Процессы контактного взаимодействия в композиционных материалах с микрокристаллическим наполнителем
В работе исследованы процессы контактного взаимодействия, которые происходят во время пропитки композиционных материалов на границах раздела между микрокристаллическим наполнителем и связкой на железной основе. Определено структурный и фазовый состав зон контактного взаимодействия. Установлено умень...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физическая инженерия поверхности |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2011
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76901 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Процессы контактного взаимодействия в композиционных материалах с микрокристаллическим наполнителем / Е.В. Суховая, В.А. Сыроватко, Ю.В. Сыроватко // Физическая инженерия поверхности. — 2011. — Т. 9, № 3. — С. 269–273. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859821572848615424 |
|---|---|
| author | Суховая, Е.В. Сыроватко, В.А. Сыроватко, Ю.В. |
| author_facet | Суховая, Е.В. Сыроватко, В.А. Сыроватко, Ю.В. |
| citation_txt | Процессы контактного взаимодействия в композиционных материалах с микрокристаллическим наполнителем / Е.В. Суховая, В.А. Сыроватко, Ю.В. Сыроватко // Физическая инженерия поверхности. — 2011. — Т. 9, № 3. — С. 269–273. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физическая инженерия поверхности |
| description | В работе исследованы процессы контактного взаимодействия, которые происходят во время пропитки композиционных материалов на границах раздела между микрокристаллическим наполнителем и связкой на железной основе. Определено структурный и фазовый состав зон контактного взаимодействия. Установлено уменьшения ширины зон растворно-диффузионного раздела на границах деления композиционных материалов в случае применения в их составе микрокристаллического эвтектического сплава-наполнителя W-C. Уменьшение ширины зон с увеличением скорости охлаждения микрокристаллического наполнителя объяснимо в рамках квантово-механической модели. С целью дополнительного уменьшения ширины зон контактного взаимодействия предложено легировать втектический сплав-связи Fe-C-B-P молибденом.
У роботі досліджено процеси контактної взаємодії, що відбуваються під час просочення композиційних матеріалів на границях поділу між мікрокристалічним наповнювачем и зв’язкою на залізній основі. Визначено структурний і фазовий склад зон контактної взаємодії. Встановлено зменшення ширини зон розчинно-дифузійного поділу на границях поділу композиційних матеріалів у разі застосування в їх складі мікрокристалічного евтектичного сплаву-наповнювача W-C. Зменшення ширини зон зі збільшенням швидкості охолодження мікрокристалічного наповнювача пояснено в рамках квантово-механічної моделі. З метою додаткового зменшення ширини зон контактної взаємодії запропоновано легувати евтектичний сплавзв’язку Fe-C-B-P молібденом.
In this paper the contact interaction processes occurring at the interfaces between the crystal or microcrystal filler and the iron-based binder during composites infiltration have been investigated. The structural and phase composition of zones appearing at the composites interfaces has been determined. The decrease in dissolution-and-diffusion interface width has been found while microcrystal W-C eutectic alloy is used as a filler. This characteristics also decreases with increase in cooling rate of microcrystal filler which has been explained within the quantum-mechanic model framework. Additionally, the interface width decreases when Fe-C-B-P eutectic binder is alloyed with Mo.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:26:32Z |
| format | Article |
| fulltext |
269
ВВЕДЕНИЕ
Сплавы в микрокристаллическом состоянии
обладают уникальными физическими и меха-
ническими характеристиками. Дополните-
льно свойства могут быть повышены за счет
использования этих сплавов в составе макро-
гетерогенных композиционных материалов.
Сочетание в одном материале двух состав-
ляющих – наполнителя и связки – обеспе-
чивает комплекс новых свойств, неприсущих
им в отдельности. Помимо правильного вы-
бора состава наполнителя и связки создание
композиционных материалов требует реше-
ния проблемы термо-механической и физико-
химической совместимости структурных сос-
тавляющих. Поэтому в работе исследовали
особенности процессов контактного взаимо-
действия, которые протекают на границах
раздела между гранулами микрокристалли-
ческого или кристаллического наполнителя
и расплавленным сплавом-связкой, при про-
питке композиционных материалов.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе сравнивали поведение кристалли-
ческого и микрокристаллического эвтекти-
УДК 621.793.1
ПРОЦЕССЫ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ С
МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ НАПОЛНИТЕЛЕМ
Е.В. Суховая, В.А. Сыроватко, Ю.В. Сыроватко
Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара
Поступила в редакцию 10.06.2011
В работе исследованы процессы контактного взаимодействия, которые происходят во время
пропитки композиционных материалов на границах раздела между микрокристаллическим
наполнителем и связкой на железной основе. Определено структурный и фазовый состав зон
контактного взаимодействия. Установлено уменьшения ширины зон растворно-диффузион-
ного раздела на границах деления композиционных материалов в случае применения в их
составе микрокристаллического эвтектического сплава-наполнителя W-C. Уменьшение ширины
зон с увеличением скорости охлаждения микрокристаллического наполнителя объяснимо в
рамках квантово-механической модели. С целью дополнительного уменьшения ширины зон
контактного взаимодействия предложено легировать втектический сплав-связи Fe-C-B-P мо-
либденом.
