CC BY
8УДК 538.951-405
Е.С. Астапова, А.С. Борилко, Т.В. Глабец
ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДОГО СПЛАВА ВК8 И СТАЛИ «45» ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ
Работа посвящена разработке покрытий функционального назначения на основе твердого сплава ВК8 и стали «45» Получены кинетические зависимости массопереноса и коэффициент массопереноса. Исследованы окалиностойкость, шероховатость, пористость, сплошность и фазовый состав полученных покрытий. Рассмотрено распределение химических элементов в косом шлифе образца ВК8, легированного одноименным электродом.
The paper is devoted to engineering of function covers based on hard alloy 92%W-8%C and steel 45. The kinetic dependence of mass transfer and mass transfer coefficient have been obtained. Dross stability, roughness, porosity, uniformity and phase composition have been investigated. Chemical elements distribution in alloyed angle lap is observed.
Работа посвящена исследованию воздействия концентрированных потоков энергии на инструментальные материалы на основе ВК8 и стали «45», что продиктовано необходимостью создания защитных покрытий и сохранения свойств материалов.
Для получения функциональных покрытий использованы установки: «Элитрон 22А», IMES 01-2. Режимы работы установок указаны в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Режимы работы установки «Элитрон 22А»
Номер режима Ток разряда, А
1 0,5
2 1,1
3 1,5
4 1,8
5 2, 2
6 2,9
частотой следования импульсов 100 Гц, напряжение на легирующем электроде 60 В
Таблица 2
Режимы работы установки «IMES 01-2»
Номер режима Наряжение U, В Частота следования импульсов f, Гц Ток разряда, А
1 60 300 1,3
2 80 300 2,2
Для анализа кинетики массопереноса использованы весы ВЛДП-200. Физико-механические характеристики определены по стандартным методикам. Микроскопические исследования произведены на оптическом микроскопе «Micro-200». Для исследования микроструктуры, качества поверхности и анализа распределения элементов по глубине по площади материалов применены методы растровой электронно-зондовой микроскопии высокого
разрешения и рентгеноспектрального микроанализа с использованием растрового электронного микроскопа LEO-1420 с энергодисперсионным спектрометром RONTEC, растрового электронного микроскопа JSM 6390LV JEOL с энергодисперсионным спектрометром Oxford INCAEnergy. Рентгеноструктурный анализ произведен с применением метода Дебая-Шеррера. Использован дифрактометрах общего назначения ДРОМ-3М ДРОН-7. Дебаеграммы снимались при Cu-Ka -излучении с Ni-фильтром при фокусировке по схеме Брегга-Брентано.
Кинетические зависимости массы от времени при электроискровом легировании Ni/BK8, Сг/ВК8, Х20Н80/ВК8, Cr+Cu/BK8 и ВК8/сталь «45» приведены на рис. 1-3.
Рис. 1. Изменение масс катода и анода при ЭИЛ а), б) №/ВК8; в), г) Сг/ВК8; д), е) Х20Н80/ВК8:
♦ - катод, режим 1; ♦ - катод, режим 1; •- катод, режим 2; ▲ - катод, режим 3; ■— катод, режим 6; ◊- анод, режим 1; о - анод, режим 2; Д- анод, режим 3; □- анод, режим 6.
0,5
£ 0
Ь -0,5
I ^
е 1,5
а ' * ?
и ' 01
™ -2,5 а.
= -3 -3,5
время, мин
а)
О -2 -4 -6
а -ю
1 -12
-14 -16 -18 -20
\
\
\
ч
\
\
\
\
время, мин б)
Рис. 2. Изменение масс а) катода и б) анода при ЭИЛ Сг+Си/ВК8:
■ катод, режим 1; А - катод, режим 3; О - анод, режим 1; Д - анод, режим 3.
