blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-5-407-412blackmet-1332Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEПРОПИТКА ПОДЛОЖЕК ИЗ МОНОКАРБИДА ВОЛЬФРАМА НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛЬЮ КОНТАКТНЫМ И БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДАМИIMPREGNATION OF SUBSTRATES OF TUNGSTEN MONOCARBIDE WITH LOW CARBON STEEL USING CONTACT AND NON-CONTACT METHODSЧумановИ. В.ChumanovI. V.

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Общая металлургия»

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair of the General Metallurgy

chumanoviv@susu.ac.ruАникеевА. Н.AnikeevA. N.

к.т.н, доцент кафедры «Общая металлургия»

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of the General Metallurgy

anikeev-ml@mail.ruЮжно-Уральский государственный университет, филиал в г. ЗлатоустеРоссияZlatoust branch of the South Ural State University, ZlatoustRussian Federation201801062018615407412Copyright © Чуманов И.В., Аникеев А.Н., 20182018Чуманов И.В., Аникеев А.Н.Chumanov I.V., Anikeev A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1332

Представлено исследование взаимодействия монокарбида вольфрама и низкоуглеродистой стали контактным и бесконтактным вариантами. Подложки из спрессованного порошка карбида вольфрама, спеченные в вакуумной печи, пропитывались низкоуглеродистой сталью определенного химического состава. Весь процесс фиксировался на высокоскоростную видеокамеру, что позволяло измерить контактный угол смачивания в любое время эксперимента. Практическое исследование проводилось на экспериментальном комплексе в  Центре высокотемпературных исследований Научно-исследовательского института литья (Foundry Research Institute, г.  Краков, Польша). Представлен ход эксперимента, исследование микроструктур полученных подложек. Изучение химического состава продуктов взаимодействия монокарбида вольфрама с низкоуглеродистой сталью проводили на сканирующем электронном микроскопе Jeol JSM-6460 LV. Пропитка всех образцов прошла успешно, во всех областях на срезах подложек наблюдается одинаковая структура, состоящая из трех фаз: зерен карбида вольфрама и железо-углерод-вольфрамовых соединений с различным содержанием железа (86,72  % и 22,86 – 23,68 %). На  краевых областях, примыкающих к верхней грани, можно наблюдать большее количество Fe – C – W-соединений с содержанием железа 22,86 – 23,68 %. Это объясняется тем, что пропитка данных областей происходила в последнюю очередь, и железо растворило карбид в большей степени, чем в других областях. В местах непосредственного взаимодействия подложек и металла четко идентифицируются зерна карбида вольфрама, скрепленные между собой расплавом на основе железа (с различным содержанием железа в разных фазах). На обоих образцах на горизонтальной грани подложек в области, прилегающей к области впитывания, наблюдается частичное покрытие поверхности образцов пленкой железа. Краевые зоны горизонтальной грани подложек полностью покрыты пленкой железа, под которой располагаются зерна карбида вольфрама. Несмотря на применение различных методик изучения взаимодействия монокарбида вольфрама с низкоуглеродистой сталью (контактного и бесконтактного нагрева), значительной разницы между структурами образцов не наблюдается.

The article presents a study of the interaction of tungsten monocarbide and carbon steel by contact and non-contact methods. Substrates of compressed powder of tungsten carbide, sintered in a vacuum furnace, were impregnated with carbon steel with certain chemical composition. The whole process was recorded on a high-speed video camera that allows to measure the contact angle of the experiment at any time. The practical study was conducted on the experimental complex in the center of high-temperature studies of the Research Institute of Casting (Foundry Research Institute, Krakow, Poland). The experimental course and microstructures of obtained substrates were represented. The study of the chemical composition of tungsten monocarbide reaction products with low carbon steel was carried out by a scanning electron microscope “Jeol JSM-6460 LV”. According to the study of all areas on the substrate sections it can be observed the same structure, consisting of three phases: the grains of tungsten carbide and iron-carbon-tungsten compounds with different iron content. On the edge regions, adjacent to the upper face can be seen more of Fe – C – W-compounds with iron content of 22.86  %  –  23.68  %. This is because these areas impregnation occurred at the last turn, and dissolved the iron carbide to a greater extent than in other areas. In areas of direct interaction between the substrate and the metal clearly identified tungsten carbide grains, bonded together by molten iron (with different content of iron in different phases). On both samples on horizontal surfaces of the substrates in the region adjacent to the absorption field, partially iron film covering is observed over the sample surface. Boundary zone horizontal surfaces of substrates are completely covered with iron film, under which the tungsten carbide grains are located. Despite the use of different methods of studying the interaction of tungsten monocarbide with low carbon steel (contact and contactless heating), a significant difference is not observed between the structure of the samples.

