ФОРМИРОВАНИЕ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПОКРЫТИЙ С НАНОРАЗМЕРНОЙ КАРБИДНОЙ ФАЗОЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ОБРАБОТКАМЕТАЛЛОВ

УДК 66.017

ФОРМИРОВАНИЕ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПОКРЫТИЙ С ОДНОРАЗМЕРНОЙ КАРБИДНОЙ ФАЗОЙ 1

В.Г. БУРОВ, канд. техн. наук, профессор, А.А. ДРОБЯЗ, аспирант, Д.С. ТЕРЕНТЬЕВ, аспирант

(НГТУ, г Новосибирск)

Статья поступила 6 сентября 2010 г.

Буров В.Г. - 630092, Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20; e-mail: wburow@yandex.ru

Проведен анализ проблем формирования на стальных изделиях твердосплавных покрытий на основе вольфрамо-кобальтовых порошковых смесей с наноразмерной карбидной фазой, предложены пути их решения. Представлены результаты экспериментальных исследований, свидетельствующие о возможности формирования твердосплавных покрытий с наноразмерными частицами упрочняющей фазы.

Ключевые слова: карбид вольфрама, углерод, наночастицы, жидкофазное спекание.

The analysis of the problems of formation on steel parts of hard coatings based on tungsten powder mixtures with nanoscale carbide phase is made. The results of experimental studies indicating the possibility of formation of carbide coatings with nanoscale particles of strengthening phase are presenting.

Key words: tungsten carbide, carbon, nanoparticles, sintering liquid-phase

Формирование вольфрамокобальтовых твердосплавных покрытий на поверхностях стальных изделий является сложной материаловедческой задачей, решение которой связано с решением проблем физико-химической и термомеханической совместимости материала покрытия и основного металла. Эти проблемы можно решить только частично. Во-первых, все технологии формирования качественных твердосплавных слоев, разработанные до настоящего времени, позволяют получать на поверхности стальных изделий только матричный материал, в котором упрочняющие частицы карбида вольфрама не образуют жесткий каркас как в спеченных твердых сплавах. Это касается и нанесения покрытий детонационно-газовым методом [1] и методом жидкофазного спекания [2, 3]. Во-вторых, при формировании покрытия, состоящего из частиц карбида вольфрама, расположенных в кобальтовой матрице, качественный твердосплавный слой имеет переходную зону к основному металлу малой толщины, что приводит к возникновению существенных напряжений на границе раздела «покрытие - основной металл» при нагружении или при нагреве (проблема термомеханической совместимости материала покрытия и основного металла). Создание развитой переходной зоны, образующейся при жидкофазном спекании порошковой вольфрамо-кобальтовой смеси, приводит к активному диффузионному и химическому взаимодействию железа, содержащегося в основном металле, с частицами кар-

бидной фазы [3, 4]. Дополнительным легированием или химико-термической обработкой поверхностного слоя основного металла можно обеспечить и формирование переходной зоны, и исключение образования сложных хрупких карбидов, снижающих прочностные свойства получаемой композиции. В этом случае матрица формируемого твердого сплава имеет в своем составе и кобальт, и железо, и легирующий бор, образующие эвтектические составы [4]. Свойства формируемых покрытий близки к свойствам вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов, не снижая при этом прочностные характеристики основного металла [5].

Повышение эксплуатационных характеристик твердосплавного покрытия возможно введением в состав покрытия наноразмерных частиц карбида вольфрама, что является еще более сложной технической задачей, требующей дополнительных исследований. Известно, что наилучшие свойства как прочностные, так и эксплуатационные (в частности, износостойкость) обеспечивают особомелкозернистые твердые сплавы, производимые ведущими мировыми производителями твердосплавного режущего инструмента. Однако применение порошков, имеющих нано-размерные частицы карбида вольфрама, не позволяет получить спеченный твердый сплав с размером карбидов менее 100...200 нм, даже с использованием методов спекания в вакууме за короткое время и при высоких давлениях. При любом малом времени спекания, обеспечивающем смачивание частиц кар-

1 Работа выполнена при финансовой поддержке АВЦП 2009-2010

№3(48)2010 37

Чи

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

бидов матричным материалом, происходит растворение мелких частиц и рост крупных. Требование смачивания является основополагающим при производстве таких композиционных материалов, как твердые сплавы. Следовательно, при формировании твердосплавных покрытий необходимо обеспечить одновременно несколько условий:

- смачивание частиц карбида вольфрама матричным материалом;

- взаимодействие материала покрытия с основным металлом с целью формирования переходной зоны;

- сохранение наноразмерных частиц карбида вольфрама, содержащихся в оплавляемой порошковой смеси.

