ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПОКРЫТИЙ В ПРОЦЕССАХ ЖИДКОФАЗНОГО СПЕКАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УПРОЧНЯЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

4) с учетом шероховатости и волнистости:

j,=7J8

HB

0,41

0,3ñ 0,32 s z

Jn =18,4

HB

ом

0,27 0,19 S z

, Па/мкм

Па/мкм

(7)

(8)

Эти зависимости адекватны при s = (0,2...0,3)ßt z = 10...25, Н = 105...290, t = 0,005 мм, V = 30...35 сек.

Полученные результаты убедительно подтверждают правильность выбранного направления совместных НИР ИМАШ РАН и БГТУ.

Литература

1. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000, 318 с.

Особенности формирования твердосплавных покрытий в процессах жидкофазного спекания

В. Г. БУРОВ, профессор, канд. техн. наук, НГТУ, А. А. БАТАЕВ, профессор, доктор техн. наук, НГТУ,

а. Новосибирск

Для обеспечения работоспособности изделий, наряду с макрогеометрией поверхностей, определяющей характеристики точности, важна толщина и равномерность поверхностного слоя, который отличается от основного материала изделия своими физико-механическими свойствами. Особенно это важно при использовании технологий формирования упрочняющих покрытий. Проведены исследования технологии формирования покрытий из металгоке-рамических твердых сплавов на сталях жидкофазным спеканием твердосплавных вольфрамокобальтовых порошковых смесей. Спекание в присутствии жидкой фазы сопровождается высокой диффузионной подвижностью химических элементов на поверхности раздела, что приводит к растворению упрочняющего компонента покрытия или образованию химических соединений, отрицательно влияющих на структуру и механические свойства сформированного поверхностного споя

Экспериментальные исследования проводились на образцах из технического железа, инструментальных и конструкционных сталей, а также на образцах из этих же сталей после борирования. На стальные пластины наносилась порошковая смесь ВК6 или ВК8. В качестве средств доставки частиц порошковой смеси на покрываемую поверхность использовали шликерное литье и эпектрофоре-тическое осаждение. Спекание осадка проводилось в вакуумной печи при температуре появления жидкой фазы. Скорость нагрева изменилась ш 0,05 до 4пС/с, время выдержки при температуре спекания изменялось от 5 до 1200 с, скорость охлаждения - от 0,08 до 0,6°С/с. Максимальные скорости нагрева и охлаждения ограничивались инерционностью печи. Появление жидкой фазы контролировалось через смотровое окно печи визуально,, по появлению зеркального отражения от поверхности.

Увеличение температуры во время спекания твердосплавной порошковой смеси на углеродистых сталях сопровождается, начиная с 1150°С, попеременным появлением и исчезновением локальных пятен жидкой фазы. При достижении температуры 1300...1310°С жидкая фаза существует стабильно, ее количество становится за доли секунд столь большим, что на поверхности остывших образцов наблюдаются локальные проплавы глубиной большей, чем исходная толщина слоя порошковой смеси. Исследование структуры и свойств спеченного слоя по всему погеречному сечению свидетельствуют о полном исчез-

новении карбидов вольфрама при толщинах спекаемой смеси до 200 м<м. Сравнение полученных структур с результатами исследований авторов работы [1], позволяют сделать предположение, что одной из причин растворения частиц \Л/С является взаимодействие Ре - УУС с образованием сложной эвтектики «А+(Ре,Щ6С». Микротвердость такой поверхности составляет -6600 МПа. Увеличение скорости нагрева до 1°С/с и уменьшение времени выдержки в жидком состоянии до нескольких секунд не позволило получить покрытие, содержащее карбиды вольфрама. Эксперименты по спеканию твердосплавной смеси между стальными пластинами позволили исключить стекание покрытия, однако в его структуре также не обнаружены частицы карбида вольфрама (рис. 1).

Рис. 1.

Поперечный шлиф многослойной композиции «сталь 111X15-шликерный осадок из порошковой

смеси WC-Co(3K8)» (толщина пластин - 2 мм; количество пластин - 2; толщина шликера - 50 мкм)

Использование в качестве основного материала высоколегированных сталей PGM0, Р18, 20Х23Н18 позволяет сформировать на поверхности слой, имеющий свойства твердого сплава при толщине спекаемого порошкового слоя не менее 0,5 мм и минимизации времени присутствия жидкой фазы. При увеличении толщины более 1 мм не удается удержать на поверхности образовавшуюся композицию с жидкой фазой. Увеличение времени спекания приводит к резкому уменьшению количества карбида вольфрама и снижению физико-механических свойств поверхностного слоя.

Проведена серия экспериментов по определению возможной толщины зоны взаимодействия компонентов твердосплавной смеси со стальной подложкой во время жидкофазного спекания. Твердосплавная порошковая смесь заполнялась в стакан из стали У8 (это исключало возможность вытекания образовавшейся жидкой фазы) и после ее уплотнёния подвергалась спеканию в вакуумной печи. Многократное повторение эксперимента при време-

№ 4 (25) 200^Ц 11

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

УПРОЧНЯЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ

ни стабильного существования жидкой фазы от 1 до 10 минут позволило оценить глубину взаимодействия компонентов покрытия и основного металла. Установлено, что при большом количестве твердосплавной смеси в поперечном сечении формируется как минимум три зоны:

- покрытие, содеэжащее карбиды вольфрама и железо-кобальтовую матрицу;

- переходная зоча, содержащая эвтектику, частицы сложного карбида Ре3\Л/3С и незначительное количество частиц карбида вольфрама;

- материал основного металла с измененной структурой.