Ключевые слова: композиционный материал, микрокристаллический наполнитель, процессы
контактного взаимодействия, растворение и диффузия, квантово-механическая модель
У роботі досліджено процеси контактної взаємодії, що відбуваються під час просочення
композиційних матеріалів на границях поділу між мікрокристалічним наповнювачем и зв’язкою
на залізній основі. Визначено структурний і фазовий склад зон контактної взаємодії. Вста-
новлено зменшення ширини зон розчинно-дифузійного поділу на границях поділу компо-
зиційних матеріалів у разі застосування в їх складі мікрокристалічного евтектичного сплаву-
наповнювача W-C. Зменшення ширини зон зі збільшенням швидкості охолодження мікро-
кристалічного наповнювача пояснено в рамках квантово-механічної моделі. З метою додат-
кового зменшення ширини зон контактної взаємодії запропоновано легувати евтектичний сплав-
зв’язку Fe-C-B-P молібденом.
Ключові слова: композиційний матеріал, мікрокристалічний наповнювач, процеси контактної
взаємодії, розчинення і дифузія, квантово-механічна модель.
In this paper the contact interaction processes occurring at the interfaces between the crystal or
microcrystal filler and the iron-based binder during composites infiltration have been investigated.
The structural and phase composition of zones appearing at the composites interfaces has been deter-
mined. The decrease in dissolution-and-diffusion interface width has been found while microcrystal
W-C eutectic alloy is used as a filler. This characteristics also decreases with increase in cooling rate
of microcrystal filler which has been explained within the quantum-mechanic model framework.
Additionally, the interface width decreases when Fe-C-B-P eutectic binder is alloyed with Mo.
Keywords: composites, microcrystal filler, contact interaction processes, dissolution and diffusion,
quantum-mechanic model.
Е.В. Суховая, В.А. Сыроватко, Ю.В. Сыроватко, 2011
ФІП ФИП PSE, 2011, т. 9, № 3, vol. 9, No. 3270
ческого сплава-наполнителя W-C при воз-
действии расплавленной связки на железной
основе при получении композиционных ма-
териалов. В качестве кристаллического на-
полнителя использовали промышленный
сплав марки “релит”, охлажденный со ско-
ростью 10 К/с. Микрокристаллический на-
полнитель (Vохл = 103 – 104 К/с) аналогичного
состава изготавливали методом термоцент-
робежного распыления вращающегося стер-
жня [1]. Размеры частиц наполнителя в обоих
случаях составляли 30 – 50 мкм. Составы ис-
пользованных сплавов-связок композицион-
ных материалов указаны в табл. 1.
Композиционные материалы получали
способом печной пропитки при температуре
1180 °С в течении 30 минут. Их структуру изу-
чали методами количественного металлогра-
фического, рентгеноструктурного и микро-
рентге-носпектрального анализов. Ширину
зон контактного взаимодействия определяли
при помощи специальной компьютерной
программы. Для этого сканировали цифровые
микрофотографии композиционных материа-
лов, полученные на микроскопе “Неофот”, с
одинаковой плотностью пикселей. Это дало
возможность получать цифровые матрицы
одинаковой плоскостной размерности. Шаг
по абсциссе был равен шагу по ординате и
соответствовал 0,15 мкм.
Результаты сканирования использовали
для построения поверхностей интенсивности
отраженного под микроскопом света, зафик-
сированной в зонах контактного взаимо-
действия. Затем строили графики зависи-
мости интенсивности отраженного света (в
относительных единицах) от координаты
среза. Шаг по ординате соответствовал 9 мкм.
