CC BY
60
УДК 538.951-405
АСТАПОВА Елена Степановна, доктор физико-математических наук, профессор Амурского государственного университета. Автор 154 научных публикаций, в т.ч. 5монографий, 8учебно-методи-ческих пособий
БОРИЛКО Антон Сергеевич, аспирант кафедры физического материаловедения и лазерных технологий Амурского государственного университета. Автор 8 научных публикаций
ФОРМИРОВАНИЕ ТЕПЛООТВОДЯЩИХ И ОКАЛИНОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ВОЛЬФРАМОКОБАЛЬТОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВАХ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ
Работа посвящена проблеме увеличения срока службы изделий из (^Со)-твердых сплавов. Использованы электроискровые покрытия на основе Си, А1, Т1, N1 и Сг. Разработаны рекомендации по выбору анода для повышения окалиностойкости материала.
Электроискровое легирование, твердый сплав, окалиностойкость, кинетика массопере-носа, коэффициент массопереноса
Введение. В современном мире наиболее часто для обработки материалов резанием используют инструменты из вольфрамсодержащих твердых сплавов. За границей большая часть таких инструментов выпускается с покрытиями, цель которых - повысить их прочностные качества и износостойкость. Во время работы инструмента из твердого сплава температура режущей кромки достигает очень высоких значений и может превышать 800°С [1-3]. При этом происходят изменения, связанные с взаимодействием материала инструмента с кислородом воздуха - образование окалины, обезуглероживание поверхностного слоя. Такие отрицательные процессы обусловливают необходимость принятия мер по защите инструментов, снижающих или предотвращающих взаимодействие твердых сплавов
с кислородом при высоких температурах. Кроме непосредственного влияния высоких температур на твердосплавные инструменты существует еще один негативный фактор. При обработке материалов с низкой теплопроводностью, таких как древесина или пластмасса, отведение тепла происходит в направлении крепления режущего инструмента. Вследствие низкой теплопроводности сплава при этом происходит перегрев и дальнейшее разрушение режущей кромки. В результате этого процесса невозможно производить чистовую обработку и добиваться высокой степени чистоты поверхности таких материалов. Одним из решений этой проблемы является создание защитных окалиностойких и увеличивающих теплопроводность изделия покрытий. Таким образом, исследование закономерностей
© Астапова Е.С., Борилко А.С., 2011
формирования поверхностного слоя методом электроискрового легирования (ЭИЛ) на вольфрамокобальтовых твердых сплавах с целью создания функциональных покрытий с заданными свойствами, а также разработка технологии получения функциональных (теплоотводящих, окалиностойких, жаропрочных) покрытий на твердых сплавах представляет научный и практический интерес.
Материалы и методика. Для формирования электроискровых покрытий в качестве материала анода использовались медь, алюминий, титан, никель, хром. Выбор этих материалов обусловлен их высокой окалиностойкостью. Медь была использована в качестве материала для формирования теплоотводящего покрытия, т. к. она обладает высокой теплопроводностью. Твердый сплав ВК8, содержащий 8% Со и 92% WC, использовался в качестве материала катодов.
Покрытия на образцах создавались с использованием установки для электроискрового анализа «Элитрон 22А», параметры режимов которой приведены в табл. 1 согласно паспортным
данным. Режимы электроискровой обработки подбирались предварительно на основе анализа оптимальных условий: максимального приращения массы (по кривым массопереноса), отсутствия интенсивного окисления и схватывания электродов [4-7]. Легирование продолжалась до образования сплошного покрытия на поверхности катода, ее длительность зависела от материала, выбранного в качестве анода.
Для исследования кинетики переноса материала использовался метод гравиметрического
анализа. Измерения масс катодов и анодов проводились через каждую минуту легирования с помощью весов ВЛДП-200 при точности ±2х10-4 г. Подобные измерения позволяют говорить о направлении массопереноса и его эффективности. По полученным данным строились графики зависимости масс электродов от продолжительности ЭИЛ.
При подготовке к металлографическому исследованию полученных образцов изготавливались косые шлифы под углом 45° относительно поверхности обработки. Исследование микроструктуры образцов с покрытиями проводилось с использованием оптического микроскопа «М1сго-200» согласно ГОСТ 9391-80. Для исследования окали-ностойкости проводилось нагревание образцов в муфельной печи. Образцы, помещенные в керамические тигли, в течение 30 мин выдерживались при температурах от 600 до 1000°С с шагом 100°С. При этом проводились гравиметрические исследования, в которых учитывались площади поверхности образцов, т.е. регистрировалось изменение масс, соответствующих единице площади [5-7].