Эти условия находятся в противоречии и не могут быть обеспечены в рамках стационарных равновесных процессов. При равновесном процессе одновременно происходящего растворения частиц (условие, необходимое для обеспечения смачивания) и роста частиц за счет кристаллизации на их поверхности материала из расплава существует критический размер частиц, который определяет, какой из процессов будет доминировать. Критический размер частиц определяется свойствами частиц и металлического расплава, а также характером изменения уровня свободной энергии [6], который может быть оценен следующей зависимостью:

ДG = ДGr + ДGS, где ДGr - изменение объёмной энергии, ДGr = -4/3 пг3 - (ДГ/Г^; ДGS - изменение поверхностной энергии, ДGS = 4пг2о; ДТП - температура переохлаждения, ДТП = Т5 - Г1; Т - равновесная температура; Т1 - реальная температура кристаллизации; г - радиус частицы, выполняющей роль центра кристаллизации; о - величина поверхностного натяжения расплава на поверхности частицы; L - теплота кристаллизации.

Представленная зависимость может быть качественно отображена диаграммой (см. рисунок) [6].

Анализируя зависимость можно прийти к выводу, что при увеличении температуры переохлаждения, т. е. при использовании нагрева с использованием источников энергии высокой концентрации, обеспечивающих локальный нагрев до температур плавления матричного материала и охлаждение с высокой скоростью, возможно уменьшить критический размер частиц карбида вольфрама. Но более существенным направлением уменьшения критического размера зерна является изменение свойств расплава и изменение свойств частиц карбида. Свойства расплава определяются его химическим составом, варьирование которым может обеспечить снижение поверхностного натяжения. Частицы карбида вольфрама размером менее 100 нм имеют развитую поверхность и, в зависимости от способа их получения, дефектную структуру. Дефектность структуры определяет

§■ г

Качественная зависимость свободной энергии системы от размера частицы (зародыша кристаллизации) твердой фазы, гК - критический размер частицы твердой фазы

уровень поверхностной энергии частиц, снижение которого может быть отдельной задачей. Предполагается, что предварительное плакирование нанораз-мерных частиц может обеспечить снижение поверхностной энергии в спекаемой порошковой смеси. Другой возможный путь снижения поверхностной энергии частиц - это снижение их дефектности. Если создавать порошки с частицами карбида вольфрама, представляющими собой монокристаллы, то их поверхностная активность будет снижена. Однако, с другой стороны, не ясно, каким образом бездефектность структуры отдельных частиц скажется на поверхностном натяжении расплава матричного материала и соответственно на смачиваемости частиц.

Заключение

Показаны пути решения проблемы формирования твердосплавных покрытий на стальных изделиях. Проведен анализ возможности формирования покрытий с наноразмерной упрочняющей фазой.

Список литературы

1. Сравнительный анализ свойств наноструктурных и микроструктурных керметных детонационных покрытий / С.Б. Злобин , В. Ю. Ульяницкий, А.А. Штерцер // Упрочняющие технологии и покрытия. - № 3. - 2009. - С. 3-11.

2. Буров В.Г., Батаев А.А., Тюрин А.Г. Влияние режимов предварительной химико-термической обработки на свойства стали, упрочненной покрытием на основе порошковой смеси WC-Co // Ползуновский вестник. - Барнаул. - 2005. - № 2. - С. 4-9.

3. Буров В.Г., Батаев А.А., Особенности формирования твердосплавных покрытий в процессах жидкофазно-го спекания // Обработка металлов. - 2004. - № 4 (25) -С. 11-12.

4. Буров В.Г., Батаев А.А., Тюрин А.Г., Буров С.В. Структурообразование твердосплавных покрытий на стальной поверхности // Обработка металлов. - 2005. -№ 1 (26). - С. 9-12.

5. Тюрин А.Г. Плотникова Н.В. Веселов С.В., Буров В.Г., Головин Е.Д. Особенности усталостного разрушения поверхностно-упрочненных материалов // Научный вестник НГТУ. - 2007. - № 4 (29). - С. 93-98.

6. Задиранов А.Н., Кац А.М. Теоретические основы кристаллизации металлов и сплавов: учеб. пособие. - М.: МГИУ, 2008. - 194 с.

38 №3(48)2010