монокарбид вольфраманизкоуглеродистая стальконтактный нагревбесконтактный нагревмикроструктураtungsten monocarbidelow carbon steelcontact heatingnoncontact heatingmicrostructureЮжно-Уральский государственный университет благодарит за финансовую поддержку Министерство образования и науки РФ (проект № 11.9658.2017/8.9.)ReferencesHarris I.R., Jones I.P. Grain boundaries: their character, characte zation and influence on properties. – London: Institute of Materials, 2001.Harris I.R., Jones I.P. Grain boundaries: their character, characterization and influence on properties. London: Institute of Materials, 2001.Chumanov I.V., Chumanov V.I., Anikeev A.N. Preparation of pre ci pitation-strengthened hollow billets for rotary dispersers // Metallurgist. 2011. Vol. 55. P. 439 – 443.Chumanov I.V., Chumanov V.I., Anikeev A.N. Preparation of precipitation-strengthened hollow billets for rotary dispersers. Metallurgist. 2011, vol. 55, pp. 439–443.Chumanov I.V., Kareva N.T., Chumanov V. I., Anikeev A.N. Study and analysis of the structural constituents of billets hardened by fine-grained particles and formed by centrifugal casting // Russian Metallurgy (Metally). 2012. Vol. 6. P. 540 – 543.Chumanov I.V., Kareva N.T., Chumanov V. I., Anikeev A.N. Study  and analysis of the structural constituents of billets hardened by fine-grained particles and formed by centrifugal casting. Russian Metallurgy (Metally). 2012, vol. 6, pp. 540–543.Шульга А.В. Композиты. Часть 1: Основы материаловедения композиционных материалов. – М.: НИЯУ МИФИ, 2013. – 96 с.Shul’ga A.V. Kompozity. Chast’ 1: Osnovy materialovedeniya kompozitsionnykh materialov [Composites. Part. 1: Foundations of materials science composite materials]. Moscow: NIYaU MIFI, 2013,  96 p. (In Russ.).Тарнопольский Ю. М., Жигун И. Г., Поляков В. А. Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник. – М.: Машиностроение, 1987. – 224 с.Tarnopol’skii  Yu.  M.,  Zhigun  I.  G.,  Polyakov  V.  A.  Prostranstvenno-armirovannye kompozitsionnye materialy: Spravochnik [Spatially-reinforced  composite  materials:  Handbook].  Moscow:  Mashinostroenie, 1987, 224 p. (In Russ.).Нейман А. Материалы будущего: перспективные материалы для народного хозяйства / Пер. с нем. – Л.: Химия, 1985. – 239 с.Baumann K., Bernst R., Braune G. Werkstoffe mit Zukunft: Perspektiven volkswirtschaftlich wichtiger Werkstoffe. Neiman A. Hrsg.,  1977, 256 S. (Russ.ed.: Neiman A. Materialy budushchego: perspektivnye materialy dlya narodnogo khozyaistva. Leningrad: Khimiya,  1985, 239 p.).Чувильдеев В.Н., Москвичева А.В., Болдин М.С. Электроимпульсное плазменное спекание наноструктурированного карбида вольфрам и твердых сплавов на его основе // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2013. № 2(2). С. 115 – 119.Chuvil’deev  V.N.,  Moskvicheva A.V.,  Boldin  M.S.  Electro  pulse  plasma  sintering  of  nanostructured  tungsten  carbide  and  hard  alloys  based  on  it.  Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. N.I. Lobachevskogo. 2013, no. 2 (2), pp. 115–119. (In Russ.).Григорович В.К., Шефтель Е.Н. Дисперсионное упрочнение тугоплавких металлов. – М.: Наука, 1988. – 296 с.Grigorovich V.K., Sheftel’ E. N. Dispersionnoe uprochnenie tugoplavkikh metallov [Dispersion hardening of refractory metals]. Mos-cow: Nauka, 1988, 296 p. (In Russ.).Комшуков В.П., Фойгт Д.Б., Черепанов А.Н., Амелин А.В. Модифицирование непрерывнолитой стали нанопорошками тугоплавких соединений // Сталь. 2009. № 4. С. 65 – 67.Komshukov V.P., Foigt D.B., Cherepanov A.N., Amelin A.V. Modifying  continuous-cast  steel  with  refractory  nanopowder.  Steel in Translation. 2009, vol. 39, no. 4, pp. 363–365.Гуревич Ю.Г., Нарва В.К., Фраге Н.Р. Карбидостали. – М.: Металлургия, 1988. – 144 с.Gurevich  Yu.G.,  Narva  V.K.,  Frage  N.R.  Karbidostali  [Carbide  steels]. Moscow: Metallurgiya, 1988, 144 p. (In Russ.).Федорченко И.М., Андриевский Р.А. Основы порошковой металлургии. – Киев: АН УССР, 1961. – 420 с.Fedorchenko I.M., Andrievskii R.A. Osnovy poroshkovoi metallurgii [Fundamentals of powder metallurgy]. Kiev: AN USSR, 1961,  420 p. (In Russ.).