powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2017-3-22-31powder-304Research ArticleТугоплавкие, керамические и композиционные материалыRefractory, Ceramic, and Composite MaterialsЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ КАРБОНИТРИДОВ TI1–NMEV NC0,5N0,5 С NI–MO-РАСПЛАВОМREGULARITIES OF TI1–NMEV NC0,5N0,5 CARBONITRIDE METALLURGICAL REACTIONS WITH NI–MO MELTЖиляевВ. А.ZhilyaevV. A.

докт. техн. наук, канд. хим. наук, вед. науч. сотрудник лаборатории физико-химических методов анализа,

620990, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Первомайская, 91

Dr. Sci. (Tech.), Cand. Sci. (Chem.), Leading researcher, Laboratory of physical and chemical analysis methods,

620990, Yekaterinburg, Pervomayskaya str., 91

zhilyaev@ihim.uran.ruПатраковЕ. И.PatrakovE. I.

канд. хим. наук, ст. науч. сотрудник отдела наноспинтроники,

620990, г. Екатеринбург, ГСП, ул. С. Ковалевской, 18

Cand. Sci. (Chem.), Senior researcher, Department of Nanospintronics, 

620990, Yekaterinburg, S. Kovalevskoy str., 18

patrakov@imp.uran.ruИнститут химии твердого тела (ИХТТ) УрО РАНРоссияISSC UB RASRussian FederationИнститут физики металлов им. М.Н. Михеева (ИФМ) УрО РАНРоссияIMP UB RASRussian Federation201716092017032231Copyright © Жиляев В.А., Патраков Е.И., 20172017Жиляев В.А., Патраков Е.И.Zhilyaev V.A., Patrakov E.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/304

Методами рентгеноспектрального микроанализа и растровой электронной микроскопии впервые систематически изучено влияние легирования карбонитрида TiC0,5N0,5 переходными металлами V группы (V, Nb, Ta) на механизм контактного взаимодействия с расплавом Ni–25%Mo (Т = 1450 °С, τ = 1 ч, вакуум 5·10–2 Па). Установлено, что процесс растворения однотипных карбонитридов Ti1–nMeV nC0,5N0,5 (n = 0,05) является инконгруэнтным (в расплав преимущественно переходят легирующий металл и углерод), при этом в ряду легирующих металлов V – Nb – Ta относительная скорость и степень инконгруэнтности процесса растворения карбонитридов изменяются немонотонно. Предложено объяснение обнаруженных эффектов. Проанализирована причинно-следственная связь между исходным составом карбонитрида Ti0,95MeV 0,05C0,5N0,5 (сортом легирующего металла) и составом K-фазы Ti1–n–mMonMeV mCx, осаждающейся из расплава при охлаждении системы. Показано, что фактором, определяющим состав образующейся K-фазы, является ΔT-фактор (степень превышения температур кристаллизации карбидных эвтектик Ni/MeVC над температурой кристаллизации наиболее легкоплавкой в этих системах эвтектики Ni/Mo2C). Аргументирован вывод о том, что обнаруженная взаимосвязь между исходным составом карбонитрида и составом образующейся K-фазы является следствием микронеоднородного строения металлических расплавов. Показано, что эта взаимосвязь носит достаточно общий характер и проявляется во всех исследованных системах независимо от сорта легирующего металла V группы и присутствия или отсутствия молибдена в расплаве.

Electron microprobe analysis and scanning electron microscopy are used for the first time to systematically study the effect of TiC0,5N0,5 carbonitride doping with V group transition metals (V, Nb, Ta) on the mechanism of contact interaction with the Ni–25%Mo melt (Т = 1450 °С, τ = 1 h, vacuum 5·10–2 Pa). It is found that the dissolution of similar Ti1–nMeV nC0,5N0,5 (n = 0,05) carbonitrides is an incongruent process (alloying metal and carbon predominantly transfer to the melt) with non-monotonic changes in relative velocity and incongruence of carbonitride dissolution for the V–Nb–Ta alloying metal series. The paper suggests an explanation of the effects identified. The causal relationship between the initial composition of Ti0,95MeV 0,05C0,5N0,5 carbonitride (kind of alloying metal) and the composition of K phase (Ti1–n–mMonMeV mCx) precipitated from the melt during the system cooling is analyzed. It is shown that the factor determining the composition of the produced K phase is the ΔT factor (the difference between the crystallization temperatures of Ni/MeVC carbide eutectics and Ni/Mo2C, the most easily-fusible eutectic in these systems). The paper rationalizes the conclusion that the found relationship between the initial carbonitride composition and the composition of K phase formed is a consequence of the microheterogeneous structure of the metal melts. It is demonstrated that this relationship has a relatively general nature and appears in all the studied systems whatever the Group V alloying metal grade and whether the melt contains molybdenum or not.