Результаты и обсуждения. Согласно полученным результатам, наибольшее увеличение массы катода и эрозия анода наблюдается при электроискровой обработке с использованием режима, при котором энергия в импульсе максимальна. В этом случае на поверхности формируемого покрытия образуются оксидные пленки, само покрытие имеет высокую шероховатость, что нежелательно, т.к. при увеличении шероховатости снижается коррозионная стойкость и окалиностойкость изделия. В некоторых случаях
Таблица 1
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ УСТАНОВКИ «ЭЛИТРОН 22А»
Электрические параметры Режим 1 Режим 2 Режим 3
Рабочий ток I, А р 0,5 1,3 2,9
Напряжение холостого хода и, В 20 40-45 88
Энергия импульса Е, Дж 0,07 0,062 1,39
Длительность импульса искрового разряда ти, с 2х10'4 2х10'4 2х10'4
Частота колебания вибратора анода Бв, Гц 100 100 100
при ЭИЛ на таком режиме невозможно было получить равномерное сплошное покрытие, поэтому обработка на 3-м режиме для некоторых анодных материалов не применялась. При обработке с использованием режима 1 в большинстве случаев увеличение массы катода минимально, либо
наблюдается уменьшение его массы - эрозия. Графики кинетических изменений масс анодов и катодов для некоторых пар электродов представлены на рис. 1. В табл. 2 приведены коэффициенты массопереноса при ЭИЛ на различных режимах.
012345678 9 10 И 1213 1415 1617 1319 20 21 22 23 вгрмя, МИН
б
вермн. ліан в
вермя, «ни
г
Рис. 1. Изменение массы катода и анода при формировании покрытий на твердом сплаве марки ВК8: 1 - режим 1; 2 - режим 2; 3 - режим 3; а - катод Си/ВК8; б - анод Си/ВК8; в - катод ТІ/ВК8; г - анод ТІ/ВК8
а
Таблица 2
КОЭФФИЦИЕНТ МАССОПЕРЕНОСА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ПОКРЫТИЯ НА СПЛАВЕ ВК8
Режим электоискровой обработки Коэффициент массопереноса при использовании анодов
Си Ті № Сг А1
1 20,0 21,7 25,8 # 8,3
2 31,1 22,1 - - 22,8
3 29,0 14,0 # # #
Примечание. «-» - эрозия катода, коэффициент отрицательный; «#» - режим не использовался для формирования покрытия из-за несоответствия покрытия требованиям
Согласно данным, полученным в результате металлографического исследования структуры зоны термического влияния (ЗТВ) в материале катода и покрытий, полученных на твердом сплаве ВК8, была получена информация о толщине покрытий. Она представлена в табл. 3.
плавление нового материала. Общим для всех пар электродов, используемых в эксперименте при ЭИЛ на 3-м режиме, является образование в ЗТВ трещин, которые соединяются друг с другом на некотором расстоянии от поверхности.
При ЭИЛ на режиме с меньшей энергией в импульсе в ЗТВ трещин практически не образуется. В зависимости от выбора анодного материала при формировании покрытий отмечаются следующие особенности. Никелевое покрытие, полученное электроискровой обработкой на 1 режиме, содержит поры и вертикальные трещины. В нижней части покрытия имеются области, состоящие из переплавленного материала основы. Медное покрытие, полученное на 2 режиме, равномерно по толщине и содержит меньшее количество пор и трещин по сравнению с покрытием, полученном на 3 режиме ЭИЛ. Однако независимо от режима обработки в нижней части покрытия содержится переплавленный материал основы. Микроструктура сформированных поверхностей представлена на рис. 2.
Во время выдержки приготовленных образцов в печи было замечено, что взаимодействие подогретого твердого сплава с воздухом приводит к образованию и росту на его поверхности оксидов, которые формируются на всех гранях образца параллельно их плоскостям (рис. 3а). Эти продукты окисления на поверхности твердого сплава хрупки и легко разрушаются даже при незначительном механическом воздействии.
При ЭИЛ титановым анодом на 3-м режиме формируются пористые покрытия, содержащие в своей структуре оксидные пленки и трещины. Наибольшее количество пор наблюдается в верхней части покрытия. Это объясняется тем, что во время обработки происходит постоянное на-
Поверхность твердого сплава при этом вновь подвергается негативному воздействию воздуха. Внешний вид образцов с покрытиями, подвергнутых нагреванию, приведен на рис. 3. Характер изменения масс образцов с покрытиями, в зависимости от температуры нагревания, представлен на рис. 4. При формировании покрытий из всех используемых материалов (кроме меди) ока-линостойкость твердого сплава увеличивается по сравнению с твердым сплавом без покрытия. Предварительная механическая обработка образца твердого сплава ВК8 влияет на его окали-ностойкость: после обработки окалиностойкость образца уменьшается, что, вероятно, связано с существованием на поверхности сплава оксидной пленки, повышающей способность образца сопротивляться окислению. Практически все полученные покрытия защищают поверхность твердого сплава от окисления при нагревании до 800°С. Дальнейшее повышение температуры приводит к значительному увеличению масс образцов. Рост массы изделия при нагревании обусловлен двумя причинами. Во-первых, при повышении температуры происходит активное окисление материала покрытия и также его разрушение, и на этих участках твердого сплава без покрытия образуются оксиды. Во-вторых, масса образца увеличивается за счет образования оксидов при невысокой сплошности покрытия, через поры и трещины (рис. 3б, в).
Таблица 3
ТОЛЩИНА ПОКРЫТИЯ ПОЛУЧЕННОГО НА ТВЕРДОМ СПЛАВЕ ВК8
Режим обработки Среднее значение толщины при использовании анодов, мкм (в скобках указан разброс)
Си Ті №
1 - - 20 (20-35)
2 34 (30-46) 120 (75-180) -
3 45 (28-68) 140 (70-200) -
700 800
ісмигрі іурі. °С
а
температура. 'С
б
Рис. 2. Микроструктура покрытий: а - Си/ВК8, 3 режим, 8 мин; б - Т1/ВК8, 3 режим, 14 мин
в
Рис. 3. Образцы твердого сплава ВК8 с покрытиями после нагревания в течение 30 мин при различных температурах: а - ВК8 без покрытия, 900 °С; б - А1/ ВК8, 1000°С; в - Сг/ВК8, 900 °С
а
9
в
Рис. 4. Изменение массы образцов ВК8 с различными покрытиями в зависимости от температуры нагревания: а - ВК8 без покрытия: 1 - 30 мин, не зачищенный, 2 - 30 мин, зачищенный, 3 - 60 мин, не зачищенный, 4 - 60 мин, зачищенный; б - покрытие: 1 - А1, 2 - Т1; в - покрытие: 1 - Сг, 2 - N1, 3 - Си
В результате измерений определено, что наименьшее увеличение массы при нагревании характерно для образцов твердого сплава с покрытиями из А1, Сг и Т1.
Из рис. 4 видно, что формирование теплоотводящего покрытия на поверхности твердого сплава из меди без защиты его от окисления невозможно, т.к. медь сильно подвержена окислению и при температуре более 400° С переходит в продукт взаимодействия с кислородом - окалину. Такое покрытие незначительно замедляет рост оксидов при нагревании образцов до 800-900°С
и, в конечном итоге, разрушается, а твердый сплав активно окисляется.
Вывод. Формирование функциональных электроискровых покрытий необходимо производить до получения максимальной сплошности при использовании режима обработки с наименьшим возможным нагревом поверхности. Для формирования окалиностойких покрытий на твердом сплаве ВК8 рекомендуются использовать хром и алюминий, медное покрытие, используемое для улучшения отвода тепла от режущей кромки, требует дополнительной защиты от окисления.
Список литературы
1. Третьяков В.И. Металлокерамические твердые сплавы. Физико-химические основы производства, свойства и области применения. М., 1962. С. 1-592.
2. Козырь А.В., Глабец Т.В., Верхотуров А.Д. Жаростойкость и коррозионная стойкость сталей после электроискрового легирования. Благовещенск, 2006. С. 1-287.
3. Панов В.С., Чувилин А.М. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них: учеб. пособие. М., 2001. С. 1-428.
4. Лазаренко Б.Р. Лазаренко Н.И. Изыскание новых применений электричества // Электронная обработка материалов. 1977. № 5. С. 5-19.
5. Верхотуров А.Д. Формирование поверхностного слоя металлов при электроискровом легировании. Владивосток, 1995. С. 1-323.
6. Верхотуров А.Д., Коневцов Л.А., Астапов И.А. К вопросу о критерии эффективности процесса электроискрового легирования металлических поверхностей // Вестн. Амур. гос. ун-та. 2007. № 39. С. 23-25.
7. Астапов И.А., Верхотуров А.Д., Козырь А.В. Электроискровое легирование сплава ВК8 карбидами переходных металлов 1У-У1 групп и металлокерамикой на основе карбида титана // Вестн. Помор. ун-та. Сер.: Естеств. науки. 2009. № 3. С. 64-69.
Astapova Elena, Borilko Anton
DEVELOPMENT OF HEAT-REMOVING AND DROSS-STABLE COVERS ON TUNGSTEN-CONTAINED HARD ALLOYS BY THE ELECTRO-DISCHARGE DOPING METHOD
The paper is devoted to the problem of increasing the life time of (W-Co)-hard alloys based products. Electro-discharge covers based on Cu, Al, Ti, Ni and Cr has been applied. Recommendations for the anode choice to increase the hard alloys dross-stability have been worked out.
Контактная информация: Борилко Антон Сергеевич e-mail: [email protected]; [email protected]
