CC BY
32
Исследование особенностей формирования твердосплавных покрытий
на поверхности технического железа
А.Г. Тюрин
Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, 630092, Россия
Проведен термодинамический анализ системы <^С - Fe». Определены условия, позволяющие получить частицы карбида вольфрама в структуре покрытия. Получены вольфрамокобальтовые покрытия на поверхности технического железа методом жидкофазного спекания. Исследованы структура и фазовый состав полученных покрытий.
Investigation of peculiarities of hard-alloy coating formation on surface of commercial iron
A.G. Tyurin
The thermodynamic analysis of interaction between tungsten carbide and iron is carried out. The conditions which allow obtaining tungsten carbide particles at liquid-phase sintering were defined. Using liquid-phase sintering of tungsten carbide and cobalt powder mixture, coatings on surface of commercial iron is obtained. The structure and phase X-ray diffraction analysis of the coating and interlayer are investigated.
1. Введение
Одной из основных причин выхода из строя деталей машин и элементов конструкций является износ поверхностного слоя и изменение геометрических размеров изделий. Существует большое количество технических решений, позволяющих повысить износостойкость металлов. К ним относятся разработка новых износостойких материалов и нанесение различного рода износостойких покрытий. Среди множества материалов, используемых для нанесения защитных покрытий, особо выделяются твердые сплавы — композиционные порошковые материалы, имеющие в качестве упрочняющей фазы тугоплавкие частицы. Уникальные свойства имеют твердые сплавы, представляющие собой каркас из частиц карбида вольфрама, в котором промежутки между частицами заполнены металлическим кобальтом. Именно этим материалом обеспечивается многократное повышение износостойкости режущего, деформирующего и измерительного инструмента. В отличие от спекания твердых сплавов процесс получения твердосплавного покрытия сопровождается взаимодействием частиц упрочняющей фазы покрытия ^С) с основным металлом ^е). В связи с этим возникает множество проб-
лем, связанных с физико-химической совместимостью компонентов покрытия и основного металла.
2. Постановка задачи
Технологические режимы получения изделий с покрытиями, как правило, обеспечивают высокую диффузионную подвижность химических элементов на поверхности раздела разнородных составляющих, что приводит к растворению упрочняющего компонента покрытия или образованию химических соединений, отрицательно влияющих на механические свойства композиции в целом. Таким образом, переходная область, в пределах которой имеют место физико-химическое и механическое взаимодействие между основным металлом и покрытием, играет огромную роль в формировании комплекса важных механических свойств. Обеспечение стабильности поверхности раздела между вольфрамокобальтовым покрытием и стальным изделием в процессе жидкофазного спекания является важнейшим требованием, позволяющим сохранить высокие эксплуатационные характеристики композиции. Решение этой проблемы позволит целенаправленно управлять механическими свойствами изделий
в Тюрин А.Г., 2004
с покрытиями, повысить уровень их конструктивной прочности, разработать эффективные технологичные процессы производства материалов и изделий из них.
3. Материалы и методы исследования
В качестве основного металла использовали техническое железо, на поверхность которого с помощью шликерного литья или электрофоретического осаждения наносились частицы твердосплавной порошковой смеси ВК6. Спекание осадка проводили в вакуумной печи СШВЭ-1.25 при температуре, соответствующей температуре появления жидкой фазы. Скорость нагрева составляла от 0.5 до 1.5 °С/с, время выдержки при температуре спекания изменяли от 10 секунд до 10 минут, скорость охлаждения — 0.5 °С/с. Из образцов с покрытиями изготавливались поперечные микрошлифы, на которых исследовали химический и фазовый состав покрытия переходной зоны и основного металла. Металлографические исследования проводились на микроскопе N0 2Е в диапазоне увеличений от Х200 до X1500. Фазовый рентгеноструктурный анализ проводили на дифрактометре ДРОН-3М (Л = 192 мм, СиКа-излучение, №-фильтр, счетчик сцинтилляционный, фокусировка Брэгга-Брентано). Съемка проводилась со скоростью 1° мин-1 при комнатной температуре в области углов 20 от 5° до 90°.
Возможность протекания химических взаимодействий между WC и Fe оценивали по изменению энергии Гиббса реакций в диапазоне температур от 298 до 2000 К, по формуле:
ДG = ДЯ - ДST, где ДG — изменение энергии Гиббса; ДЯ и ДS — изменение энтальпии и энтропии реакций; Т— температура.
4. Результаты и обсуждение
Результаты термодинамического анализа показывают, что в системе WC-Fe возможно химическое взаимодействие по реакциям:
(1) (2)
которые начинаются при температурах 870 и 1125 К соответственно. На рис. 1 представлены изменения энергии Гиббса реакций (1), (2) от температуры.