Толщина переходной зоны не превышает 2 мм (рис. 2а).

В то же время на части образцов наблюдаются проплавы по дефектным зонам на глубин/ до 90 мм (рис. 26).

Проведенные исследования свидетельствуют о резком увеличении количества жидкой фазы после ее появления, что призодит к изменению геометрии по-крьмин и переходной зоны. Исключение возможности химического взаимодействия компонентов покрытия с материалом основного металла возможно засчет снижения температуры спекания до температур, находящихся ниже температуры активного взаимодействия между \Л/С и Ре. Для снижения температуры образования жидкой фазы рационально использование легирования матричного материала бором. Известно, что легирование вольфрамокобаль-товых твердых г.ппяяпя бором [2] приводит не только к снижению температуры появления жидкой фазы до 1102°С, но и к повышению эксплуатационных характеристик твердых сплавов. Так при борировании предварительно спеченных твердосплавных образцов при температурах 900-1100°С обнаружено, что начиная с температуэы 1100°С на поверхности образуе-ся эвтектика Со-Со2В.

Жидкофазное спекание сопровождается диффузией железа из основного материала в покрытие, что подтверждено результатами рентгеноспектрального микроанализа. При этом происходит взаимидейсшие бора и железа основного металла с образованием жидкой фазы при температурах выше 1149°С и 1175°С, соответственно в результате образуются эвтектики тРе+РеВ и у^е+РвгВ. Таким образом, наличие частиц бора в электрофоретичес-ком осадке способствует появлению жидкой фазы, начиная с 1102°С, что вызывает рост скорости взаимодиффузии компонентов покрытия и основного металла. В резуль-

тате оэиентировочных расчетов и экспериментальных исследований установлено оптимальное количество порошка бора аморфного, которое необходимо вводить в состав порошковой смеси для достижения хорошего качества твердого сплава на стальной поверхности. Так для порошковой смеси ВК15 необходимо введение 1,2 -1,8% бора от общей массы покрытия при условии минимизации времени спекания. Однако даже минимальное время спекания приводит к образованию переходной зоны толщиной не менее 1\2 толщины твердосплавного покрытия.

Второй путь снижения температуры спекания - изменение химического состава поверхностного слоя основного металла. Исследовано влияние предварительного бо-рирования основного металла на состав, структуру и свойства поверхностного слоя, сформированного жидкофаз-ным спеканием твердосплавной порошковой смеси. Установлено, что предварительное борирование поверхности стальных изделий позволяет управлять геометрией, составом и структурой упрочненного поверхностного слоя. Минимальная толщина переходной зоны может изменяться от 10 до 100 мкм в зависимости от режимов борирова-ния. При этом исключаются пэоплавы как на поверхности, так и в глубину основного металла. Технология, включающая предварительное борирование при температуре 800 - 900°С, нанесение электрофоретического осадка твердосплавной порошковой смеси толщиной 50...200 мкм, жидкофазное спекание при температуре 1175...1200°С и термическую оЬработку (закалка в угле-родоссдержащей среде при 850 ОС в масло с последующим отпуском при 300 ОС) позволяет создавать на стальных изделиях покрытия, имеющие свойства, близкие к свойствам спеченных твердых сплавов (микротвердость до 15000 МПа) и развитую переходную зону необходимой толщины. Прочность композиции в условиях растяжения достигает 820 МПа, а относительное удлинение до 7,5 %, разрушение поверхнос~ного слоя имеет когезион-ный характер.

Выводы:

1. Жидкофазное спекание вольфрамокобальтовых порошковых смесей на стальной поверхности приводит к образованию эвтектик «A+(Fe,W)6C» и переходной зоны толщиной до 2мм и проплавов по дефектам основного металла на глубину до 20 мм.

2. Формирование твердосплавных покрытий жидкофаз-ным спеканием вольфрамокобальтовых порошковых смесей на стальной поверхности о развитой переходной зоной без образования хрупких сложных карбидов возможно:

- при изменении химического состава матричного материала спекаемой вольфрамокобальтовой порошковой смеси введением в ее состав порошкового бора;

- при изменении химического состава поверхностного слоя основного металла предварительным борированием.

Литература

1. Ю.Н. Таран, Л.И. Иванов, Л.Д. Мошкевич. Морфология эвтектики в Ре-\Л/-С сплавах.- М., Машиностроение -1972,-79 с.

2. Хансен М., Андреко К. Структура двойных сплавов. / Под ред. И.И. Новикова, И.Л. Рогельберга. -М.: Металлург-издат.- 1962. - 1488 с.

б)

Рис. 2. Поперечньй шлиф поверхностного слоя пссле спекания порошковой смеси ВК8 ь ыальном стакане в присутствии хидкой фазы:

а) - три зоны поверхностного слоя

(покрытие вверху);

б) - проплав жидкой фазы насквозь через основание стального стакана

12 № 4 (25) 2004