Possibilities of using Ti–B–Fe system powders in producing hard alloys with improved mechanical properties
A method for obtaining a composite powder of titanium diboride and iron with high performance characteristics has been developed. The newly produced materials should be able to function at high speeds, temperatures, mechanical loads, and aggressive conditions. To meet these requirements, they should possess a complex set of physical, mechanical, chemical, and other special properties. In this work, the optimal modes of self-propagating high-temperature synthesis, subsequent grinding of the synthesis products, and further sintering have been discovered. The microstructures of the products at each technological stage of product preparation were studied. The compaction patterns of the compressed composite powder based on titanium diboride depending on the temperature and time parameters of sintering were examined. Mechanical tests of the obtained sintered materials for strength (a bend) and hardness (HRA) using the INSTRON 3368 and hardness tester TK-2 by the Rockwell method have determined high characteristics of strength (HRA 83-85, a bend = 1200 MPa) and wear resistance at the level of BK 15. The possibility of their application in the woodworking industry has been shown
Keywords
self-propagating high-temperature synthesis,
sintering,
titanium diboride,
structure,
mechanical properties,
composite material,
Ti-B-Fe system,
hardness,
strength characteristicsAuthors
| Lepakova Ol’ga K. | Tomsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences | klavdievna.k@yandex.ru |
| Shkoda Ol’ga A. | Tomsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences | O.Shkoda@dsm.tsc.ru |
Всего: 2
References
Серебрякова Т.И., Неронов В.А., Пешев П.Д. Высокотемпературные бориды. М.: Металлургия, 1991. 367 с.
Свойства, получение и применение тугоплавких соединений / под ред. Т.Я. Косолаповой. М.: Металлургия, 1986. 928 с.
Baumgartner H.R., Steiger R.A. Sintering and properties of titanium diboride made from powder synthesized in a plasma-arc heater // J. Amer. Ceram. Soc. 1984. V. 67 (3). P. 207-212.
Bellosi A., Craziani T., Guicciard S., Tampieri A. Characteristics of TiB2 ceramic // Brit. Ceram. Proc. 1992. № 49. P. 163-174.
Khoa H.X., Tuan N.Q., Lee Y.H., Lee B.H., Vieta N.H., Kim J.S. Fabrication of Fe-TiB2 Com posite Powder by High-Energy Milling and Subsequent Reaction Synthesis // J. Kor. Powd. Met. Inst. 2013. V. 20 (3). P. 221-227. doi: 10.4150/KPMI.2013.20.3.221.
Lepakova O.K., Terekhova O.G., Kostikova V.A., Kitler V.D. Cermet formation during mechanical activation of TiB2-Fe SHS Powder in Benzine // Chemistry for Sustainable Development. 2004. № 4. P. 443-446.
Kubodera S. Titanium diboride for high-wear resistance parts // Nippon Kokan Tech. Rept. 1987. № 50. Р. 83-84.
Пат. 60-103148 Япония. Прочные сверхтвердые материалы класса боридов / Takabacu. Опубл. 1985.
Пат. 497954 Япония. Способ изготовления спеченного материала на основе борида ти тана / Хиденобу, Мураяма Тосиюки. Опубл. 30.3.1992.
Панасюк А.Д. Физико-химические основы формирования композиционных материалов на основе тугоплавких боридов // Бориды и материалы на их основе. Киев: ИПМ, 1986. С. 22-29.
Композиционные материалы: справочник / под ред. Д.М. Карпиноса. Киев: Наукова думка, 1985. 592 с.
Борисова А.Л. Совместимость тугоплавких соединений с металлами и графитом. Киев: Наукова думка, 1985. 247с.
Yujiao Ke, Kazuhiro Matsugi, Zhefeng Xu, Yu He, Yongbum Choi, Mingzhi Wang, Jinku Yu. Synthesis of 30 vol% TiB2 Containing Fe5Ti Matrix Composites with High Thermal Conductivity and Hardness // Materials Transactions. 2019. V. 60 (12). P. 2516-2524. doi: 10.2320/ matertrans.MT-M2019168.
Киффер Р., Бенезовский Ф. Твердые материалы. М.: Металлургия, 1968. 384 с.
Brewer L., Sawyer D., Tempenton D. A Study of the Refractory Borides // J. Amer. Ceram. Soc. 2006. V. 34 (6). P. 173-179. doi: 10.1111/j.1151-2916.1951.tb11631.x.
Blumenthal H. Production of transition metal diborides and their solid solutions from metal oxides and boran oxide // Powder Metallurgy Bull. 1956. V. 7 (3). Р. 79-81.
Самсонов Г.В. К вопросу о прохождении реакции восстановления двуокиси титана углеродом через стадии низших окислов // Журнал прикладной химии. 1955. Т. 28. С. 919-921.
Tennery V.J., Finch C.B., Yust C.S., Clark G.M. Structure-property correlations for TiB2-based ceramics densified using active liguid metals // Sci. Hard Mater. Proc.Int. Conf., 23-28 Aug., 1981. New York; London: 1983. P. 891-909. doi: 10.1007/978-1-4684-4319-6_49.
