CC BY
60
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.9.048.4
А.А. Бурков
канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник, ФГБУН Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ КОБАЛЬТА НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ WC-Co ЭЛЕКТРОИСКРОВЫХ ПОКРЫТИЙ НА НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
Работа выполнена при финансовой поддержке комплексной программы фундаментальных исследований Дальневосточного отделения РАН «ДАЛЬНИЙ ВОСТОК», грант №14-111-В-04-025
Аннотация. Работа посвящена изучению влияния концентрации кобальта в WC-Co электродных материалах на фазовый состав и свойства упрочняющих электроискровых покрытий на стали 35. Показано, что повышение концентрации кобальта приводит к интенсификации декарбидизации карбида вольфрама в осаждаемых покрытиях и снижает их микроабразивную износостойкость.
Ключевые слова: упрочняющие покрытия, электроискровое легирование, карбид вольфрама, микротвёрдость, износостойкость.
A.A. Burkov, Institute of Materials, Khabarovsk Scientific Centre, Far East Branch, Russian Academy of
Sciences
INFLUENCE OF COBALT ON PHASE COMPOSITION WC-Co ELECTROSPARK COATINGS ONTO LOW
CARBON STEEL
Abstract. This paper studies influence of a cobalt concentration in a WC-Co electrodes on the phase composition and properties of a electrospark coatings onto a steel 35. Shown that an increase of the cobalt concentration leads to an intensification of a tungsten carbide decarburization in the deposition coatings and decrease their wear resistance.
Keywords: coatings, electrospark deposition, tungsten carbide, microhardness, wear.
Материалы на основе карбида вольфрама широко используют для упрочнения поверхности сталей. Такие покрытия обладают повышенной твердостью и износостойкостью [1]. Одним из перспективных методов нанесения WC-Co упрочняющих покрытий является электроискровое легирование (ЭИЛ) [1, 2]. ЭИЛ-покрытия формируются в результате переноса материала с анода на катод (подложку) в процессе прохождения низковольтных электрических разрядов и характеризуются высокой адгезией с материалом подложки [3]. При осаждении WC-Co покрытий на сталь методом ЭИЛ, карбид вольфрама подвергается декарбидизации, прежде всего, в результате взаимодействия WC с железом подложки [3].
В зависимости от способов и режимов осаждения, в составе покрытий могут наблюдаться: карбид вольфрама WC, субкарбид W2C, нестехиометрический карбид WC1-x, n-фаза, а также вольфрам. В итоге структура таких покрытий представлена распределением кристаллических фаз: WC, W2C, WC1-x, n-фазы и W в матриксе, состоящем из железа и аморфной фазы [3]. В ряде работ указывается, что обезуглероживание карбида вольфрама при осаждении WC-Co покрытий приводит к снижению их износостойкости за счет высокой хрупкости фазы W2C и формирования хрупкой связующей фазы. Согласно работе [3], степень обезуглероживания WC зависит от дисперсности WC-Co материалов. При ее увеличении деструкция карбида вольфрама происходит интенсивнее за счет увеличения поверхности взаимодействия частиц WC с расплавом железа и кобальта.
В наших работах [4, 5] было показано влияние среды, длительности, частоты разрядных импульсов, а также концентрации углерода в WC-Co материалах на декарбидизацию WC при
электроискровом осаждении покрытий на сталь 35. Однако остается актуальным вопрос участия кобальта в механизме декарбидизации WC при ЭИЛ. Поэтому в данной работе изучалось влияние концентрации кобальта на фазовый состав электроискровых карбид-вольфрамокобальтовых покрытий на стали 35. Для этого методом порошковой металлургии [6] были приготовлены три группы электродов (см. табл. 1): I - стандартные твердые сплавы с концентрацией кобальта от 3 до 18 масс. %; II - электроды с повышенным содержанием углерода (10 масс. %); и III - электроды с повышенным содержанием вольфрама.
Прочность спеченных электродов на боковой изгиб исследовали с помощью преса Ргев8-250 М. Было установлено, что рост концентрации кобальта повышает прочность спеченных материалов (табл. 1) за счет увеличения их трещиностойкости и соответствуют известной зависимости для WC-Co сплавов [7]. Повышенное содержание вольфрама и углерода в электродах II и III групп объясняет их пониженную прочность по сравнению с другими образцами.