карбонитрид Ti1–nMeV nC05N05никель–молибденконтактное взаимодействиереакциимикроструктураcarbonitride Ti1–nMeV nC05N05nickel-molybdenumcontact interactionreactionsmicrostructureReferencesClark E.B., Roebuck B. Extending the application areas for titanium carbonitride cermets // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1992. Vol. 11. P. 23—33.Clark E.B., Roebuck B. Extending the application areas for titanium carbonitride cermets. Int. J. Refract. Metal. Hard Mater. 1992. Vol. 11. P. 23—33.Ettmayer P., Kolaska H., Lengauer W., Dreyer K. Ti(C,N) cermets — metallurgy and properties // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1995. Vol. 13. P. 343—351.Ettmayer P., Kolaska H., Lengauer W., Dreyer K. Ti(C,N) cermets — metallurgy and properties. Int. J. Refract. Metal. Hard Mater. 1995. Vol. 13. P. 343—351.Zhang S. Material development of titanium carbonitridebased cermets for machining application // Key Eng. Mater. 1998. Vol. 138-140. P. 521—543.Zhang S. Material development of titanium carbonitridebased cermets for machining application. Key Eng. Mater. 1998. Vol. 138-140. P. 521—543.Xiao J.H., Xiong W.H., Lin S.J., Qu J., Zhou M. Review on the preparation and application of Ti(C,N)-based cermet composite // Mater. Rev. 2010. Vol. 24. P. 21—27.Xiao J.H., Xiong W.H., Lin S.J., Qu J., Zhou M. Review on the preparation and application of Ti(C,N)-based cermet composite. Mater. Rev. 2010. Vol. 24. P. 21—27.Peng Y., Miao H., Peng Z. Development of TiCN-based cermets: Mechanical properties and wear mechanism // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2013. Vol. 39. P. 78—89.Peng Y., Miao H., Peng Z. Development of TiCN-based cermets: Mechanical properties and wear mechanism. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2013. Vol. 39. P. 78—89.Kang S. Cermets // Comprehensive Hard Materials / Ed. V.K. Sarin. UK. Elsevier, 2014. Vol. 1. P. 139—181.Kang S. Cermets. In: Comprehensive Hard Materials (Ed. V.K. Sarin). UK. Elsevier, 2014. Vol. 1. P. 139—181.Rajabi A., Ghazali M.J., Daud A.R. Chemical composition, microstructure and sintering temperature modifications on mechanical properties of TiC-based cermets: A review // J. Mater. Design. 2015. Vol. 67. P. 95—106.Rajabi A., Ghazali M.J., Daud A.R. Chemical composition, microstructure and sintering temperature modifications on mechanical properties of TiC-based cermets: A review. J. Mater. Design. 2015. Vol. 67. P. 95—106.Zhilyaev V.A., Patrakov E.I., Shveikin G.P. Current status and potential for development of W-free hard alloys // Proc. 2-nd Int. Conf. Science Hard Mater. (Rhodes, Greece, 1984). Bristol, Boston: A Hilger Ltd., 1986. P. 1063—1073.Zhilyaev V.A., Patrakov E.I., Shveikin G.P. Current status and potential for development of W-free hard alloys. In: Proc. 2-nd Int. Conf. Science Hard Mater. (Rhodes,Lindahl P., Mainer T., Jonsson H., Andren H.-O. Microstructure and mechanical properties of a (Ti, W, Ta, Mo) (C, N)-(Co, Ni) type cermet // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1993. Vol. 4. P. 187—204.Greece, 1984). Bristol, Boston: A Hilger Ltd., 1986. P. 1063—1073.Zhang S., Qin C.D., Lim L.C. Solid solution extent of WC and TaC in Ti(C,N) as revealed by lattice parameter increase // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1993—1994. Vol. 12. P. 329—333.Lindahl P., Mainer T., Jonsson H., Andrén H.-O. Microstructure and mechanical properties of a (Ti, W, Ta, Mo) (C, N)-(Co, Ni) type cermet. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1993. Vol. 4. P. 187—204.Park S., Kang S. Toughened ultrafine (Ti,W)(CN)—Ni cermets // Scripta Mater. 2005. Vol. 53. P. 129—133.Zhang S., Qin C.D., Lim L.C. Solid solution extent of WC and TaC in Ti(C,N) as revealed by lattice parameter increase. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1993—1994. Vol. 12. P. 329—333.Kim S.W., Ahn S., Kang S. Effect of the complete solidsolution phase on the microstructure of Ti(CN)-based cermets // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2009. Vol. 27. P. 224—228.Park S., Kang S. Toughened ultrafine (Ti,W)(CN)—Ni cermets. Scripta Mater. 2005. Vol. 53. P. 129-133.Liu Y., Jin Y., Yu H., Ye J. Ultrafine (Ti,M)(C,N)-based cermets with optimal mechanical properties // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2011. Vol. 29. P. 104—107.Kim S.W., Ahn S., Kang S. Effect of the complete solidsolution phase on the microstructure of Ti(CN)-based cermets. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2009. Vol. 27. P. 224—228.Chen X., Xiong W., Yang Q., Yao Z., Huang Y. Microstructure and mechanical properties of (Ti,W,Ta)C-xMo-Ni cermets // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2012. Vol. 31. P. 56—61.Liu Y., Jin Y., Yu H., Ye J. Ultrafine (Ti,M)(C,N)-based cermets with optimal mechanical properties. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2011. Vol. 29. P. 104—107.Chicardi E., Torres Y., Córdoba J.M., Hvizdoš P., Gotor F.J. Effect of tantalum content on the microstructure and mechanical behavior of cermets based on (TixTa1–x) (C0,5N0,5) solid solutions // Mater. Design. 2014. Vol. 53. P. 435—444.Chen X., Xiong W., Yang Q., Yao Z., Huang Y. Microstructure and mechanical properties of (Ti,W,Ta)C-xMo-Ni cermets. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2012. Vol. 31. P. 56—61.Жиляев В.А. Твердорастворная природа тугоплавких фаз внедрения. Часть I. Физическое обоснование // Материаловедение. 2012. No. 3. С. 3—9.Chicardi E., Torres Y., Córdoba J.M., Hvizdoš P., Gotor F.J. Effect of tantalum content on the microstructure and mechanical behavior of cermets based on (TixTa1–x) (C0,5N0,5) solid solutions. Mater. Design. 2014. Vol. 53. P. 435—444.Жиляев В.А. Твердорастворная природа тугоплавких фаз внедрения. Часть II. Химическое обоснование // Материаловедение. 2012. No. 4. С. 3—12.Zhilyaev V.A. Tverdorastvornaya priroda tugoplavkikh faz vnedreniya. Chast’ I. Fizicheskoe obosnovanie [Solid solution’s nature of refractory interstitial phases. Part I. Physical Justification]. Materialovedenie. 2012. No. 3. P. 3—9.Жиляев В.А. Взаимосвязь состава, структуры и свойств тугоплавких фаз внедрения // Г.В. Самсонов — ученый, учитель, друг / Под ред. П.С. Кислого. Киев: Наук. думка. 2012. С. 167—180.Zhilyaev V.A. Tverdorastvornaya priroda tugoplavkikh faz vnedreniya. Chast’ II. Khimicheskoe obosnovanie [Solid Solution’s Nature of Refractory Interstitial Phases. Part II. Chemical Justification]. Materialovedenie. 2012. No. 4. P. 3—12.Жиляев В.А., Патраков Е.И. Влияние легирования карбонитрида TiC0,5N0,5 цирконием на механизм взаимодействия с Ni—Mo-расплавом // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2016. No. 3. С. 31—42.Zhilyaev V.A. Vzaimosvyaz’ sostava, struktury i svoistv tugoplavkikh faz vnedreniya. In: G.V. Samsonov — uchenyi, uchitel’, drug [The relationship of composition, structure and properties of refractory interstitial phases. In: G.V. Samsonov — a scientist, a teacher, a friend]. Ed. P. Kislyi. Kiev: Naukova dumka. 2012. P. 167—180.Жиляев В.А., Патраков Е.И. Кинетика и механизм контактного взаимодействия карбонитрида титана с Ni—Mo-расплавом // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2015. No. 2. С. 30—37.Zhilyaev V.A., Patrakov E.I. Vliyanie legirovaniya karbonitrida TiC0,5N0,5 tsirkoniem na mekhanizm vzaimodeistviya s Ni—Mo-rasplavom [Effect of doping carbonitride TiC0,5N0,5 with zirconium on mechanism of interaction with the Ni—Mo-melt]. Izv. vuzov. Poroshk. metallurgiya i funkts. pokrytiya. 