CC BY
73
УДК 539.53: 538.9
АСТАПОВ Иван Александрович, аспирант Института материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук. Автор 5 научных публикаций
ВЕРХОТУРОВ Анатолий Демьянович, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Института материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук, заслуженный деятель науки РФ. Автор 389 научных публикаций, в т.ч. 12 монографий и 4 учебников
КОЗЫРЬ Аркадий Валентинович, кандидат технических наук, доцент кафедры физического материаловедения и лазерных технологий Амурского государственного университета. Автор 30 научных публикаций, в т.ч. одной монографии и двух учебно-методических пособий
ЭЛЕКТРОИСКРОВОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ СПЛАВА ВК8 КАРБИДАМИ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ 1У-У1 ГРУПП И МЕТАЛЛОКЕРАМИКОЙ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ТИТАНА
В статье представлены данные по исследованию поверхностных слоев, полученных на твердом сплаве ВК8 методом электроискрового легирования с использованием электродов из карбидов металлов 1У-У1 групп и металлокерамики на основе карбида титана. Исследованы шероховатость, кинетика массопереноса, микротвердость образцов.
Процесс упрочнения, твердые сплавы, электроискровое легирование, массоперенос, микротвердость, шероховатость
ВВЕДЕНИЕ Известно, что в качестве инструментальных материалов для обработки металлов резанием применяют преимущественно металлокерамические твердые сплавы на основе карбида вольфрама, обеспечивающие качественное состояние поверхностного слоя (ПС) деталей [1]. Современный уровень развития технологии обработки металлов повышает требования к износостойкости режущего материала, работающего в условиях длительных нагрузок, высоких температур и скоростей резания. Однако металлокерамическим сплавам на основе карбида вольфрама свойственно снижение твердости
и достаточно быстрое изнашивание при высоких температурах процесса резания > 800° С [2]. Актуальной задачей в этой связи является создание новых режущих материалов, обладающих повышенной стойкостью к износу. Выбор метода электроискрового легирования (ЭИЛ) для формирования функциональных покрытий на вольфрамсодержащих твердых сплавах (ВТС) обоснован рядом преимуществ перед другими методами: использованием действия низковольтных электрических разрядов, сопровождающихся полярным переносом массы материала-анода (легирующего электрода) на материал-катод (основу); компактностью и низ-
ким энергопотреблением установок в условиях единичного и мелкосерийного производства [3, 4]; формированием в результате ЭИЛ измененного поверхностного слоя (ИПС), отличающегося от материалов электродов составом, структурой и более высоким уровнем физикохимических и эксплуатационных свойств. Для эффективного упрочнения инструментальных материалов методом ЭИЛ прежде всего необходимо определить соответствующие режимы энергетического воздействия, что требует тщательного изучения процесса формирования легированного слоя (ЛС), однако в литературе можно наблюдать только отдельные отрывочные и не систематизированные сведения по выбору электродного материала для создания на ВТС упрочненных поверхностей [5, 6]. Ранее нами в работе [7] был подсчитан критерий Ко для карбидов переходных металлов, основанный на микротвердости и температуре плавления. Критерий позволяет оценить возможность использования тугоплавких соединений в качестве легирующих электродов. По расчетам наиболее предпочтительным оказался TiC, что требует экспериментального подтверждения. В связи с этим необходимы исследования процесса формирования ИПС карбидами металлов IV-VI групп при ЭИЛ, без которых трудно обоснованно рекомендовать электродный материал.
В связи с этим, целью настоящей работы являлось исследование процесса формирования электроискровых покрытий на сплаве ВК8 карбидами переходных металлов и металлокерамическими сплавами на основе карбида титана.
МЕТОДИКА И МАТЕРИАЛЫ
В качестве легирующих электродов использовали карбиды некоторых металлов IV-VI групп: TiC, NbC, Cr3C2, Мо2С, WC, и сложные композиционные материалы на основе карбида титана: TiCrC и TiCrC+30%(FeCr), полученные методом порошковой металлургии в Институте проблем материаловедения имени И.Н. Францевича Национальной академии наук Украины. Материалом электрода-катода выбран сплав ВК8 (92% WC - 8% Со), как наиболее часто
применяемый металлорежущий материал, в виде промышленных четырехгранных резцов.