Соответственно при охлаждении термодинамически возможно протекание реакций в обратном направлении с распадом двойных карбидов Fe2W4C, Fe4W2C и образованием WC и Fe.
При спекании вольфрамокобальтовой порошковой смеси на поверхности технического железа в вакууме жидкая фаза появляется при температуре 1250 °С. Металлографические исследования спеченных покрытий показали, что в системе формируется композиция (рис. 2), состоящая из нескольких зон: 1 зона — мате-
2Fe + 4WC ^ Fe2W4C + 3С, 4Fe + 2WC ^ Fe4W2C + С,
Рис. 1. Изменение энергии Гиббса реакций взаимодействия WC и Fe от температуры: 2Fe + 4WC ^ Fe7W4C + 3С (1); 4Fe + 2WC ^ Fe4W2C + С (2)
риал покрытия, состоящего из частиц карбида вольфрама, равномерно распределенных в матрице; 2 зона — переходный слой между покрытием и основным металлом, который содержит крупные карбидные частицы. Рентгеноструктурный анализ показал, что крупные карбидные частицы представляют собой химические соединения Fe2W4C и Fe4W2C. Толщина слоя, содержащего частицы двойного карбида, составляет 200 мкм; 3 зона — науглероженный верхний слой основного металла, толщина науглероженной области находится в пределах 200-300 мкм; 4 зона — основной металл, имеющий ферритную структуру.
Таким образом, процесс спекания вольфрамокобальтовой порошковой смеси на поверхности технического железа сопровождается взаимодействием частиц карбида вольфрама и железа при температурах 870 и 1125 К с образованием двойных карбидов Fe2W4C, Fe4W2C и углерода. Диффузия углерода в основной металл приво-
Рис. 2. Микроструктура композиции «техническое железо - вольфрамокобальтовое покрытие»
дит к формированию в верхних слоях технического железа перлитных колоний и нехватке в зоне реакции свободного углерода при охлаждении, что приводит к сохранению частиц Fe2W4C и Fe4W2C до комнатных температур. Наличие хрупких частиц двойного карбида в переходном слое значительно снижает механические характеристики формируемых композиций. По результатам термодинамического анализа и практических исследований можно предположить, что для предотвращения появления в переходном слое крупных карбидов Fe2W4C и Fe4W2C необходимо:
1) контролировать время взаимодействия частиц упрочняющей фазы с основным металлом с помощью технологических режимов (скорость нагрева и время спекания);
2) уменьшить скорость диффузии углерода из зоны реакции в верхние слои основного металла, для распада сложного карбида на WC и Fe;
3) снизить температуру спекания до температур, находящихся ниже температуры активного взаимодействия между WC и Fe.
5. Выводы
Результаты термодинамического анализа и практических исследований позволили сформулировать следующие выводы.
1. В процессе спекания вольфрамокобальтовой порошковой смеси на поверхности технического железа при температурах 870 и 1125 К имеет место взаимо-
действие частиц карбида вольфрама покрытия с железом основного металла с образованием двойных карбидов Fe2W4C и Fe4W2C и углерода.
2. Диффузия углерода в основной металл приводит образованию перлитных колоний в верхних слоях технического железа и нехватке свободного углерода в зоне взаимодействия между WC и Fe, что приводит к сохранению частиц двойного карбида в переходном слое до комнатных температур.
Литература
1. Самсонов Г.В, Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия. - М.: Металлургия, 1973. - C. 399.
2. Болгар А.С., Турчанин А.Г., Фосенко В.В. Термодинамические свойства карбидов. - Киев: Наукова думка, 1973. - 275 с.
3. Gustafson P. A thermodynamic evaluation of the C-W-Fe-system / Met. Trans. A. - 1987. - Nos. 1-6. - C. 175-188.
4. Kleykamp H. Термодинамика Мо-Fe-C и W-Fe-C систем // Contemp-
rary Inorg. Mater.: Proc. 3 rd. Germ.-Yugosl. Meet. Stuttgart-steel. -1978. - P. 27-31.
5. Карапетъянц M.X., Карапетъянц М.Л. Основные термодинамические константы неорганических веществ: Справочник. - М.: Химия, 1968. - 470 с.
6. Тюрин А.Г., Буров В.Г., Веселов С.В. Влияние химического состава основного металла на структуру и свойства твердосплавных покрытий // Тез. докл. XVII Уральской школы металловедов-термис-тов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов». - Киров: ВятГУ, 2004. - C. 83.
7. Тюрин А.Г., Буров В.Г., Батаев В.А, Веселов С.В. Влияние предварительного борирования стальной подложки на структуру композиционных покрытий // Сборник научных трудов НГТУ. - 2002. -№ 4 (30).
8. Таран Ю.Н., Иванов Л.И., Мошкевич Л.Д. Морфология эвтектики в Fe-W-C сплавах. - М.: Машиностроение, 1972. - 79 с.
