CC BY
14А.С.Борилко, И.А. Астапов, JLA. Коневцов, A.C. Шпагин
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОМ ЛЕГИРОВАНИИ ВОЛЬФРАМСОДЕРЖАЩИХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ МЕТАЛЛАМИ ЧЕТВЕРТОЙ ГРУППЫ
WC-based hard alloys have been investigated. Doping impurity process of WC-alloys has been executed by equipment «EL1TRON-22A». Mass transfer kinetic has been researched. Destruction of electrodes occurs primary fusible with transition into spherical phase. Введение
Одна из важнейших задач материаловедения - упрочнение материалов с целью повышения износостойкости инструментов. С этой целью широко используются твердосплавные инструменты на основе карбида вольфрама. В связи с тем, что вольфрам является дорогостоящим металлом, весьма актуальна задача получения упрочняющих покрытий на вольфрамсодержащих твердых сплавах (ВТС). Один из способов нанесения таких покрытий - метод электроискрового легирования (ЭИЛ), отличающийся в первую очередь возможностью применения любых токопроводящих материалов.
Вопросам воздействия выбора покрытия на свойства твердых сплавов посвящен ряд работ, но до сих пор остаются невыясненными некоторые особенности формирования поверхностного слоя [1-3]. Материалы и методика эксперимента
В качестве исследуемых объектов использовались образцы твердого вольфрамсодержащего сплава ВК8, легированные металлами IV группы: титаном (Ti), цирконием (Zr) и гафнием (Hf). Образцы предварительно шлифовались.
Для получения слоя методом (ЭИЛ) применялась установка ЭЛИТРОН-22А. Легирование выполнялось в режиме: сила тока 1ср= 0,8 А, напряжение Ucp= 65 В, частота импульсов уср= 100 имп/сек.
Во время процесса легирования были собраны эрозионные частицы, для этого в непосредственной близости от контакта электродов было размещено чистое стекло, на котором оседали продукты эрозии.
Было измерено количество частиц и их размеры; полученные данные обработаны посредством пакета электронных таблиц. Наблюдение продуктов эрозии произво
дилось с помощью оптического микроскопа БИОЛАМ М при увеличениях, описанных в таблице.
Значения увеличения микроскопа для разных частиц
Обра зец ТШК8 Zr/BK8 Н/ВК8
Фаза сфер хруп- сфер хруп сфе- хруп-
и- кая и- кая риче кая
ческа ческа ская
я я
Уве-личе ние 420 220 420 960 960 420
Фазовый анализ был проведен с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-7 методом Дебая-Шеррера с фокусировкой по Брэггу-Брентано в режиме: 30 кВ, 25 мА, 3-104имп/с.
Результаты и обсуждение
При легировании происходит изменение масс электродов. Если пронаблюдать этот процесс, можно построить графическую зависимость массы анода или катода от времени. Это позволит получить представление о целесообразности обработки материала методом ЭИЛ и определить оптимальное время легирования поверхности.
Для исследуемых образцов были получены зависимости, представленные на рис. 1 -3.
Исходя из этих зависимостей, можно сказать, что порог хрупкого разрушения для титана - около 4,5 мин.; для циркония он немного больше 3 мин., а для гафния не наблюдается в течение всего времени легирования.
Фотографии эрозионных частиц, видных в окуляр микроскопа в отраженном свете, приведены на рис. 4-6.
В результате обработки полученных данных было определено, что среди продуктов эрозии ТШК8 хрупкая фаза составляет 24%, сферическая -81%; для
Zr/BK8: хрупкая - 21 %, сферическая - 79%; для хрупкая - 26%,
сферическая - 74%. Количество частиц определенных размеров можно видеть из гистограмм на рис. 7-12.
Из этих гистограмм видно, что наиболее характерными для хрупкой фазы при легировании титаном являются частицы размерами до 25 мкм, для сферической фазы - 2,5-5 мкм. Для циркония в качестве анода большинство частиц имеет размеры до 6,8 мкм; для гафния - до 5,1 мкм.
Был исследован фазовый состав образца ВК8, выступавшего в качестве катода при ЭИЛ, до и после обработки карбидом ^^ а также фазовый состав карбида. Произошедшие изменения можно пронаблюдать на рис. 13.