Зайцев А.А., Вершинников В.И., Панов В.С. и др. Влияние технологических параметров спекания на структуру и свойства твердого сплава ВК5 из СВС-порошка вольфрама // Изв. вуз. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 3. С. 21 – 27.Zaitsev A.A., Vershinnikov V.I., Panov V.S., Levashov E.A., Borovinskaya I.P., Konyashin I.Yu., Rupasov S.I., Patsera E.I., Shumenko V.N., Zamulaeva E.I. Influence of technological parameters of  sintering on the structure and properties of VK5hard alloy of SVS-  tungsten powder of. Izvestiya VUZov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya. 2013, no. 3, pp. 21–27. (In Russ.).Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. – М.: Химия, 1976. – 232 с.Summ B.D., Goryunov Yu.V. Fiziko¬khimicheskie osnovy smachivaniya i rastekaniya [Physico-chemical  fundamentals  of  wetting  and spreading]. Moscow: Khimiya, 1976, 232 p. (In Russ.).Костиков В.И., Антипов В.И., Кривцун В.М., Кошелев Ю.И. Исследование смачивания углеродных материалов расплавами металлических матриц // Композиционные материалы: Сб. тр. – М.: Наука, 1981. С. 89 – 92.Kostikov V.I., Antipov V.I., Krivtsun V.M., Koshelev Yu. The study  of wetting of carbon materials by melts of metal matrix. In: Kompozitsionnye materialy: Sbornik trudov [Composite materials: The  collection of works]. Moscow: Nauka, 1981, pp. 89-92. (In Russ.).Либенсон Г.А. Процессы порошковой металлургии. Т. 2. Формование и спекание. – М.: МИСиС, 2002. – 320 с.Libenson G.A. Protsessy poroshkovoi metallurgii. T. 2. Formovanie i spekanie [Powder metallurgy processes. Vol. 2. Molding and sin-tering]. Moscow: MISiS, 2002, 320 p. (In Russ.).Sobczak N., Nowak R., Radziwill W. etc. Experimental complex for investigations of high temperature capillarity phenomena // Materials Science and Engineering A. 2008. Vol. 495 (1 – 2). P. 43 – 49.Sobczak N., Nowak R., Radziwill W., Budzioch J., Glenz A. Experimental  complex  for  investigations  of  high  temperature  capillarity  phenomena.  Materials Science and Engineering A.  2008,  vol.  495(1-2), pp. 43–49.Аникеев А.Н., Бигеев А.В., Гордеев Е.Н. и др. О возможности введения твердых тугоплавких частиц при получении трубной заготовки методом центробежного литья // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2009. № 36 (169). С. 24 – 27.Anikeev A.N., Bigeev A.V., Gordeev E.N., Chumanov V.I., Chumanov I.V. On the possibility of the introduction of solid refractory  particles at billets production by centrifugal casting. Vestnik Yuzhno¬Ural’skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Metallurgiya.  2009, no. 36 (169), pp. 24–27. Chumanov I.V., Anikeev A.N., Chumanov V.I. Fabrication of functionally graded materials by introducing wolframium carbide dispersed particles during centrifugal casting and examination of FGM’s structure // Procedia Engineering. 2015. Vol. 129. P. 816 – 820.Chumanov I.V., Anikeev A.N., Chumanov V.I. Fabrication of functionally  graded  materials  by  introducing  wolframium  carbide  dispersed particles during centrifugal casting and examination of FGM’s  structure. Procedia Engineering. 2015, vol. 129, pp.  816–820.Sobczak N. Some methodological aspects of high temperature capillarity phenomena investigations. Part I // Transactions of the Foundry Research Institute. 1994. Vol. XLIV (4). P. 221 – 238.Sobczak  N.  Some  methodological  aspects  of  high  temperature  ca pillarity  phenomena  investigations.  Part  I.  Transactions of the Foundry Research Institute. 1994, vol. XLIV (4), pp. 221–238.Eustathopoulos N., Sobczak N., Passerone A., Nogi K. Measurements of contact angle and work of adhesion at high temperatures // Materials Science. 2005. Vol. 40 (9/10). P. 2271 – 2280.Eustathopoulos N., Sobczak N., Passerone A., Nogi K. Measurements of contact angle and work of adhesion at high temperatures.  Materials Science. 2005, vol. 40 (9/10), pp. 2271–2280.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.