Meyer R., Pastor H. Etude du fritfageet de la compression a chaud des diborures de titane et de zirconium avec addition de metaux de transition et de guelguesproprietes des alliagesobtenus // Planseeberichte fur Pulvermetallurgie. 1969. Bd. 17 (2). Р. 111 -122.
Функе В.Ф., Юдковский С.И., Самсонов Г.В. Сплавы системы В, Ti, Fe // Журнал прикладной химии. 1961. Т. 34, № 5. С. 1013-1020.
Искольдский И.И., Богородская Л.П. О возможности получения металлокерамических твердых сплавов на основе боридов хрома, титана и вольфрама // Журнал прикладной химии. 1957. Т. 30, № 2. С. 177-185.
Khanra A.K., Godkhindi M.M., Pathak L.C. Sintering behaviour of ultra-fine titanium diboride powder prepared by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) technique // Materials Science and Engineering A. 2007. Т. 454-455. С. 281-287. doi: 10.1016/j.msea. 2006.11.083.
Кислый П.С., Кузнецова М.А. Спекание тугоплавких соединений. Киев: Наукова думка, 1980. 167 с.
Kovalev D.Yu., Bolotskaya A.V., Mikheev M.V. Self-propagationg high-temperature synthesis in the Ti-B-Fe system with AlN additions // Inorganic Materials. 2022. V. 58 (9). Р. 922-930. doi: 10.1134/S0020168522080052.
Лепакова О.К., Расколенко Л.Г., Афанасьев Н.И., Китлер В.Д. Синтез, фазовый состав и структура твердых сплавов на основе диборида титана // Физика и химия обработки материалов. 2012. № 1. С. 54-58.
Лепакова О.К., Голобоков Н.Н., Китлер В.Д., Радишевская Н.И., Афанасьев Н.И. Влияние механической активации и добавок кремния на структуру и свойства материалов, спеченных из СВС-композиционного порошка TiB2-Fe // Физика и химия обработки материалов. 2011. № 1. С. 71-76.
Yuchao Song, Shucheng Dong, Oleksandr Stasiuk, Dmytro Savvakin, Orest Ivasishin. Synthesis of Ti/TiB Composites via Hydrogen-Assisted Blended Elemental Powder Metallurgy // Frontiers in Materials. 2020. V. 7. doi: 10.3389/fmats.2020.572005.
Yangyang Sun, Hui Chang, Zhigang Fang, Yuecheng Dong, Zhenhua Dan, Yanhua Guo, Lian Zhou. Study on Microstructure and Mechanical Properties of Low Cost Ti-Fe-B Alloy // MATEC Web of Conferences “The 14th World Conference on Titanium”. 2020. V. 321. Art. 11029. doi: 10.1051/matecconf/20203211102929.
Huang F., Fu Z., Yan A., Wang W. et al. Experimental evidence of structural evolution for TiB2 microcrystal under externally high stresses // Powder Technol. 2010. V. 1-2. P. 83-86. doi: 10.1016/j.powtec.2009.08.023.
Zhou D., Liu Y., Shen B., Zhao X. et al. Structural prediction of ultrahard semi-titanium boride (Ti2B) using the frozen-phonon method // Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. V. 18 (11). P. 79277931. doi: 10.1039/C6CP00758A.
Gai L., Ziemnicka-Sylwester M. The TiB2-based Fe-matrix composites fabricated using elemental powders in one step process by means of SHS combined with pseudo-HIP // International Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 2014. V. 45. P. 141 -146. doi: 10.1016/j.ijrmhm.2014.04.008.
Tian J.Z., Zhao Y.H., Wang B., Hou H., Zhang Y.M. The structural, mechanical and thermodynamic properties of Ti-B compounds under the influence of temperature and pressure: first-principles study // Mater. Chem. Phys. 2018. V. 209. P. 200-207. doi: 10.1016/j.matchem-phys.2018.01.067.
Lepakova O.K., Raskolenko L.G., Maksimov Y.M. Self-propagating high-temperature synthesis of composite material TiB2-Fe // J Mater Sci. 2004. V. 39 (11). P. 3723-3732. doi: 10.1023/ B:JMSC.0000030726.29507.2b.
Manish Patel, Vajinder Singh, Deepak Kumar. Effect of particle size and sintering additive on densification and mechanical properties of titanium diboride (TIB2) ceramic // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2023. V. 117. Art. 106380. doi: 10.1016/ j.ijrmhm.2023.106380.
Lepakova O.K., Raskolenko L.G., Maksimov Y.M. The mechanism of phase and structure formation of the Ti-B-Fe system in a combustion wave // Combust Explos Shock Waves. 2000. V. 36. P. 575-581. doi: 10.1007/BF02699520.
Расколенко Л.Г., Лепакова О.К., Максимов Ю.М. Спекание композиционных частиц на основе диборида титана, полученных методом СВС // Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: сб. ст. / под ред. Ю.М. Максимова. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1991. С. 110-116.