Спосіб одержання композиційного матеріалу на основі заліза

Спосіб одержання композиційного матеріалу на основі заліза, який включає формування його пористої матриці з порошку заліза та просочувального сплаву, що містить суміш порошків заліза та сполук бору, нагрівання формованого композиційного матеріалу та подальше його рідиннофазне спікання, який відрізняється тим, що як просочувальний сплав використовують порошкову суміш міді і нітриду бору типу Cu-BN, вміст BN в якому складає 0,8-1,2 мас. % та є нейтральним по відношенню до міді, при рідинно-фазному спіканні пористої матриці та вказаної суміші порошків і утворенні твердого розчину міді з залізом розплавляють BN у вказаному твердому розчині з частковим заміщенням азоту в нітриді бору на залізо і мідь та одержують при цьому сполуки, які при просоченні пористої матриці покривають внутрішню поверхню її пор у вигляді боридної оболонки та витісняють мідь назовні цих пор і при цьому формують евтектичну фазу міді з бором у вигляді окремих виділень з наступним їх розмежуванням з вказаною боридною оболонкою. (19) UA (11) (21) a200702386 (22) 05.03.2007 (24) 25.12.2008 (46) 25.12.2008, Бюл.№ 24, 2008 р. (72) ЧЕРНІЕНКО ВАСИЛЬ ВАСИЛЬОВИЧ, UA, ГРАМЕНИЦЬКИЙ ВОЛОДИМИР АН АТОЛІЙОВИЧ, UA, ШЕВЦОВ СТАНИСЛАВ МАТВІЙОВИЧ, U A, ТІГАРЄВ ВОЛОДИМИР МИ ХАЙЛОВИЧ, U A (73) ЧЕРНІЕНКО ВАСИЛЬ ВАСИЛЬОВИЧ, UA, ГРАМЕНИЦЬКИЙ ВОЛОДИМИР АН АТОЛІЙОВИЧ, UA, ШЕВЦОВ СТАНИСЛАВ МАТВІЙОВИЧ, U A, ТІГАРЄВ ВОЛОДИМИР МИ ХАЙЛОВИЧ, U A (56) SU, 325 271, A, 07.01.1972 SU, 341 855, A, 14.04.1972 UA, 30 432, A, 15.11.2000 DD, 301 859, A9, 26.05.1994 JP, 55-119150, A, 12.09.1980 JP, 11-050103, A, 23.02.1999 EP, 0 861 698, A2, 02.09.1998 US, 6 296 682, B1, 02.10.2001 Черниенко В.В., Машков А.К. Способ получения объемноборированных материалов/Порошковая металлургия,1977, № 11.- С. 25-29 Черниенко В.В., Козлов В.Д., Александров И.П., Затынайко Я.Л.Способ укрупнения и сфероидизации порошков/Порошковая металлургия, 1989, № 5.- С. 12-15 C2 2 85110 1 3 85110 чується міддю і лише прилипає до капель розчину, а при охолоджуванні повністю відстає від ни х. Найблищий по суті спосіб багатошарового об'ємного борирування [Пат. України 30432 А \ В.В.Чернієнко, В.А.Граменицький, О.Г.Павлишко. Бюл. 6-II від 15.11.2000], прийнятий у якості прототипу,у якому процес борирування пористих залізних матриць проводять за допомогою проникнення в них сплаву евтектичного складу на основі заліза та бору або його сполук з додатками легуючих компонентів і, завдяки цьому, рідинно-фазне спікання, утворення у рідинній фазі двох складних сполук (Fe, Ме)2В і (Fe, Me)B та їх виборне легування проводять при температурі Т=1523-1573К протягом 60-90 хвилин у вакуумній печі під тиском Р=10-4мм рт. ст., а кристалізацію рідинної фази у композиції здійснюють шляхом охолодження разом з піччю протягом 90 хвилин. Однак, у данному способі утворюються складні сполуки (Fe, Ме)2В та (Fe, Ме)В з додатками легуючи х компонентів, наприклад, V, Cr, Mn, Co, Ni, Nb, Mo, які схильні до утворення d5(ds 5) - конфігурацій валентних електронів, але це не дає змоги залучити до них мідь (d10s 1), одержати найбільш раціональне для підвищення пластичних властивостей матеріалу розміщення міді у капілярах та утворити евтектику міді з бором для поліпшення спікання композиційного матеріалу (КМ). Задачею винаходу являється використання у якості просочувального сплаву не евтектичного складу, наприклад міді з нітридом бору BN, які не взаємодіють між собою до розчинення у рідинній 4 фазі заліза, але після просочування сплаву у залізну або стальну матрицю утворюють дві нові фази: боридну, до складу якої входять мідь та бор, які підвищують міцність і пластичність КМ. Поставлена задача досягається тим, що у способі, який включає формування пористої матриці цього матеріалу з порошків заліза та просочувального сплаву з порошкової суміші заліза та сполук бору, нагрівання та подальше рідиннофазне спікання композиційного матеріалу, який згідно з винаходом, відрізняється тим, що, як просочувальний сплав використовують порошкову суміш міді з нітридом бору типу Cu - BN, вміст BN в який складає 0,8-1,2мас.% та є нейтральним по відношенню до міді, при спіканні композиційного матеріалу і утворенні твердого розчину міді з залізом розплавляють BN у вказаному твердому розчині з частковим заміщенням азоту в нітриді бору на залізо і мідь та одержують при цьому сполук, які при просоченні матриці композиційного матеріалу покривають у вигляді боридної облонки внутрішню поверхню її його пор та ви тісняють мідь у об’єм просочувальних шляхів, при цьому формують евтектичну фазу міді з бором у вигляді окремих виділень з наступним їх розмежуванням з вказаною боридною оболонкою. Експериментально встановлено, що при застосуванні даного способу для створення композиційного матеріалу системи Fe - (Cu - BN), досягаються високі механічні та технологічні властивості (табл.1 та 2). Таблиця 1 Ме ханічні системи та технологічні властивості композиційних Fe-(Cu-B) матеріалів № клад матеріалів 1 2 3 Fe-(Cu-2,2% B) Fe-(Cu-2,5% B4C) Fe-(Cu-1%BN) Cт.08Г2С (голки)Сu-1%BN) 4 Ефективність проникнення 50 90 99,9 МПа 5,% y,% 220-250 250-260 280-350 2-3 __2-3 3-6 2-4 99,9 330-400 22-26 30-50 Таблиця 2 Залежність механічних властивостей від кількісного складу BN у системі Fe-(Cu - 1%ВN) № 1 2 3 4 Нітрид бору Мідь s В, МПа d,% 0,6 0,8 1,0 1,2 решта решта решта решта 290-312~ 308-322 315-355 286-297 2,7-3,8 3,3-5,0 3,5-5,8 2,7-3,8 Суть винаходу пояснюється прикладеними графіками розподілу елементів та мікроструктурою композиційних матеріалів: Фіг.1. Графік розподілу елементів у композиційному матеріалі системи Fe-(Cu-1%BN). Фіг.2. Рентгенограма композиційного матеріалу системи Fe - (Cu -1% BN). Ефективність проникнення 99,9 99,7 99,5 99,0 Фіг.3. Мікроструктура композиційного матеріалу системи Fe - (Cu-1% BN) з зображенням загального виду композиції. Фіг.4. Мікроструктура композиційного матеріалу системи Fe - (Cu-1 % BN) з зображенням межі між просочувальним сплавом та зерном матриці. 5 85110 Фіг.5. Мікроструктура композиційного матеріалу системи Fe - (Cu-1% BN) з зображенням оболонок боридної фази у порах залізної матриці. Фіг.6. Мікроструктура композиційного матеріалу системи Fe - (Cu-1% BN) з зображенням розриву просочувальних шля хів між порами залізної матриці. Фіг.7. Мікроструктура композиційного матеріалу системи Fe - (Cu-1% BN) з зображенням у його складі боридної та евтектичної фаз. Фіг.8. Мікроструктура композиційного матеріалу системи Fe - (Cu-1% BN) з зображенням ділянки просочувального сплаву з неповністю розчиненою частинкою нітриду бора при T = 1473 K з тривалістю 20 хвилин. Фіг. 9. Мікроструктура композиційного матеріалу системи Fe - (Cu-1% BN) з зображенням обох утворених фаз: боридної та евтектичної, поки що не відділеної від боридної фази у зв'язку з малою тривалістю спікання (20 хвилин). Фіг.10. Мікроструктура композиційного матеріалу системи Fe - (Cu-2,5% B4C) з зображенням частинок карбіду бора у вигляді твердих включень у мідній фазі,, яка виконана для зрівняння з заявленим способом утворення нового композиційного матеріалу системи Fe - (Cu-1% BN). Як видно з зображення на Фіг.1, по мірі приближення сканера до межі між зерном заліза та просочувальним сплавом Cu-1% BN), вміст міді в залізі складає до 3% на відстані від межі 50мкм, до 6% - на відстані 30мкм та до 9% - на самій межі. Кількість заліза на цих ділянках адекватно зменшується до 99, 96 та 90 % відповідно. У просочувальному сплаві поруч з твердою фазою має місце ступеневе підвищення кількості заліза. Якраз завдяки його взаємодії з нітридом бору проходить розчинення цих тугоплавких частинок у твердому розчині міді з залізом, хоча при відсутності атомів заліза мідь не взаємодіє з нітридом бору. Розчинення нітриду бора протікає з утворенням нових фаз при температурі T=1473K та тривалості 20-30 хвилин. Нова фаза завдяки великому спорідненню з залізом цілком обхоплює його частинки з внутрішньої сторони просочувальних шляхів композиції. Як видно з зображення на Фіг.2, на межі зростання зерен заліза має місце різке підвищення міді, яка входить до складу евтектики Cu-B якраз у 6 вузьких шляха х між порами залізної матриці. Завдяки цьому підвищується ступінь зростання зерен заліза між собою. Можливість структуризації атомів елементів, які входять до складу нітриду бора, обґрунтована тим, що число валентних електронів азоту (sp5) відповідає стабільній d5 - конфігурації атомів заліза, а атомам бору вигідно приєднати до себе ті валентні електрони, що залишаються у заліза при утворені енергетично стабільних d5 та sp3 - конфігурацій у новій фазі. Крім того, слід прийняти до уваги також те, що розчинення заліза у міді дуже низьке. Воно складає лише 0,9% [Захаров М.В., За харов A.M. Жаропрочные сплавы. - Изд-во „Металургія", 1972. - 384 с.], а це якраз дає можливість для більш тісної взаємодії заліза з нітридом бору. Ті атоми бору, які залишаються при утворенні нової боридної фази у розчині міді утворюють на її основі ще одну - евтектичну фаз у, у яку, згідно з діаграмою Cu - В, входить 2% бору. При утворенні подібного по типу композиційного матеріалу на основі заліза з просочувальним сплавом Cu-B4C частинки карбіду бора не розчиняються у мідному сплаві (Фіг.10), у якому міститься залізо, бо валентні електрони вуглецю (sp4) не відповідають стабільним d5 (ds 5) - sp3 конфігураціям, які визначаються числом ЮмРозері е\а=3 для даного класу композиційних матеріалів. Таким чином, уперше показана можливість утворення композиційного матеріалу з евтектичною фазою на основі заліза та міді з унікальним розміщенням боридних фаз у вигляді оболонки на внутрішніх стінках пористої матриці за схемою: залізо - борид на фаза - мідь - боридна фаза залізо, яка по суті відрізняється від схеми: Fe Fe2B - FeB - Fe2B - Fe, яку має базова система Fe(Fe-В), а також від схеми: Fe - (Fe, Me)2B -(Fe, Me)B - (Fe, Me)2B - Fe, яка взята у якості аналога тому, що у центральній частині усіх пор залізної матриці замість боридів FeB чи (Fe, Me)B знаходиться мідь, яка у значній мірі підвищує пластичність цього типу матеріалів при практично повному просоченні її в пори залізної матриці [А.с. 1499953. Сплав на основе меди для пропитки изделий из спеченного пористого железа\В.В.Черниенко, С.И.Барсуков, В.Д.Козлов, И.П.Александров и Я.Л.Затынайко // от 8.04.1989]. 7 85110 8 9 85110 10 11 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 85110 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601