Полученные графики обрабатывали с помо-
щью компьютерной программы сингулярного
анализа числовых рядов “Гусеница” с выде-
лением трендовой кривой.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ
ОБСУЖДЕНИЕ
В структуре полученных композиционных
материалах наблюдаются частицы наполни-
теля, равномерно распределенные в затвер-
девшем сплаве-связке. Фазовый состав на-
полнителя после пропитки не изменяется. В
его структуре присутствуют эвтектические
фазы WC и W2C. Причем, размеры эвтекти-
ческих фаз в микрокристаллическом сплаве-
наполнителе составляют 1 – 2 мкм, а в кри-
сталлическом 25 – 30 мкм (рис. 1).
*Fe – остаток.
Таблица 1
Химический состав связок исследованных композиционных материалов
№
сплава Сплав-связка
Химический состав сплава-связки* Скорость охлаж-
дения напол-
нителя, К/с
Ширина зон кон-
тактного взаимо-
действия, мкмС B P Mo
3,0 1,8 1,0 01к Fe-C-B-P 10 8.65 ± 3,17
3,0 1,8 1,0 0,52к Fe-C-B-P-Mo 10 9.35 ± 4,10
3,0 1,8 1,0 03к Fe-C-B-P 103/104 4.8 ± 1,60/8,9 ± 2,50
3,0 1,8 1,0 0,54к Fe-C-B-P-Mo 103/104 4,4 ± 2,30/8,30 ± 2,65
а)
б)
Рис. 1. Микроструктуры эвтектического наполнителя
W-C, ×300: а) – кристаллический; б) – микрокристал-
лический.
ПРОЦЕССЫ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ С МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ...
271
На границах раздела растворно-диффу-
зионного типа между наполнителем и связкой
образуются зоны контактного взаимодейст-
вия (рис. 2). Со стороны наполнителя в эвтек-
тической структуре WC-W2C присутствует
фаза Fe3W3C. Эвтектическая фаза W2C рас-
творяется и возле границы раздела остается
только слой монокарбида WC. Со стороны
матрицы эвтектика Fe-Fe3(C,B) легирована
вольфрамом и углеродом по сравнению с ис-
ходной. Также в ней наблюдаются включения
фазы Fe3W3C и темные кристаллы округлой
формы, идентифицированные как аустенит,
легированный вольфрамом и претерпевший
перлитный распад. Присутствие аустенитной
фазы в структуре границ раздела свидетельст-
вует о значительной интенсивности процес-
сов контактного взаимодействия. Ее образо-
вание приводит к снижению эксплуатацион-
ных характеристик композиционных мате-
риалов [2].
Построение поверхности интенсивности
отраженного под микроскопом света пока-
зывает, что в случае связки Fe-C-B-P, упроч-
ненной кристаллическим наполнителем, на
границах раздела наблюдается неоднородная
размытая зона контактного взаимодействия
шириной до 5,5 – 12 мкм (рис. 3а, табл. 1).
При увеличении скорости охлаждения напол-
нителя вид зоны контактного взаимодействия
почти не изменяется, однако ее ширина уме-
ньшается (рис. 3в). Аналогичный результат
наблюдается при введении молибдена в
сплав-связку Fe-C-B-P, упрочненный кри-
сталлическим наполнителем W-C (рис. 3б).
Однако замена в этой связке кристалличес-
кого наполнителя на микрокристаллический
приводит к образованию практически одно-
родной с гладкими краями зоны контактного
взаимодействия (рис. 3г). Легирование связки
молибденом вызывает увеличение ширины
зон в случае кристаллического наполнителя
и уменьшение – в случае микрокристалличес-
кого (табл. 1). Из результатов анализа выде-
ленных участков зоны контактного взаимо-
действия следует, что растворение микро-
кристаллического наполнителя в расплав-
ленных связках происходит с меньшей ско-
ростью. За счет этого достигается уменьше-
ние ширины зон контактного взаимодействия
в среднем на 35%.
Анализ графиков зависимости интенсив-
ности отраженного света от координаты среза
показывает, что кривая тренда имеет осцил-
лирующий характер (рис. 4), что можно объя-
снить многофазной структурой зон контакт-
ного взаимодействия. Из приведенных линий
тренда следует уменьшение количества крис-
таллов аустенита на границах раздела при
увеличении скорости охлаждения наполните-
ля (рис. 4в, г). Введение молибдена в сплав-
связку, упрочненную микрокристаллическим
наполнителем, также приводит к уменьше-
нию количества фаз в зоне контактного
взаимодействия (рис. 4г).
а) б)
в) г)
Рис. 2. Микроструктуры композиционных материалов,
х100: а) – № 1к, б) – № 2к; в) – № 3к; г) – № 4к.