а)
б)
Рис. 3. Изменение масс а) катода и б) анода при ВК8/сталь «45»: ^ - катод, режим 1; ^ - катод, режим 2; Д - анод, режим 1; О - анод, режим 2.
При ЭИЛ №/ВК8 на 1-м режиме обработки на установке «Элитрон 22А» катод начинает эродировать уже с первой минуты воздействия. При использовании 2-го режима привес незначителен; порог разрушения - 1 мин. При таком выборе электродных материалов формируется пористое покрытие, в котором имеются вертикальные трещины. В нижней части слоя находятся зоны с материалом основы. Толщина слоя 5 = 28-35 мкм, средняя толщина <5> = 15,4 мкм.
При использовании Сг в качестве анода на 3-м режиме той же установки катод эродирует, исследование поверхности с помощью микроскопа показывает образование покрытия.
При выборе 6-го режима обработки электродом на основе нихрома Х20Н80 формируется сильно неравномерное покрытие, содержащее по всей толщине поры и оксиды. Отмечено, что масса катода уменьшается во времени. Толщина слоя 5 составляет 280 - 297,5 мкм. При выборе 3-го режима в покрытии содержится меньшее количество пор, покрытие также неравномерно, отмечаются зоны, на которых покрытие отсутствует, в покрытии имеются вертикальные трещины до материала основы. Толщина слоя 5 составляет 17,5 - 63 мкм. В покрытии определены две фазы.
Во время электроискровой обработки стали «45» электродами из Сг, N1 и ВК8 наблюдаются высокие значения удельного привеса катода Ак и удельной эрозии анода Да. При использовании электродов на основе Сг и N1 порог хрупкого разрушения не достигнут в течение 15 мин. обработки, что объясняется тем, что электродные материалы в процессе обработки
претерпевают высокотемпературные фазовые переходы с образованием твердых растворов легирующих элементов Сг и № с железом подложки.
При легировании твердым сплавом ВК8/сталь «45» (рис. 3) после 13 мин. обработки наблюдается начало разрушения легированного слоя. Порог разрушения определяется составляющими элементами твердого сплава, способными лишь ограниченно растворяться в железе подложки.
Легированные слои, полученные на стали «45», отличаются значительным коэффициентом массопереноса (табл. 3).
Таблица 3
Коэффициенты массопереноса
Режим Элитрон 22А Материал анода (катод ВК8) 1МББ 01-2 Материал анода (катод сталь «45»)
Си и Х20Н80 № Си+Сг Сг № ВК8
1 20,0 21,7 12,5 25,8* средний коэффициент 37,7 47,0 30,9
3 31,1 22,1 91,0 - 0,02
6 29,0 14,0 -
- 2 режим; «-» - коэффициент отрицательный
В табл. 4 приведены значения шероховатости, пористости и сплошности сформированных покрытий.
Таблица 4
Физико-механические характеристики полученных слоев на стали «45»
анод толщина белого слоя, 5, мкм Шероховатость Яа, мкм Пористость, % Сплошность, %
Сг 21,3 3,01 11,1 98,4
N1 24,7 2,76 11,6 99,7
ВК8 32,1 3,40 15,0 94,1
На рис. 4 приведены фотографии микрошлифов покрытий, сформированных на ВК8.
в) г)
Рис. 4. Фотографии микрошлифов при ЭИЛ: а) Х20Н80/ВК8, 3-й режим, х200; б) Х20Н80/ВК8, 6-й режим, х200; в) Х20Н80/ВК8, 3-й режим, х1000;
г) Ni/BK8, 2-й режим.
В табл. 5 представлены результаты рентгенофазового анализа. В покрытии на стали «45» идентифицированы a-Fe и карбиды.
