются участки карбидных включений. Исследование микротвёрдости данных включений показало, что она совпадает с твёрдостью твёрдого сплава. Причина появления таких включений полностью не ясна. Очевидно, их наличие связанно с присутствием остатков твёрдого сплава осевшего на стенках барабана мельницы и размольных телах.

     На рисунке 2 показана микроструктура железоникелевого сплава, выявленная травлением в растворе хлорного железа.

      

                          а                                                             б

     Рисунок 2 – Микроструктура железоникелевого сплава; а – увеличение 100Х, б – увеличение 250Х.

 

     Как видно из рисунка 2 в структуре отмечается наличие слоистых структур, напоминающих эвтектику или эвтектоид. Возможно также, что формирование подобной структуры связанно с неоднородностью сплава и не полностью прошедшей взаимной диффузией компонентов в процессе спекания.

     Однако, следует отметить, что наличие таких структур замечается не во всей массе материала, а в некоторых участках. Как показано на рисунке 3, в пристыковой зоне (а) и в отдельных участках в глубине сплава (б) слоистых структур не обнаружено.

 

 

                           а                                                               б

     Рисунок 3 – Микроструктура железоникелевого сплава; а – пристыковая зона, б – в массе сплава (увеличение 250Х)

 

     Из рисунка 3 также следует отметить существенное измельчение зерна в пристыковой области.

     Значимой разницы в мкротвёрдости участков, имеющих слоистую структуру и участков, имеющих равноостную структуру не выявлено. Но можно предположить, что слоистые структуры имеют, хоть и незначительно, но более высокую твёрдость.

     Термоциклирование образцов показало, что композиции железоникелевого сплава с твёрдыми сплавами на основе карбида вольфрама на кобальтовой связке (ВК15) и на основе карбида титана на железоникелевой связке (ТЖН) имеет различный характер разрушения. Так на образце, состоящем из железоникелевого сплава и твёрдого сплава ТЖН, при шестом охлаждении появилась заметная трещина. Трещина прошла по железоникелевому сплаву параллельно границе раздела на расстоянии 0,3 – 0, 45 мм. Образец, из железоникелевого сплава и твёрдого сплава ВК15 оказался значительно более стойким к термоциклированию, так как признаки разрушения в нём появились только после семнадцатого охлаждения. В этом случае трещина пошла по твёрдому сплаву перпендикулярно границе раздела. Следует также отметить, что изучение трещины под микроскопом показало, что конец трещины в зоне стыка имеет Т-образную форму.

     Различие в характере разрушения и стойкости к термоциклированию объясняется различием в коэффициентах термического расширения, а также различной пластичностью сплавов ВК15 и ТЖН. Так можно отметить, что коэффициент термического расширения сплава ВК15 более согласован с коэффициентом термического расширения железоникелевого сплава с 45% никеля.

     Дилатометрические испытания железоникелевого сплава показали, что при температуре около 400ºC наблюдается резкое изменение коэффициента линейного термического расширения. Это демонстрирует график на рисунке 4.

      Рисунок 4 – Удлинение образца железоникелевого сплава от температуры

 

 

Значение коэффициента линейного термического расширения в интервале температур 50 – 400ºC составляет 6,829·10^-6 К^-1, а в интервале температур 450 – 580ºC 14,56·10^-6 К^-1. Изменение коэффициента линейного термического расширения очевидно связанно с магнитным превращением, происходящим в сплаве.

     Микротвёрдость железоникелевого сплава в зоне между трещиной и твёрдым сплавом составила 616±29,8 Н/мм²; в то же время микротвёрдость в основной массе железоникелевого сплава составила 559±15,1 Н/мм². Следовательно, железо-никелевый сплав в зоне между трещиной и твёрдым сплавом имеет большую твёрдость, что, по-видимому, связано с диффузионными процессами, имевшими место при прессовании и спекании образца. Следует также отметить тот факт, что микротвёрдость железоникелевого сплава в зоне между трещиной и твёрдым сплавом не постоянна, а уменьшается по мере приближения к трещине как показано на рисунке 5.

     Рисунок 5 – Зависимость микротвёрдости от расстояния от границы раздела.

 

         Как видно из рисунка 5, на расстоянии уже около 0,2 мм от границы раздела микротвёрдость становится практически такой же, как и в основном материале.

 

Заключение

 

         Из вышеизложенного следует, что железо-никелевый сплав, содержащий 45% никеля может быть успешно использован для создания композиций в сочетании с твёрдым сплавом ВК15, но значительно хуже выглядит перспектива его использования в сочетании со сплавами на основе карбида титана. Исследование показало, что данный железоникелевый сплав имеет коэффициент линейного расширения близкий к сплаву ВК15, который имеет 6,0·10^-6 К^-1, в интервале 50 – 400ºC. При дальнейшем нагреве коэффициент линейного расширения резко изменяется, следовательно, нагрев до температур выше 400 ºC крайне нежелателен. Охлаждение при изготовлении композиций до 400 ºC следует вести замедленно.