CC BY
191
УДК 669.018.25:621.78
Богодухов С.И.1, Килов А.С.1, Шеин Е.А.1, Ясаков А.С.1, Хайбуллин Р.Р.2
1Оренбургский государственный университет 2Оренбургский государственный аграрный университет E-mail: ogu@mailgate.ru
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
Исследовано влияние термической обработки на структуру и свойства твердых сплавов. Установлена возможность уменьшения величины износа режущего инструмента путем варьирования режимов термической обработки.
Ключевые слова: Твердый сплав, термическая обработка, свойства, структура.
Твердые сплавы в основном применяют при изготовлении различного инструмента для обработки резанием (металлов, неметаллических материалов и горных пород) и деформирующего инструмента (волоки, пресс-форма, штампы). Среди спеченных твердых сплавов основную группу составляют сплавы на основе карбида вольфрама (ВК) и карбидов вольфрама и титана (ТК). Основными эксплуатационными характеристиками, определяющими режим работы твердосплавного инструмента, являются твердость, износостойкость и прочность при изгибе.
Эксплуатационные характеристики сплава во многом зависят от структуры, фазового состава, размеров блоков кристаллической решетки, величины микронапряжений и т.д. Методами повышения физико-механических свойств твердосплавных пластин на заводах-изготови-телях в основном являются совершенствование технологии изготовления, в том числе получение мелкозернистых сплавов и микролегирование, а также вакуумное нанесение ионно-плазменных покрытий сложного состава, что позволяет повысить стойкость инструмента от 1,5 до 2 раз [1]. Стойкость инструмента также может быть изменена путем дополнительной термической обработки [2]. Целью работы является исследование влияния различных факторов при термообработке твердых сплавов на их эксплуатационные свойства. Варьируя режимы термической обработки, получаем возможность изменять (увеличивать либо снижать) стойкость режущего инструмента.
Для исследования влияния температуры и скорости нагрева и охлаждения на эксплуатационные свойства твердых сплавов, термическую обработку проводили с использованием различных способов нагрева (нагрев в соляных
ваннах, нагрев в среде водорода, ТВЧ, с применением лазерного излучения).
При термической обработке с нагревом ТВЧ (скорость нагрева от 30 до 40 град/сек.) применяли установку нагрева токами высокой частоты ВЧГ 63/044-3П-Л01. В качестве защитной атмосферы, для предотвращения окисления и обезуглероживания поверхности сплава термообработку проводили в среде аргона.
Термическая обработка с высокой скоростью нагрева твердого сплава проводили в соляных ваннах С-35. Образцы помещали в ванну и нагревали до температур 850, 1000 и 1150 оС и выдерживали при нужной температуре в течение 4 минут. Изотермическую закалку проводили при температурах охлаждающей среды 200, 350 и 500 оС с выдержкой 5, 10 либо 15 минут с последующим охлаждением на воздухе.
Термическую обработку поверхности твердого сплава со сверхвысокой скоростью нагрева (105 - 106 град/сек) и охлаждения проводили на лазерной установке импульсного действия по следующим технологическим режимам: плотность энергии обработки от 0,5 до 3,5 Дж/мм2, коэффициент перекрытия пятна от 0 до 0,6.
После проведения термической обработки твердого сплава определяли микроструктуру, параметры тонкой структуры, механические свойства, а также проводили стойкостные испытания твердосплавных пластин резанием.
Измерение микротвёрдости проводили с помощью микротвердомера ПМТ-3. Топографию поверхности образцов определяли с помощью растрового электронного микроскопа ^ОЬ ^М-Т20. Металлографический анализ проводили на микроскопах МИМ-10 и Альтами МЕТ 3. При проведении рентгеноструктурного и фазового анализа использовали дифрактометр ДРОН-УМ1 и минидифрактометр МД-10. Оп-
а) б)
Рисунок 1. Внешний вид твердосплавных штабиков (а) и пластин (б)
Таблица 1. Условия и результаты опытов по изотермической обработке твердого сплава Т15К6
Температура нагрева под закалку, 0с Температура изотермической выдержки, 0с Время изотермической выдержки, мин Твердость, HV Коэрцитивная сила Нс, Э Предел прочности при изгибе О и, МПа Износ по задней поверхности, Ьз, мм
1000 350 10
150 150 5
1150 500 15
850 200 5
Хі Х2 Хз=ХіХ2 Уі У2 Уз У4
+ + + 1628 155 1260 0,24
- + - 1594 139 1270 0,15
+ - - 1608 150 1430 0,17
- - + 1570 145 1340 0,18
0 0 0 1583 145 1430 0,14
исходные 1500 152 1200 0,17
ределение прочности на изгиб твердых сплавов проводили на универсальной разрывной машине ИР 5047-50 с погрешностью измерения ±1%. Оснастка применялась стандартная, изготовленная согласно ГОСТ 9391-80. Пластины в состоянии поставки и прошедшие термическую обработку подвергали стойкостным испытаниям на токарно-винторезном станке модели 16К20 при поперечном точении заготовок диаметром 200 мм из стали 45.
В качестве исходных материалов при проведении исследований использовали твердые сплавы группы ВК (ВК4, ВК8) и ТК (Т15К6, Т5К10), в виде штабиков и неперетачиваемых четырехгранных пластин (рисунок1).
При построении интерполяционной модели стойкости инструмента, упрочненного термической обработкой, эксперименты проводили по матрице полного факторного планирования второго порядка. При определении модели влияния изотермической обработки на свойства твердого сплава в качестве варьируемых факторов рассматривали температуру нагрева под закалку Тн з и температуру изотермической
Таблица 2. Матрица планирования и значение выходного параметра при изотермической закалке сплава ВК8
№ опыта Хс Х1 Х2 Х3 Выходной параметр Уэкс^ ^изг, МПа
1 +1 -1 -1 +1
2 +1 +1 -1 +1 1900
3 +1 -1 +1 +1 2150
4 +1 +1 +1 +1 2430
5 +1 -1 -1 -1 1960
6 +1 +1 -1 -1 1790
7 +1 -1 +1 -1 2070
8 +1 +1 +1 -1 2100
9 0 0 0 2030
закалки Тизз. В качестве функций отклика приняты твердость, предел прочности при изгибе, а также износ по задней поверхности. Матрица планирования и значения выходных параметров, полученных при реализации опытов, представлены в таблицах 1, 2.
Значения температур обработки (интервал температур нагрева под закалку 1000 - 1150 оС,
нагрев для отпуска - 450 оС), выбирали исходя из следующего. Нагрев твердого сплава ниже температуры 1000 оС не дает каких-либо изменений в структуре твердого сплава, а выше температуры 1150 оС проявляется тенденция разупрочнения твердого сплава. Охлаждение после нагрева ниже 450 оС, обусловлено аллотропическим переходом Р-Со имеющего гранецентрированную элементарную ячейку в а-Со имеющего гексагональную плотноупакованную элементарную ячейку, идентичную элементарной ячейке ШС. Переход а>Р происходит при 486 оС.
Сплав Т5К10 подвергали различным видам термической обработки. При этом температура нагрева под закалку составила 1000 ± 150 оС, температура изотермической выдержки 350 ± 150 °С. Время изотермической выдержки составляло 15 минут. Результаты испытания пластин приведены в таблице 3.
Уравнение регрессии по износостойкости имеет вид:
У2 = 0,4325 + 0,02Х1 -0,12X3 -0,0125ХХ -0,015Х3X4.
Анализ уравнения [3] показывает, что оно адекватно описывает процесс, а также то, что на износостойкость наибольшее влияние оказывает температура первой изотермической выдержки, и с ее повышение стойкость снижа-
ется. Анализ дифракционной картины и микроструктуры твердых сплавов, подвергнутых термической обработке по различным режимам позволяет сделать следующие выводы.
После спекания структурное состояние фазовых составляющих ШС и Со можно считать равновесным. Карбид вольфрама ШС представлен полным набором дифракционных линий, также как и Со. Наличие линий и соотношение их интенсивностей (рисунок 2) соответствует содержанию ШС и Со в исследуемом материале. Карбидная фаза сплавов характеризуется невысокой дисперсностью тонкой структуры при наличии небольших микронапряжений.
Фазовый состав после применения различных видов термической обработки практически не изменяется. Однако при этом заметно некоторое изменение параметров тонкой структуры сплава. Фрактографии излома твердого сплава Т15К6 исходного, без термообработки и после изотермической закалки показаны на рисунке 3. Наблюдается повышение дисперсности блоков и микронапряжений. Эти изменения дают основание предположить механизм влияния термической обработки на эксплуатационные характеристики сплава. Значения величины микронапряжений и размеров блоков моза-
Таблица 3. Результаты испытания образцов Т5К10 после различных видов термической обработки.
Вид обработки Исходный Отжиг Закалка с нагревом в электролите Закалка с нагревом твч
однократная двукратная трехкратная
отпуск отпуск отпуск отпуск
Твердость, НУ 1493 1238 1502 1377 1728 1529 1675 1604 1739 1584
Износ по задней поверхности, Ьз, мм 0,45 0,58 - 0,51 - 0,44 - 0,38 - 0,44
Износ по передней поверхности, Ьп, мм 0,59 0,67 - 0,62 - 0,57 - 0,53 - 0,63
а б
Рисунок 2. Дифрактограмма спеченного твердого сплава Т15К6 (а) и после изотермической закалки (б),
диапазон углов отражения 20 - 60 °20
ики фазы ШС, рассчитанные методом аппроксимации, представлены в таблице 4.