см <
о
о Щ 5 X а>
я а. s а. с 200,00 0,00 -
-200,00 -400,00 -600,00 -800.00 -1000,00 -1200,00 -ОтОв-
4т§9-
время, мин.
.-------------------привес катода
------------------- эрозия анода
Рис. 1. Кинетика массопереноса при ЭИЛ Ti/BK8. ^ <
О о т
ф s £
О»
3 «
а.
s о. с 200,00 1
100.00 0,00 -100,00 -200,00 -300,00 -400,00 -500,00 время, мин.
привес катода эрозия анода
Рис. 2. Кинетика массопереноса при ЭИЛ Zr/BK8.
сч <
s
о
о о (в S 0> 5
X ф
т а. s о. с ■ 200,00 0,00 -
-200,00 -400,00 -600,00 -800,00 -1000.00 -1200.00 -АШ-
4т34-
время, мин.
привес катода эрозия анода
Рис. 3. Кинетика массопереноса при ЭИЛ Н/ВК8.
Рис. 4. Продукты эрозии при ЭИЛ ВТС ВК8 титаном (Т^. Рис. 5. Продукты эрозии при ЭИЛ ВТС ВК8 цирконием ^г). Рис. 6. Продукты эрозии при ЭИЛ ВТС ВК8 гафнием (Н^.
5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 размеры частиц, мкм Рис. 7. ТШК8, хрупкая фаза 24%. Рис. 8. ТШК8, сферическая фаза 76%. 8 -
7 -- 6 5 4 3 - 2
Кр
Щтт ■■и
л ф? V ч„> лллл размеры частиц, мкм
6,8 8,5 10,2 11,9 13,6 15,3 17 размеры частиц, мкм
Рис.. 9. Zr/BK8, хрупкая фаза 21%.
Рис. 10. Zr/BK8, сферическая фаза 79%.
гг. ю* со" да о" V- ^ ю
СО Л М О) Ф
размеры частиц, мкм
25 20
§ 15
5 ю
Я
Ш
Щ
■
В
Ц
53
Ш •
Ш
ив ш
■ р
В в
■
т
1
1,7 3,4 5,1 6,8 8,5 10,2 11,9 13,6 15,3 17 18,7 20,4 22,1 23,8 размеры частиц, мкм Рис. 11. НШК8, хрупкая фаза 26%.
Рис. 12. ^7ВК8, сферическая фаза 74%.
ю 20 30 40 80 во 70 80 90
2 Theta
Рис. 13. Рентгенофазовый анализ образца: а) твердый сплав ВК8 до обработки методом ЭИЛ; б) материал анода - Т^ в) твердый сплав ВК8 через 7 мин. обработки методом ЭИЛ (анод - Т^.
Можно видеть, что на графике 1 Зв наблюдаются пики, которых не было на графике 13а. Это свидетельствует, что материал был перенесен с анода на катод. Нужно отметить также факт возникновения нитридов после обработки. Соединение TiN возникло при взаимодействии вещества анода со средой легирования - воздухом.
Кобальт, присутствующий в структуре твердого сплава ВК8, и оксид ТЮ2 в составе анода при взаимодействии с материалом анода способствовали образованию оксида СоТЮг Выводы
1. Установлено, что процесс массопереноса неодинаков для различных анодов. Количество вещества, перенесенного с анода на катод при легировании титаном больше, чем при легировании цирконием. Таким образом, с учетом того, что из исследованных металлов титан имеет максимальную твердость, для создания упрочняющих по
крытий твердых сплавов в качестве анода выгодно использовать титан и его соединения (бориды, карбиды, нитриды и др.).
2. Среди эрозионных частиц преобладают частицы сферической фазы, что означает разрушение сформированного слоя в виде плавления, а не хрупко.
3. По результатам рентгенофазового анализа на полученной поверхности обнаружены фазы Д СоТЮэ, что свидетельствует о наличии в измененном поверхностном слое элементов как катода, так и анода.
1. Верхотуров А.Д. Формирование поверхностного слоя металлов при электроискровом легировании. - Владивосток: Дальнаука, 1995..
2. Лазаренко Б.Р., Лазаренко Н И. Изыскание новых применений электричества // Электронная обработка материалов. - Кишинев; М. - 1977. - № 5. -С. 5-19.
3. Верхотуров А.Д. Некоторые вопросы теории и практики метода электроискрового легирования металлических поверхностей // Физика и химия обработки материалов. - 1993. - № 3.