Таблица 1 - Состав и свойства спеченных электродных материалов
Наименование Состав, масс.% Состав, ат.% Прочность,
Группа № W C Co W C Co ГПа
1 WC-3%Co 91.05 5.95 3 47.53 47.59 4.88 0,73
I 2 WC-8%Co 86.35 5.65 8 43.64 43.75 12.61 0,81
3 WC-18%Co 76.96 5.04 18 36.59 36.71 26.7 1,36
4 W-10%C-3Co 87 10 3 34.86 61.39 3.75 <0,04
II 5 W-10%C-8Co 82 10 8 31.52 58.88 9.6 0,22
6 W-10%C-18Co 72 10 18 25.59 54.45 19.96 0,41
7 W-3.5%C-3Co 93.5 3.5 3 59.75 34.26 5.99 <0,04
III 8 W-3.5%C-8Co 88.5 3.5 8 52.97 32.09 14.94 0,05
9 W-3.5%C-18Co 78.5 3.5 18 41.69 28.48 29.83 0,47
В качестве подложек для осаждения покрытий использовались пластины из стали 35 размерами 10-10-5 мм3, а приготовленные твердые сплавы размерами 40-5-5 мм3 были использованы в качестве легирующих электродов. Для электроискрового легирования был использован генератор импульсов со схемой на основе транзисторного ключа, вырабатывающий импульсы квадратной формы. Первоначально анод был зафиксирован в ручной вибратор, к которому импульсы тока подавались от генератора. Напряжение на электродах во время импульсов поддерживалось на уровне 40 В. Амплитуда тока в разряде составляла 100 А. Покрытия осаждались при двух частотах импульсов: 100 и 1000 Гц.
Длительность импульсов была фиксированной - 100 мкс, частота вибрации анода была 100 Гц. Общее время осаждения для каждого образца составляло 5 мин. Микроструктура поверхностного слоя электродов была проанализирована с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) EVO 40HV (Carl Zeiss, Германия) с энерго-дисперсионным спектрометром INCA Energy 350 (Oxford Instruments, Великобритания). Фазовый состав покрытий изучался с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-7 (Буревестник, Россия), в Cu Ka-излучении. Микротвердость, по Виккерсу, измерялась при помощи микротвердомера ПМТ-3М при нагрузке 0,5Н. Абразивная износостойкость покрытий измерялась на трибометре (CSM Instruments, Switzerland) по схеме шар-плоскость.
Рисунок 1 - Участки рентгеновских дифрактограмм покрытий, полученных электроискровой обработкой с использованием трех групп электродов с различным содержанием кобальта на основе WC (I), WC+C (II) и WC+W (III) при частотах импульсов (а) 100 и (б) 1000 Гц
Рисунок 2 - Энерго-дисперсионный спектр элементов по сечению рабочей поверхности электрода ВК8 (№ 2)
В результате электроискровой обработки материал электродов переносился на подложки и смешивался с железом. При этом происходили химические реакции, объясняющие отличие фазового состава покрытий от исходного состава электродов (рис. 1). Изучение фазового состава покрытий, полученных стандартными твердыми сплавами с различным содержанием кобальта (табл. 1, группа I) при частоте импульсов 100 Гц показало, что в их составе преобладает субкарбид вольфрама W2C (рис. 1а I). А рефлексы целевой фазы карбида вольфрама были
значительно ниже, и при переходе от образца 1 к образцу 3 они снижались. В составе покрытий группы I также обнаружены вольфрам, железо, карбид железа Ре2С и карбид вольфрама WC1_x. Изучение состава покрытий группы I, полученных при более высокой частоте разрядных импульсов (1000 Гц), показало, что в их составе нет целевой фазы WC, а преобладают субкарбид вольфрама W2C и п-фаза типа М6С.
С ростом содержания кобальта в электродах увеличивалось содержание п-фазы в полученных покрытиях (рис. 1б I). При использовании электродов с избытком углерода в электроискровых покрытиях присутствовал карбид вольфрама WC (рис. 1 II). С ростом концентрации кобальта в электродах снижалась интенсивность рефлексов WC в полученных покрытиях. При этом возрастали интенсивности рефлексов фаз W2C и железа. С другой стороны, при использовании анодов с более низким содержанием углерода в составе осажденных слоев присутствовал вольфрам и субкарбиды вольфрама W2C и WC1_x. При этом карбид вольфрама WC был обнаружен только в покрытиях третьей группы, осажденных при частоте импульсов 100 Гц (рис. 1 III), причем его концентрация уменьшалась с ростом содержания кобальта в электродных материалах.
Таким образом, повышение концентрации кобальта в WC-Co электродных материалах повышает интенсивность обезуглероживания фазы WC в процессе ЭИЛ. Это обусловлено тем, что железо, приводящее к декарбидизации, растворяется в кобальтовых прослойках твердого сплава (рис. 2). Соответственно, чем толще кобальтовые прослойки, тем больше железа участвует в декарбидизации. Обезуглероживание WC реализуется в гетерогенных и гомогенных реакциях в ходе единичных разрядов. Данные реакции протекают на поверхности обоих электродов и включают в себя взаимодействие твердых и жидких карбидов между собой, а также с железом и кислородом.