Легирование осуществлялось с помощью установки «Элитрон-22А». Рабочий режим: I=(l,8±0,54) A, U«65 В, удельное время легирования 3 и 8 мин/см2. Масса образцов измерялась на аналитических весах «Axis AGN-200» с точностью 0,0001 г. Шероховатость полученных поверхностей по параметру Ra исследовалась на профилометре модели 283. ИПС изучался и фотографировался на металлографическом микроскопе «ЛабоМет-И» с помощью фотокамеры «Olympus Е-410» при увеличении от 4х до 40х. Микротвердость измерялась на микротвердомере «ПМТ-3» при нагрузке 200 г (ГОСТ 9450-76).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены зависимости суммарного привеса катода ВК8 от удельного времени легирования. Видно, что при ЭИЛ карбидами наблюдаются две характерные зависимости суммарного привеса (ЕАк) от удельного времени легирования:
- наблюдаются только положительные значения ЕАк,
- после определенного времени легирования (Тх) фиксируются отрицательные значения ЕДк.
Наибольший массоперенос наблюдается при легировании карбидами металлов VI группы -Мо2С и WC. При этом порог хрупкого разрушения (Тх) не достигнут при ЭИЛ этими карбидами за время легирования 3 мин/см2, и далее масса катода продолжает увеличиваться.
Однако массоперенос после 2 мин/см2 легирования Мо2С и одной минуты WC становится менее интенсивным вследствие постепенного образования вторичной структуры на анодных материалах. Легирование карбидами NbC и СгЗС2 сопровождается меньшим приростом массы покрытия, и уже через 2-2,3 мин/см2 ЛС по достижении Тх начинает стремительно разрушаться, особенно в случае NbC.
При исследовании кинетики массопереноса TiC на ВК8 видно, что масса катода возрастает незначительно, однако порог Тх не достигнут
2тк, “10'3г
* * * *
1 0 0 ♦ ■ — * Я ■ 5 1 0 1 5 2 0 5*—3
Ту (МИГ.)
я \ ■
1/3, мин/см2
Рис. 1. Изменение массы катода при ЭИЛ сплава ВК8 карбидами переходных металлов 1У-У1 групп: 1 - Мо2С, 2 - WC, 3 - TІC, 4 - СгЗС2, 5 - №>С
им даже по истечении восьмой минуты легирования (рис. 2), что позволяет продолжительное время формировать ЛС с равномерным приростом массы. Кроме того, в процессе продолжительного формирования слоя из ТЮ отмечается наименьшая шероховатость формируемой поверхности в сравнении с другими покрытиями (рис. 3), измеряемая нами через каждую единицу времени легирования. Наибольшие значения шероховатости характерны ПС с наибольшим привесом катода при легировании карбидом молибдена. Причем снижение шероховатости поверхности после двух минут легирования анодом из Мо2С соответствует времени наступления Тх. Это подтверждает начало разрушения ПС, сопровождающееся разрушением сперва выступов профиля поверхности и затем постепенным уменьшением толщины ЛС подложки.
Следует отметить, что коэффициент массо-переноса (Дк/Да) ТЮ является наименьшим среди исследуемых материалов, что указывает на преимущественно хрупкое разрушение его в процессе ЭИЛ. С другой стороны, самая высокая твердость ЛС ТЮ делает необходимым его использование в качестве легирующего элект-
рода при условии повышения коэффициента переноса за счет создания сплава на основе ТЮ с пластической связкой.