а) б)
в) г)
Рис. 3. Поверхности интенсивности отраженного
света для образцов: а) – № 1к; б) – № 2к; в) – № 3к; г)
– № 4к.
ФІП ФИП PSE, 2011, т. 9, № 3, vol. 9, No. 3
Е.В. СУХОВАЯ, В.А. СЫРОВАТКО, Ю.В. СЫРОВАТКО
ФІП ФИП PSE, 2011, т. 9, № 3, vol. 9, No. 3272
В случае малой ширины зоны контактного
взаимодействия на рассматриваемом срезе в
композиционных материалах со связкой Fe-
C-B-P-Mo и микрокристаллическим напол-
нителем числовые ряды дают гладкий тренд
без осциллирующих фрагментов (рис. 5). Ап-
проксимация таких рядов показывает, что
значения показателя экспоненциальной зави-
симости снижения интенсивности отражен-
ного света, связанного с концентрацией ато-
мов вольфрама в связке, составляют 0,080 –
0,157 мкм–1 (среднее 0,107).
а) б)
в) г)
Рис. 4. Аппроксимированная линия тренда, получен-
ная из графиков зависимости интенсивности отражен-
ного света от координаты среза: а) – № 1к; б)– № 2к;
в) – № 3к; г) – № 4к.
Ширина зон контактного взаимодействия
и скорость растворения микрокристалли-
ческого наполнителя уменьшается в случае
гранул бульшего радиуса, охлажденных со
скоростью 103 К/с. Это явление можно объя-
снить с помощью расчетной модели, осно-
ванной на принципах квантовой механики
[3]. Для этого сферические частицы напол-
нителя рассматривают как трехмерные потен-
циальные ямы. Уравнение Шредингера ре-
шают в виде волновой функции в стационар-
ном состоянии для случаев внутри и вне ямы.
Из условия непрерывности волновой функ-
ции, определенного уравнением сшивки, сле-
дует, что минимальная отрицательная энер-
гия связи, позволяющая сохранять структуру
гранул наполнителя, обратно пропорциональ-
на квадрату их радиуса, а именно:
2 2
0 min 28
U
ma
π= �
,
где m – масса атома, а – радиус частицы
наполнителя.
ВЫВОДЫ
1. Изучение особенностей процессов кон-
тактного взаимодействия на границах
раздела между эвтектическим сплавом-на-
полнителем W-C и связками Fe-C-B-P и
Fe-C-B-P-Mo показывает, что их протека-
ние приводит к появлению в композици-
онных материалах зон контактного взаи-
модействия растворно-диффузионного
типа. Присутствие в их структуре аусте-
нитной фазы снижает эксплуатационные
свойства композиционных материалов.
2. Предотвратить образование нежелатель-
ной аустенитной фазы можно путем сни-
жения интенсивности процессов контакт-
ного взаимодействия в случае использова-
ния в составе композиционных материа-
лов микрокристаллического эвтектичес-
кого наполнителя W-C. Ширина зон кон-
тактного взаимодействия также умень-
шается при легировании сплава-связки
Fe-C-B-P молибденом.
ЛИТЕРАТУРA
1. Юзвенко Ю.А., Фрумин Е.И., Пащенко М.А.
Сферический релит. Способ получения и
свойства//Порошковая металлургия. – 1975.
– №7. – С. 1-5.
а)
б)
Рис. 5. Зависимости интенсивности отраженного света
от координаты среза в случае линии тренда, имеющей
неосциллирующий вид: а) – № 3к; б) – № 4к.
ПРОЦЕССЫ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ С МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ...
273
2. Суховая Е.В., Сыроватко Ю.В. Влияние Р и
Мо на формирование границ раздела в компо-
зиционных материалах со связкой Fe-В-С//
Вісник Дніпропетровського національного
університету залізничного транспорту ім.
акад. В. Лазаряна. – 2010. – Вип. 34. –
С. 219-225
3. Портной К.И., Богданов В.И., Фукс Д.Л. Рас-
чет взаимодействия и стабильности фаз. – М.:
Металлургия, 1981. – 248 с.
LITERATURA
1. Juzvenko Ju.A., Frumin E.I., Pashhenko M.A.
Sfericheskij relit. Sposob poluchenija i svojstva
//Poroshkovaja metallurgija. – 1975. – № 7. –
S. 1-5.
ФІП ФИП PSE, 2011, т. 9, № 3, vol. 9, No. 3
2. Suhovaja E.V., Syrovatko Ju.V. Vlijanie R i Mo
na formirovanie granic razdela v kompozi-
cionnyh materialah so svjazkoj Fe-V-S//Vіsnik
Dnіpropetrovs’kogo nacіonal’nogo unіversitetu
zalіznichnogo transportu іm. akad. V. Lazarjana.