Таблица 5
Фазовый состав электродов
Анод Фазы анода Катод фазы катода
Cr a-Fe, Cr, Cr2O3, Fe2O3 сталь «45» a-Fe, Cr, (Cr^A, CrN, Fe2C
Ni a-Fe, Ni, NiO, Fe4N сталь «45» a-Fe, Ni, NiC, Fe2C, Ni3Fe
ВК8 a-Fe, W4O11, WO3, CoO, Fe3O4, Fe2O3 сталь «45» a-Fe, W2C, Fe3W3C, Co
Ti WC, CoTiO3, P-W, Ti, TiN, ВК8 Ti, TiO2
На рис. 5 приведены графики прироста массы подготовленных образов во времени при выдержке их в муфельной печи, на рис. 6 - внешний вид образцов в результате окисления при температуре 900 °С.
Рис. 5. Изменение массы образцов ВК8 с окалиностойким покрытием в зависимости
от температуры нагрева: а) без покрытия: ^ - после механической обработки; д - без механической обработки; б) покрытие на ВК8: • - Al; ^ - Ti в) ^ - Ni; ^ - Cu; • - Cr; И - двухслойное покрытие Cu+Cr.
а)
б)
в)
г)
Окалиностойкость твердого сплава после его электроискровой обработки значительно возросла. Наименьше количество оксидов возникло в результате создания
окалиностойких покрытий с
использованием в качестве легирующего электрода Al, Cr, Ti.
Формирование поверхностного слоя и распределение химических элементов в нем показаны на рис. 7-9. При ЭИЛ сплава ВК8 одноименным электродом поверхностный слой формируется равномерно, в структуре имеются трещины. Элементы W, Co и C распределены по глубине равномерно, их относительная концентрация практически не изменяется по линии «основа - поверхность». Плотность содержания кобальта несколько увеличивается в поверхностном слое. Наибольшей относительной плотностью распределения обладает вольфрам, наименьшей - кислород, наличие которого можно объяснить процессом окисления образца на воздухе во время хранения.
Наиболее равномерно по линии «основа-поверхность» распределен элемент C. Для вольфрама отмечены небольшие флуктуации по значению относительной концентрации. Наибольшие перепады этого параметры замечены у кобальта, причем в поверхностном слое значения относительной концентрации увеличиваются.
Рис. 6. Образцы после испытания на окалиностойкость: а) ВК8 без покрытия °C; б) Т30К4/ВК8; в) А1/ВК8, г) &/ВК8
Рис. 7. Косой шлиф (а=45°) материала, полученного после ЭИЛ ВК8/ВК8, 3-й режим (слева
основа). СЭМ Ш0Ь-6390ЬУ.
Рис. 8. Распределение химических элементов по площади косого шлифа (а=45°) материала, поученного после ЭИЛ ВК8/ВК8, 3-й режим. СЭМ Ш0Ь-6390ЬУ. Электронное изображение 1 -микрофотография исследуемого участка косого шлифа.
Рис. 9. Распределение элементов по сечению. Материал, полученный после ЭИЛ ВК8/ВК8, 3-й режим. СЭМ Ш0Ь-6390ЬУ: 1 — вольфрам 2 — кобальт (Со), 3 — углерод (С). Согласно проведенным наблюдениям можно заключить, что при использовании
легирующих анодов № и Х20Н80 и катода ВК8 полученное покрытие неравномерно, имеет
значительные неровности, трещины и поры. При использовании хромового анода наблюдается
отрицательный массоперенос. Средние значения коэффициента массопереноса максимальны при
использовании в качестве подложки стали «45». При этом достигается относительно высокая
сплошность покрытия. При легировании стали «45» минимальное значение сплошности и
максимальное значение пористости характерно для твердосплавного анода. При ЭИЛ ВК8 одноименным электродом отмечено, что поверхностный слой формируется равномерно, в структуре имеются трещины. Элементы W, Co и C распределены по глубине равномерно и их относительная концентрация практически не изменяется по линии «основа-поверхность». При высоких температурах наиболее стойкими к разрушению и образованию оксидов являются покрытия, сформированные на ВК8 анодами из Al, Ti и Cr.