С целью увеличения эффективности массо-переноса карбида титана на ВК8 использовали материалы из более сложных карбидов титана
- ТЮгС и ТЮгС+30%(РеСг). На рис. 2 представлен график суммарного изменения катода ВК8 от времени легирования металлокерамическими сплавами на основе карбида титана. Видно, что в сравнении с ТЮ массоперенос увеличивается в 2 раза при ЭИЛ Т1СгС и в 7,5 раз при ЭИЛ ТЮгС+30%(РеСг) без наступления Тх для каждого покрытия за время легирования 8 мин/см2. Одновременно с усложнением состава материала анода увеличивается и шероховатость формируемого им ИПС {рис. 3), но при сравнении использования ТЮ и ТЮгС разница в значениях шероховатости электроискровых слоев, образованных этими материалами, незначительна. Возможно, процесс массо-переноса на катод этими материалами представлен в большей степени в капельно-жидкой фазе, нежели охрупченными частицами.
Рассмотренные результаты интенсивности массопереноса и шероховатости поверхности
иэ, мин/см
Рис. 2. Изменение массы катода при ЭИЛ сплава ВК8 электродами: 1 - ,ЛСгС+30%(РеСг), 2 - ТЧСгС, 3 - TiC
Рис. 3. Шероховатость поверхностей, полученных при ЭИЛ сплава ВК8 электродами: 1 - Мо2С, 2 - СгЗС2, 3 - ТЮгС+30%(РеСг), 4 - №>С, 5 - WC, 6 - 140-0, 7 - TІC
можно объяснить изоморфностью соединений легирующего электрода. Молибден, хром, ни-
карбидов металлов VI групп (Мо, W, Сг), свя- обий, железо имеют кубическую решетку
занных с подобием кристаллических решеток структуры и поэтому интенсивность массопе-
металлов, входящих в состав легируемого и реноса в виде карбидов этих металлов велика
на подложку, основным металлом которой является вольфрам, тоже имеющий кубическое строение решетки. Титан обладает гексагональным строением, и, как результат, низкий массоперенос карбида титана. Добавка Сг в двойной карбид и БеСг в сложный карбид титана уменьшает вклад массопереноса элементами неоднотипных кристаллических решеток материалов катода и анода и повышает вклад однотипных.
Металлографические исследования показали, что все ИПС имеют схожую структуру. ИПС можно условно разделить на три зоны (рис. 4)\ поверхностная зона, представляющая собой рельефное состояние поверхности образца после ЭИЛ; верхняя часть ИПС с ярко выраженной мозаичностью, предположительно карбидных фаз; нижняя часть ИПС, прилегающая к основе, со структурой, подобной верхней части ИПС, но без условных замкнутых границ мозаики.
Данные по толщине каждого слоя представлены в таблице. Видно, что толщина верхней части ИПС для всех полученных слоев больше толщины поверхностной зоны и нижней части ИПС. Наибольшее значение толщины покрытия наблюдается после легирования металлокерамическим электродом ТЮгС+30%(РеСг) и Мо2С, что составляет соответственно Ъ=142,3 мкм и 141 мкм. Это хорошо согласуется с результатами исследования кинетики массопереноса (см. таблицу).
По результатам измеренной микротвердости исследуемых покрытий установлено, что твердость ИПС сплава ВК8 после ЭИЛ всеми карбидами металлов увеличивается от «1%
(ТЮгС) до *31% (Т1С). При детальном рассмотрении структуры слоя и измерении микротвердости было установлено, что твердость фазы в виде светлых участков в процессе ЭИЛ выше твердости границ ее раздела (рис. 4), причем подобная зависимость свойственна всем исследуемым покрытиям. По степени увеличения твердости ИПС образцов ВК8 после ЭИЛ карбидами переходных металлов и металлокерамикой, анодные материалы можно расположить в следующем порядке:
ТЮгС+30%(РеСг), ТЮгС, Мо2С, ШС, СгЗС2,1№С, ТЮ.
Представленный ряд показывает, что с включением в ТЮ добавок в виде Сг и БеСг, уменьшается твердость образуемых покрытий на ВК8.
ВЫВОДЫ
Показана возможность длительного формирования ЛС на сплаве ВК8 материалами на основе карбида титана. Порог хрупкого разрушения Тх за время ЭИЛ 8 мин материалами Т1СгС и ТЮгС+30%(РеСг) не достигнут.