Изучение микротвердости покрытий показало, что она находилась в пределах 11-21 ГПа, что значительно выше по сравнению со сталью 35 (2.6 ГПа) (рис. 3). Наибольшей микротвердостью обладали покрытия группы III, осаждённые при частоте 100 Гц. Их микротвёрдость была около 20 ГПа, что выше, чем у твердого сплава ВК8 (~ 16 ГПа). Покрытия первой группы, в среднем, обладали большей твердостью по сравнению со второй группой, несмотря на меньшее содержание WC в их составе. Это обусловлено большей концентрацией более твердого карбида W2C в составе покрытий первой группы.
о о
4 5 6 Покрытия
Рисунок 3 - Микротвердость и износостойкость покрытий, полученных электроискровой обработкой с использованием электродов с различным содержанием углерода и кобальта (табл. 1), при частотах импульсов (а) 100 и (б) 1000 Гц (нумерация покрытий соответствует нумерации электродов из таблицы)
Износостойкость, кНм/мм3 Микротвердость,
Рисунок 4 - Зависимости относительных интенсивностей фаз WC (а) и W2C (б) от износостойкости и микротвёрдости покрытий, соответственно
Из рисунка 3 ясно следует, что микроабразивная износостойкость покрытий снижалась с ростом концентрации кобальта в электродных материалах. Это объясняется интенсификацией обезуглероживания карбида вольфрама при электроискровом осаждении WC-Co покрытий с повышением концентрации кобальта в электродных материалах. Наибольшую износостойкость показало покрытие № 4, полученное с помощью электрода с наибольшим содержанием углерода и малой концентрацией кобальта. В среднем, стойкость к износу так же, как и микротвердость были выше у покрытий, осажденных при малой частоте импульсов (100 Гц), что, вероятно, обусловлено более высокой концентрацией карбида вольфрама в их составе. Однако четкой корреляции между износостойкостью и микротвердостью, которая характерна для твердых сплавов марок ВК [8], для исследованных покрытий обнаружено не было. Сопоставление относительных интенсивностей максимальных рефлексов фаз на рентгеновских дифрактограммах покрытий с микротвердостью и микроабразивной износостойкостью показало, что микротвердость покрытий повышается с увеличением интенсивности рефлексов фазы W2C, а износостойкость повышалась с ростом рефлексов WC (рис. 4). Соответственно, увеличение интенсивностей всех других фаз показывало падение микротвёрдости и износостойкости покрытий. Относительные интенсивности рассчитывались как отношение максимальных рефлексов фаз WC или W2C к сумме максимальных рефлексов всех фаз на рентгеновских дифрактограммах.
Выводы
1. Были приготовлены электродные материалы с различной концентрацией кобальта и углерода на основе твердых сплавов марки ВК. Обнаружено, что увеличение концентрации кобальта в WC-Co электродных материалах приводит к увеличению интенсивности деструкции карбида вольфрама при осаждении электроискровых покрытий.
2. Увеличение концентрации кобальта в WC-Co электродных материалах приводит к снижению износостойкости электроискровых покрытий.
Список литературы:
1. Wang J.-S. Characterization and wear behaviour of WC-8Co coating on cast steel rolls by electro-spark deposition / J.-S. Wang, H.-M. Meng, H.-Y. Yu, Z.-S. Fan, D.-B. Sun // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. - 2009. - V. 16. - P. 707-712.
2. Ribalko A.V. Modern representation of the behavior of electrospark alloying of steel by hard alloy / A.V. Ribalko, O.A. Sahin // Surface and coatings technology. - 2006. - V. 201. - Р. 1724-1730.
3. Zamulaeva E.I. Electrospark coatings deposited onto an Armco iron substrate with nano-and microstructured WC -Co electrodes: Deposition process, structure, and properties / E.I. Zamulaeva, E.A. Levashova, A.E. Kudryashova, P.V. Vakaeva, M.I. Petrzhik // Surface and coatings tech-
nology. - 2008. - V. 202. - P. 3715-3722.
4. Burkov A.A. Investigation of WC-Co Electrospark Coatings with Various Carbon Contents / A.A. Burkov, S.A. Pyachin // Journal of Materials Engineering and Performance. - 2014. - V. 23. -P. 2034-2042.
5. Burkov A.A. Tungsten carbide decarburization by electrical discharges / A.A. Burkov, S.A. Pyachin // Solid State Phenomena. - 2014. - V. 213. - P. 131-136.
6. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - М.: Металлургия, 1976.
7. Панов В.С. Технология и свойства спеченных твердых сплавов. - М.: MISA, 2001.
8. Gee M.G. Mechanisms of wear in the high stress abrasion of WC/Co hardmetals / M.G. Gee, L. Fang, B. Roebuck // Proceedings of EURO PM. - 1999. - P. 319-325.
