Mechanical Properties of An Fe–ti–ni–b–c Shs Composite

N. B.Pugacheva; A. V.Nokhrina; E. I.Senaeva; R. A.Savrai

doi:10.17804/2410-9908.2024.4.057-069

N. B.Pugacheva, A. V.Nokhrina, E. I.Senaeva, R. A.Savrai

MECHANICAL PROPERTIES OF AN Fe–Ti–Ni–B–C SHS COMPOSITE

DOI: 10.17804/2410-9908.2024.4.057-069

The paper studies the structure, mechanical properties and wear resistance of a composite produced by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) with an average chemical composition, wt%: 35.47 ± 1.5 Fe; 24.08 ± 1.4 Ti; 13.99 ± 0.5 Ni; 17.91 ± 0.4 B; 8.54 ± 0.5 C. Testing has revealed that the composite has wear resistance on a level with one of the Hardox 500 wear-resistant steels. The composite is characterized by a wide range of values of transverse bending strength R_bm30 from 200 to 800 MPa. Steel 40X shows a bending strength R_bm30 of 1590 MPa, and the values of this characteristic for the Hardox 500 steel range between 2970 and 3020 MPa. The composite has low impact strength values KCU = 0.02 MJ/m2, compared with KCU = 0.35 MJ/m2 for steel 40X and KCU = 1.59 MJ/m2 for Hardox 500. The Fe–Ni–Ti–C–B SHS composite should not be used for bending parts and those experiencing shock loads; however, it suits perfectly for protecting the surfaces of parts subject to intense abrasive wear.

Acknowledgement: The work was performed within the framework of the state assignment of the IMASH Ural Branch of the Russian Academy of Sciences on the topic No. 124020700063-3.

Keywords: self-propagating high-temperature synthesis (SHS), SHS composite, microstructure, abrasive wear resistance, bending strength, impact strength

References:

Amosov, A.P., Borovinskaya, I.P., and Merzhanov, A.G. Poroshkovaya tekhnologiya samorasprostranyayushchegosya vysokotemperaturnogo sinteza materialov [Powder Technology of Self-Propagating High-Temperature Synthesis of Materials]. Mashinostroenie–1 Publ., Moscow, 2007, 472 p. (In Russian).
Merzhanov, A.G. Tverdoplamennoe gorenie [Solid-Flame Combustion]. ISMAN Publ., Chernogolovka, 2000, 238 p. (In Russian).
Samorasprostranyayushchiysya vysokotemperaturnyi sintez: teoriya i praktika [Self-Propagating High-Temperature Synthesis, Theory and Practice: Collection of Articles, ed. by A.E. Sychev]. Territoriya Publ., Chernogolovka, 2001, 432 p. (In Russian).
Pugacheva, N.B., Nikolin, Yu.V., Senaeva, E.I., and Malygina, I.Yu. Structure of Fe–Ni–Ti–C–B SHS composites. Physics of Metals and Metallography, 2019, 120 (11), 1078–1084. DOI: 10.1134/S0031918X19110139.
Pugacheva, N.B., Nikolin, Yu.V., Bykova, T.M., and Senaeva, E.I. Structure and properties of a SHS Cu–Ti–C–B composite. Physics of Metals and Metallology, 2022, 123 (1), 43–49. DOI: 10.1134/S0031918X22010100.
Mofa, N.N., Sadykov, B.S., Bakkara, A.E., Zhuranova, G.S., and Mansurov, Z.A. Production of metal-ceramic SHS composites based on mechanochemically treated systems. Gorenie i Plazmokhimiya, 2018, 16 (3–4), 159–171. (In Russian).
Sychev, A.E., Kamynina, O.K., Umarov, L.M., Shchukin, A.S., and Zhidkov, M.V. SHS of composite materials based on Ti-Co. Fundamentalnye Issledovaniya, 2014, 12, 1912–1916. (In Russian).
Xinghong, Z., Qiang, X., Jiecai, H., and Kvanin, V.L. Self-propagating high temperature combustion synthesis of TiB/Ti composites. Materials Science and Engineering: A, 2003, 348 (1–2), 41–46. DOI: 10.1016/S0921-5093(02)00635-4.
Fan, Q., Chai, H., and Jin, Z. Role of iron addition in the combustion synthesis of TiC–Fe cermet. Journal of Materials Science, 1997, 32, 4319–4323. DOI: 10.1023/A:1018667722150.
LaSalvia, J.C., Meyers, M.A. Combustion synthesis in the Ti–C–Ni–Mo system. Part II. Analysis. Metallurgical and Materials Transactions A, 1995, 26, 3011–3019. DOI: 10.1007/BF02669657.
Zhang, X., He, X., Han, J., Qu, W., Kvalin, V.L. Combustion synthesis and densification of large-scale TiC–xNi cermets. Materials Letters, 2002, 56 (3), 183–187. DOI: DOI: 10.1016/S0167-577X(02)00437-8.
Zhang, W., Zhang, X., Wang, J., and Hong, C. Effect of Fe on the phases and microstructure of TiC–Fe cermets by combustion synthesis/quasi-isostatic pressing. Materials Science and Engineering: A, 2004, 381 (1–2), 92–97. DOI: 10.1016/j.msea.2004.04.026.
Shcherbakov, V.A., Gryadunov, A.N., Barinov, Yu.N., and Botvina, O.I. Synthesis and properties of composites based on zirconium and chromium borides. Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsionalnye Pokrytiya, 2018, 1, 18–25. (In Russian). DOI: 10.17073/1997-308X-2018-1-18-25.
Manucharyan, A.G., Kikanyan, S.L., and Khachatryan, E.A. Corrosion resistance of a Si₃N₄–30%TiN metal-ceramic SHS composite to the sulfuric-acid–phosphoric-acid–water triple mixture Molodoy Uchenyi, 2014, 2 (61), 260–263.
Nikolin, Yu.V., Matevosyan, M.B., Kochugov, S.P., and Pugacheva, N.B. RF Patent No. 2680489, Byull. Izobret. No. 6, 2019.

Н. Б.Пугачева, А. В.Нохрина, Е. И.Сенаева, Р. А.Саврай

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТА СИСТЕМЫ Fe–Ti–Ni–B–C

Исследована структура, механические свойства и износостойкость композита, полученного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), со средним химическим составом, вес. %: 35,47 ± 1,5 Fe; 24,08 ± 1,4 Ti; 13,99 ± 0,5 Ni; 17,91 ± 0,4 B; 8,54 ± 0,5 C. В результате испытаний установлено, что композит обладает износостойкостью на уровне с одной из износостойких сталей Hardox 500. Композит характеризуется широким интервалом значений предела прочности на поперечный изгиб R_bm30 от 200 до 800 МПа. Сталь 40X показала предел прочности на изгиб R_bm30, равный 1590 МПа, а сталь Hardox 500 – 2970–3020 МПа. Композит имеет низкие значения ударной вязкости KCU = 0,02 МДж/м2 по сравнению со значениями KCU = 0,35 МДж/м2 для стали 40X и KCU = 1,59 МДж/м2 для стали Hardox 500. СВС-композит системы Fe–Ni–Ti–C–B не следует применять для деталей, работающих на изгиб и испытывающих ударные нагрузки, однако он отлично подойдет для защиты поверхностей деталей, подверженных интенсивному абразивному износу.

Благодарность: Работа выполнена в рамках государственного задания ИМАШ УрО РАН по теме №124020700063-3.

Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), СВС-композит, микроструктура, абразивная износостойкость, предел прочности на изгиб, ударная вязкость

Библиография:

Амосов А. П., Боровинская И. П., Мержанов А. Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. – М. : Машиностроение–1, 2007. – 472 с.
Мержанов А. Г. Твердопламенное горение. – Черноголовка : ИСМАН, 2000. – 238 с.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика : сборник статей / под ред. А. Е. Сычева. – Черноголовка : Территория, 2001. – 432 с.
The structure of SHS composites of the Fe–Ni–Ti–C–B system / N. B. Pugacheva, Yu. V. Nikolin, E. I. Senaeva, I. Yu. Malygina // Physics of Metals and Metallology. – 2019. – Vol. 120, No. 11. – P. 1174–1180. – DOI 10.1134/S0015323019110135.
Structure and properties of a SHS Cu–Ti–C–B composite / N. B. Pugacheva, Yu. V. Nikolin, T. M. Bykova, E. I. Senaeva // Physics of Metals and Metallology. – 2022. – Vol. 123 (1). – P. 43–49. – DOI: 10.1134/S0031918X22010100.
Получение металлокерамических СВС-композитов на основе механохимически обработанных систем / Н. Н. Мофа, Б. С. Садыков, А. Е. Баккара, Г. C. Журанова, З. Л. Султанова, З. А. Мансуров // Горение и плазмохимия. – 2018. – Т. 16 (3–4). – С. 159–171.
СВС композиционных материалов на основе сплава Ti-Co / А. Е. Сычев, О. К. Камынина, Л. М. Умаров, А. С. Щукин, М. В. Жидков // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 12. – С. 1912–1916.
Self-propagating high temperature combustion synthesis of TiB/Ti composites / Z. Xinghong, X. Qiang, H. Jiecai, V. L. Kvanin // Materials Science and Engineering: A. – 2003. – Vol. 348 (1–2). – P. 41–46. – DOI: 10.1016/S0921-5093(02)00635-4.
Fan Q., Chai H., Jin Z. Role of iron addition in the combustion synthesis of TiC–Fe cermet // Journal of Materials Science. – 1997. – Vol. 32. – P. 4319–4323. – DOI: 10.1023/A:1018667722150.
LaSalvia J. C., Meyers M. A. Combustion synthesis in the Ti–C–Ni–Mo system. Part II. Analysis // Metallurgical and Materials Transactions A. – 1995. – Vol. 26. – P. 3011–3019. – DOI: 10.1007/BF02669657.
Combustion synthesis and densification of large-scale TiC–xNi cermets / X. Zhang, X. He, J. Han, W. Qu, V. L. Kvalin // Materials Letters. – 2002. – Vol. 56 (3). – P. 183–187. – DOI: 10.1016/S0167-577X(02)00437-8.
Effect of Fe on the phases and microstructure of TiC–Fe cermets by combustion synthesis/quasi-isostatic pressing / W. Zhang, X. Zhang, J. Wang, C. Hong // Materials Science and Engineering: A. – 2004. –Vol. 381 (1–2). – P. 92–97. – DOI: 10.1016/j.msea.2004.04.026.
Синтез и свойства композитов на основе боридов циркония и хрома / В. А. Щербаков, А. Н. Грядунов, Ю. Н. Баринов, О. И. Ботвина // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2018. – № 1. – С. 18–25.
Коррозионная стойкость СВС- металлокерамического композита Si₃N₄–30об. % TiN в тройной смеси серная кислота–фосфорная кислота–вода / А. Г. Манучарян, С. Л. Киканян, Э. А. Хачатрян // Молодой ученый. – 2014. – № 2 (61). – С. 260–263.
Патент № 2680489 Рос. Федерация. Способ изготовления многослойной износостойкой пластины : № 2017139013 : заявл. 10.11.2017 : опубл. 21.02.2019 / Николин Ю. В., Матевосян М. Б., Кочугов С. П., Пугачева Н. Б. – 11 с.

Библиографическая ссылка на статью

Mechanical Properties of An Fe–ti–ni–b–c Shs Composite / N. B.Pugacheva, A. V.Nokhrina, E. I.Senaeva, R. A.Savrai // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2024. - Iss. 4. - P. 57-69. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2024.4.057-069. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_454.html
(accessed: 21.12.2024).