2016. No. 3. P. 31—42.Жиляев В.А. Порошковые материалы на основе тугоплавких фаз внедрения: Дис. … докт. техн. наук. Пермь: ПГТУ, 2010.Zhilyaev V.A., Patrakov E.I. Kinetika i mekhanizm kontaktnogo vzaimodeistviya karbonitrida titana s Ni—Mo-rasplavom [Kinetics and mechanism of the contact interaction of titanium carbonitride with Ni—Mo-melt]. Izv. vuzov. Poroshk. metallurgiya i funkts. pokrytiya. 2015. No. 2. P. 30—37.Сережкин В.Н., Пушкин Д.В. Кристаллохимические радиусы и координационные числа атомов: Учеб. пос. Самара: Универс-групп, 2005.Zhilyaev V.A. Poroshkovye materialy na osnove tugoplavkikh faz vnedreniya [Powder materials based on refractory interstitial phases]: Diss. of Dr. Sci. Perm’: PSTU, 2010.Баум Б.А. Металлические жидкости. М.: Наука, 1979.Serezhkin V.N., Pushkin D.V. Kristallokhimicheskie radiusy i koordinatsionnye chisla atomov [Crystal-radii and coordination numbers of atoms]. Samara: UniversGroup, 2005.Гаврилин И.В. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов. Владимир: Владимирский гос. ун-т, 2000.Baum B.A. Metallicheskie zhidkosti [Metal liquids]. Moscow: Nauka, 1979.Жиляев В.А., Патраков Е.И. Механизм жидкофазного взаимодействия двойных карбидов (Ti,Me)C с никелем // Конструкции из композиционных материалов. 2006. No. 4. С. 199—201.Gavrilin I.V. Plavlenie i kristallizatsiya metallov i splavov [The melting and crystallization of metals and alloys]. Vladimir: Vladimirskii gos. univ., 2000.Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник / Под общ. ред. Лякишева Н.П. В 3 т. М.: Машиностроение, 1996.Zhilyaev V.A., Patrakov E.I. Mekhanizm zhidkofaznogo vzaimodeistviya dvoinykh karbidov (Ti,Me)C s nikelem [The mechanism of liquid-phase interaction of double carbides (Ti,Me) with nickel]. Konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov. 2006. No. 4. P. 199—201.Ершов Г.С., Майборода В.П. Диффузия в металлургических расплавах. Киев: Наук. думка, 1990.Ljakishev N.P. (Ed.). Diagrammy sostojanija dvojnyh metallicheskih system: Spravochnik [The diagrams of binary metallic systems: Handbook] (Ed. Lyakishev N.P.) Moscow: Mashinostroenie, 1996.Жиляев В.А., Патраков Е.И. Влияние легирования карбонитрида титана переходными металлами IV—VI групп на взаимодействие с расплавом никеля // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2014. No. 4. С. 30—36.Ershov G.S., Maiboroda V.P. Diffuziya v metallurgicheskikh rasplavakh [Diffusion in metallurgical melts]. Kiev: Naukova dumka, 1990.Жиляев В.А., Патраков Е.И. Закономерности контактного взаимодействия двойных карбидов (Ti1–nMen IV,V)C с Ni—Mo-расплавом // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2015. No. 3. С. 25—35.Zhilyaev V.A., Patrakov E.I. Vliyanie legirovaniya karbonitrida titana perekhodnymi metallami IV—VI grupp na vzaimodeistvie s rasplavom nikelya [Effect of IV—VI groups transition metal doped titanium carbonitride to interaction with the melt of nickel]. Izv. vuzov. Poroshk. metallurgiya i funkts. pokrytiya. 2014. No. 4. P. 30—36.Zhilyaev V.A., Patrakov E.I. Zakonomernosti kontaktnogo vzaimodeistviya dvoinykh karbidov (Ti1–nMen IV,V)C s Ni—Mo-rasplavom [Regularities of contact interaction of double carbides (Ti1–nMen IV,V)C with Ni—Mo-melt]. Izv. vuzov. Poroshk. metallurgiya i funkts. pokrytiya. 2015. No. 3. P. 25—35.Zhilyaev V.A., Patrakov E.I. Zakonomernosti kontaktnogo vzaimodeistviya dvoinykh karbidov (Ti1–nMen IV,V)C s Ni—Mo-rasplavom [Regularities of contact interaction of double carbides (Ti1–nMen IV,V)C with Ni—Mo-melt]. Izv. vuzov. Poroshk. metallurgiya i funkts. pokrytiya. 2015. No. 3. P. 25—35.

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