Установлено, что интенсивность массопереноса, толщина и шероховатость ЛС в процессе ЭИЛ карбидами переходных металлов и металлокерамикой на основе карбида титана зависят от количественного содержания и подобия кристаллических решеток металлов, входящих в состав легируемого и легирующего электрода. Среди используемых электрод-анодных материалов наибольшие значения суммарного массопереноса отмечены при ЭИЛ сплава ВК8 карбидом Мо2С и металлокерамикой Т1СгС+30%(РеСг).
Рис. 4. Фотографии ИПС, полученного после ЭИЛ сплава ВК8 карбидом хрома Сг3С2, шлиф 4°, увеличение 4х, 10х, 40х: вИПС - верхняя часть ИПС, нИПС - нижняя часть ИПС
ТОЛЩИНА УСЛОВНЫХ ЗОН И ОБЩАЯ ТОЛЩИНА ИПС ПОСЛЕ ЛЕГИРОВАНИЯ СПЛАВА ВК8
h, мкм WC Мо2С Сг3С2 NbC TiC TiCrC TiCrC+ 30%(FeCr)
поверхность 47,12 35,65 45,47 27,92 39,33 41,87 52,98
вИПС 55,59 72,14 47,13 56,79 58,45 56,51 63,29
нИПС 27,10 33,17 21,57 45,66 34,25 33,46 26,00
ИПС 129,81 140,96 114,18 130,37 132,03 131,84 142,26
Установлено, что твердость ПС сплава ВК8 после ЭИЛ карбидами переходных металлов и металлокерамикой на основе карбида титана увеличивается. Показано, что с включением в состав ТІС добавок в виде Сг и БеСг уменьшается твердость образуемых покрытий на ВК8.
Результаты исследования процесса формирования и некоторых свойств электроискровых
покрытий на сплаве ВК8 карбидами переходных металлов и металлокерамическими сплавами на основе карбида титана подтверждают предварительные теоретические расчеты [7] критерия Ко с рекомендацией ТЮ в качестве материала-анода. Однако при выборе электрода необходимо учитывать результаты кинетики массопереноса материала, толщины и шероховатости ИПС.
Список литературы
1. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М., 1993.
2. Артамонов Е.В., Костив В.М. Влияние физико-механических характеристик твердых сплавов на работоспособность металлорежущих инструментов II Новые материалы и технологии в машиностроении: материалы регион, науч.-техн. конф. Тюмень, 1997. С. 93-94.
3. Износостойкие материалы в химическом машиностроении: справ. / под ред. Ю.М. Виноградова. Л., 1977.
4. Верхотуров А.Д. Формирование поверхностного слоя металлов при электроискровом легировании. Владивосток, 1995.
5. Структура и свойства плазменных покрытий из композиционных порошковых сплавов системы (ТіСгС)-(БеСг) / А.П. Уманский, В.П. Коновал, А.Д. Панасюк и др. II Порошковая металлургия. 2007. № 3/4. С. 37-45.
6. Прочностные характеристики слоев, полученных электроискровым легированием сталей тугоплавкими металлами/Г.С. Писаренко, Г.В. Самсонов, А.Д. Верхотуров и др. //Проблемы прочности. 1973. № 2. С. 106-112.
7. Верхотуров А.Д., Астапов И.А., Ванина Е.А. Формирование поверхностного слоя при электроискровом легировании твердых сплавов металлокерамикой на основе ТІС II Физика и химия обработки материалов. 2009. № 1. С. 65-69.
Astapov Ivan, Verkhoturov Anatoly, Kozyr Arkady
ELECTROSPARK DISCHARGE OF TUNGSTEN CARBIDE BASED ALLOY BY IV- VI GROUPS TRANSITIVE METALS CARBIDES AND BY TITANIUM CARBIDE
BASED METALCERAMICS
The article presents the surface layers investigation data obtained on the tungsten carbide by the method of electrospark discharge by IV-VI groups transitive metals carbides and by titanium carbide based metal ceramics. Roughness, mass transfer kinetics, microhardness of the alloy samples have been studied.
Контактная информация: e-mail\ a-v-kozyr@yandex.ru
Рецензент - МатвеевВ.И., доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова
