Продуктов синтеза и оболочки

Материалы, получаемые методом СВС-прессования, являются, как правило, твердыми сплавами и состоят из твердой износостойкой основы и металлической связки. Твердой основой служат карбиды или бориды переходных металлов. Среди СВС-прессованных твердых сплавов наибольшее распространение получили твердые сплавы на основе карбида или борида титана с различными связующими металлами [15]. СВС-процесс осуществляется за счет сильноэкзотермических реакций взаимодействия титана с углеродом или с бором и образования карбида титана или боридов титана. Для улучшения эксплуатационных свойств в исходную шихту вводят легирующие элементы, образующие при синтезе сложные многокомпонентные соединения [58, 147, 197]. При температуре горения и деформирования в продуктах синтеза наряду с твердой тугоплавкой фазой может присутствовать расплав легкоплавких компонентов или соединений.

Достаточно достоверные сведения о физических свойствах гетерогенных материалов могут дать только эмпирические данные. Однако проведение экспериментов для определения теплофизических свойств при температурах СВС, составляющих 2000-2500 ^оС и выше, связано с большими трудностями. Кроме того, для СВС-прессованных материалов подробно изучают механические и эксплуатационные свойства, которые, прежде всего, отвечают функциональному назначению твердых сплавов. В настоящее время для материалов, получаемых СВС-прессованием, экспериментальных данных о теплофизических свойствах при температурах синтеза нет, и в настоящей работе они определялись расчетным путем.

При расчете теплофизических свойств многофазных материалов необходимо иметь данные как о качественном и количественном фазовом составе при высоких температурах, так и о свойствах самих фаз. Проведение специального анализа фазового состава и исследование свойств многокомпонентного легированного твердого сплава представляет сложную и самостоятельную материаловедческую задачу, поэтому целесообразно провести исследование на простых СВС-системах, для которых имеются надежные и достоверные данные о высокотемпературном фазовом составе и свойствах самих фаз. В качестве такой модельной системы выбрана система Ti-C-Ni, которая является базовой при синтезе твердых сплавов на основе карбида титана TiC. Инертный никель служит связкой, и продукты синтеза образуют твердый сплав состава TiC-Ni.

На рис. 2.1 приведена диаграмма состояния системы TiC-Ni [40]. На диаграмме указаны температуры горения Т _г при различном содержании никеля в шихте, взятые из работы [11]. При содержании инертного никеля свыше 50% (мас.) химической энергии недостаточно, и процесс СВС становится невозможным. Температура горения термореагирующих составов системы Ti-C-Ni превосходит эвтектическую температуру Т _эвт системы TiC-Ni, составляющую Т _эвт=1280 ^оС [40]. Соответственно продукты синтеза представляют собой двухкомпонентную смесь твердых частиц карбида титана и карбидоникелевого расплава, который, в свою очередь, является двухкомпонентным раствором. При расчете теплофизических свойств принималась модель механической смеси с взаимопроникающими компонентами. Компоненты в структурах с взаимопроникающими компонентами являются геометрически равноправными и обладают инвариантностью при замене местами компонент. В настоящей работе использовался метод последовательного сведения многокомпонентной смеси к бинарной, теплофизические свойства которой находятся по известным формулам [47]. Первой бинарной смесью будем считать расплав карбида титана и никеля. Вторую бинарную смесь образуют твердые частицы карбида титана и карбидоникелевый расплав, и она представляет собой собственно продукты синтеза. Теплофизические характеристики карбидоникелевого расплава будем индексировать буквой L, продуктов синтеза – аббревиатурой СВС.

Свойства механических смесей определяются их составом. Для первой бинарной смеси (карбидоникелевый расплав) в качестве характеристики состава выбрана массовая концентрация никеля в расплаве x _Ni, для второй бинарной смеси (твердожидкие продукты синтеза) – массовая концентрация жидкой фазы х_L. Эти параметры определялись по диаграмме состояния системы TiC-Ni для соответствующей температуры. Согласно уравнению теплопроводности искомыми теплофизическими свойствами являются гравиметрическая плотность d, коэффициент теплопроводности l и удельная теплоемкость С.

Гравиметрическая плотность первой d_L и второй d _СВС бинарных смесей рассчитывалась по правилу механической смеси:

; , (2.1)

где d _Ni, d _TiC – гравиметрические плотности никеля и карбида титана. Принималось, что гравиметрическая плотность не зависит от температуры и агрегатного состояния веществ.

Коэффициент теплопроводности карбидоникелевого расплава l_L определяли по зависимости [216]

, (2.2)

где l _Ni, l _TiC – коэффициенты теплопроводности расплавов никеля и карбида титана. Для расчета коэффициента теплопроводности беспористых твердожидких продуктов синтеза l _СВС использовали формулу [62]

. (2.3)

Здесь l _TiC – коэффициент теплопроводности твердого карбида титана; m_L – объемная доля жидкой фазы. Величина m_L рассчитывалась по зависимости

, (2.4)

где x _TiC – массовая концентрация твердого карбида титана.

Согласно данным работы [198] зависимость коэффициента теплопроводности карбида титана в интервале температур 1200-2300 ^оС является линейной. В результате осреднения экспериментальных данных для зависимости теплопроводности карбида титана от температуры [198] получено

l_TiC = 18, 5 + 0, 01× Т. (2.5)

Удельную теплоемкость расплава С_L и беспористых твердожидких продуктов синтеза С _СВС рассчитывали по правилу аддитивности:

С_L = С _Ni x _Ni + С _TiCж (1 – x _Ni); С _СВС = С_Lx_L + С _TiC(1 – x_L), (2.6)

где С _Ni – удельная теплоемкость жидкого никеля; С _TiCж, С _TiC – удельная теплоемкость соответственно жидкого и твердого карбида титана. Зависимость удельной теплоемкости карбида титана от температуры имеет вид [91]

. (2.7)

В настоящей работе экспериментальные исследования проводились с материалами, содержащими 20, 28 и 35% (мас.) никеля. Для этих сплавов был выполнен расчет теплофизических свойств в диапазоне температур Т _г – Т _эвт. При расчете гравиметрической плотности использовали справочные данные для карбида титана d _TiC=4, 92г/см³ [4] и никеля d _Ni = 8, 9 г/см³ [189]. Коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость жидкого никеля составляют [189]: l _Ni = 69 Вт/м× К; С _Ni = 735 Дж/м× К. При расчетах не учитывалась зависимость плотности компонентов от температуры и агрегатного состояния. В результате плотность продуктов синтеза d _СВС также не зависит от температуры и, соответственно, фазового состава продуктов синтеза системы Ti-C-Ni. Результаты расчета представлены на рис. 2.2 и 2.3. Коэффициент теплопроводности l _СВС и удельная теплоемкость С _СВС в исследованном интервале монотонно возрастают с увеличением температуры по закону, близкому к линейному. Коэффициенты аппроксимирующей линейной зависимости теплофизических свойств продуктов СВС от температуры, выраженной в градусах Цельсия, представлены в табл. 2.1.

Реологические свойства твердожидких материалов существенным образом зависят от объемной доли расплава m_L [82, 199]. Расчеты показали, что для рассматриваемых сплавов в диапазоне температур Т _г – Т _эвт зависимость m_L (Т) близка к линейной (рис. 2.4). Значения коэффициентов а, b аппроксимирующего уравнения
m_L (Т) = а + b × Т приведены в табл. 2.1. В зависимости m_L (Т) температура выражена в градусах Кельвина.