– 2010. – Vip. 34. – S. 219-225.
3. Portnoj K.I., Bogdanov V.I., Fuks D.L. Raschet
vzaimodejstvija i stabil’nosti faz. – M.: Metal-
lurgija, 1981. – 248 s.
Е.В. СУХОВАЯ, В.А. СЫРОВАТКО, Ю.В. СЫРОВАТКО
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76901 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1999-8074 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:26:32Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Суховая, Е.В. Сыроватко, В.А. Сыроватко, Ю.В. 2015-02-13T06:49:13Z 2015-02-13T06:49:13Z 2011 Процессы контактного взаимодействия в композиционных материалах с микрокристаллическим наполнителем / Е.В. Суховая, В.А. Сыроватко, Ю.В. Сыроватко // Физическая инженерия поверхности. — 2011. — Т. 9, № 3. — С. 269–273. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76901 621.793.1 В работе исследованы процессы контактного взаимодействия, которые происходят во время пропитки композиционных материалов на границах раздела между микрокристаллическим наполнителем и связкой на железной основе. Определено структурный и фазовый состав зон контактного взаимодействия. Установлено уменьшения ширины зон растворно-диффузионного раздела на границах деления композиционных материалов в случае применения в их составе микрокристаллического эвтектического сплава-наполнителя W-C. Уменьшение ширины зон с увеличением скорости охлаждения микрокристаллического наполнителя объяснимо в рамках квантово-механической модели. С целью дополнительного уменьшения ширины зон контактного взаимодействия предложено легировать втектический сплав-связи Fe-C-B-P молибденом. У роботі досліджено процеси контактної взаємодії, що відбуваються під час просочення композиційних матеріалів на границях поділу між мікрокристалічним наповнювачем и зв’язкою на залізній основі. Визначено структурний і фазовий склад зон контактної взаємодії. Встановлено зменшення ширини зон розчинно-дифузійного поділу на границях поділу композиційних матеріалів у разі застосування в їх складі мікрокристалічного евтектичного сплаву-наповнювача W-C. Зменшення ширини зон зі збільшенням швидкості охолодження мікрокристалічного наповнювача пояснено в рамках квантово-механічної моделі. З метою додаткового зменшення ширини зон контактної взаємодії запропоновано легувати евтектичний сплавзв’язку Fe-C-B-P молібденом. In this paper the contact interaction processes occurring at the interfaces between the crystal or microcrystal filler and the iron-based binder during composites infiltration have been investigated. The structural and phase composition of zones appearing at the composites interfaces has been determined. The decrease in dissolution-and-diffusion interface width has been found while microcrystal W-C eutectic alloy is used as a filler. This characteristics also decreases with increase in cooling rate of microcrystal filler which has been explained within the quantum-mechanic model framework. Additionally, the interface width decreases when Fe-C-B-P eutectic binder is alloyed with Mo. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности Процессы контактного взаимодействия в композиционных материалах с микрокристаллическим наполнителем Article published earlier |
| spellingShingle | Процессы контактного взаимодействия в композиционных материалах с микрокристаллическим наполнителем Суховая, Е.В. Сыроватко, В.А. Сыроватко, Ю.В. |
| title | Процессы контактного взаимодействия в композиционных материалах с микрокристаллическим наполнителем |
| title_full | Процессы контактного взаимодействия в композиционных материалах с микрокристаллическим наполнителем |
| title_fullStr | Процессы контактного взаимодействия в композиционных материалах с микрокристаллическим наполнителем |
| title_full_unstemmed | Процессы контактного взаимодействия в композиционных материалах с микрокристаллическим наполнителем |
| title_short | Процессы контактного взаимодействия в композиционных материалах с микрокристаллическим наполнителем |
| title_sort | процессы контактного взаимодействия в композиционных материалах с микрокристаллическим наполнителем |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76901 |
| work_keys_str_mv | AT suhovaâev processykontaktnogovzaimodeistviâvkompozicionnyhmaterialahsmikrokristalličeskimnapolnitelem AT syrovatkova processykontaktnogovzaimodeistviâvkompozicionnyhmaterialahsmikrokristalličeskimnapolnitelem AT syrovatkoûv processykontaktnogovzaimodeistviâvkompozicionnyhmaterialahsmikrokristalličeskimnapolnitelem |