Лазерная термообработка оказывает неоднозначное влияние на эксплуатационные характеристики твердосплавных пластин (рисунок 4). Так плотность энергии обработки, обеспечивающая минимальный износ сплава ВК8, составляет 0,9 Дж/мм2, коэффициент перекрытия 0,5, диаметр пятна обработки 0,6 мм.
Таблица 4. Параметры тонкой структуры твердого сплава Т5К10
№ п/п Режим термообработки Н^ Да а Б -10-5
1 Спеченный 101 0,93
112 0,83
3 Закалка, отпуск 101 0,54
112 1,17
а)
б)
г)
а) Т - 1150 оС/4 мин, закалка в масло. х8800; б) Т - 1150 оС/4мин, закалка в масло.
Т - 200 °С"- 15 мин. х16600; в) Т - 1150 оС/4 мин, изотермическая закалка 350 оС - 10 мин. х10300;
отп 7/ н и V /■' £
г) исходный, без термообработки х8700 Рисунок 3. Фрактография излома твердого сплава Т15К6
Износ
Рисунок 4. Влияние плотности энергии обработки на износ
є, Дж/мм2
Однако при этом возможно образование дефектов, которые способствуют разрушению твердосплавной пластины. При значениях плотности энергии свыше 1,2 Дж/мм2 по всей зоне обработки наблюдаются микротрещины, распространяющиеся вглубь и по поверхности сплава из-за температурных напряжений (рисунок 5).
Проведенный рентгенофазовый анализ (рисунок 6) показывает, что в образцах из сплава ВК8 подвергнутого лазерной термообработке при значении плотности энергии до 0,9 Дж/ мм2 видимых изменений в фазовом составе не наблюдается. С повышением плотности энергии становится заметным выделение углерода в виде графита (рисунок 6), что позволяет оценить температуру не ниже 1300оС.
При точении твердыми сплавами, обработанными по режимам, обеспечивающим образование жидкой фазы, наблюдалось выкрашивание и образование трещин на поверхности сплава. Наилучшие результаты показали сплавы прошедшие предварительную обработку в расплаве соли ^03.
С точки зрения фазового анализа и эксплуатационных испытаний в зоне лазерного воздействия наиболее приемлемой является структура с минимальными отклонениями от исходного состояния (таблица 5). Плотность энергии лазерного излучения при этом составляет от 0,9 до 1,0 Дж/мм2.
Наряду с исследованием влияния термической обработки в расплавах солей на структуру и свойства твердого сплава ВК8 определяли влияние термоциклической обработки, характеризующейся более мягкими режимами. Проводился
. 11.11 . V. ,
I 1'Л. т
Рисунок 6. Дифрактограмма зоны лазерного воздействия сплава ВК8 диапазон углов отражения 20 - 70о
б
Рисунок 5. Сетка трещин на поверхности (а) и идущих вглубь (б) в зоне лазерной обработки сплава ВК8
пятикратный нагрев до температуры 1100 °С в течение 30 секунд с последующим естественным охлаждением в среде аргона. В результате проведенных исследований по опыту № 4 было получено увеличение абразивной износостойкости в 2,6 раза, напряжение изгиба увеличилась с 1500 МПа до 2300 МПа при уменьшении твердо-
Ж - ■(* и1# * и я- » .Тії ®ї-і)і4;-їзп5;є?<езйчї
їв
а) лазерная термообработка; б) термообработка ТВЧ, в) состояние поставки, г) изотермическая закалка Рисунок 7. Дифрактограмма твердого сплава ВК8.
Таблица 5. Условия и результаты термообработки твердого сплава ВК8
Режим обработки Свойства
Опыт № тнагр, •С Время нагр., сек тзак Среда зак. Предел прочности при изгибе Износостойкость Твердость
•С п ^ изг. ср, МПа а а ? ■ср. а, а„ ^ср, МПа а а
1 400* 1 1700 1590.0 1810.0 1,8 1,74 1,86 1400 1298,2 1501,8
2 1100 30 400* 2 аргон 1700 1590.0 1810.0 1,9 1,88 1,92 1300 1251,7 1348,3
3 400* 5 2300 2182,4 2431,6 2,6 2,46 2,74 1350 1254,7 1455,3
4 20 1600 1480.0 1720.0 1,0 0,96 1,04 1500 1437,7 1562,3
5 60 1 масло 1900 1787.5 2012.5 1,1 0,96 104 1500 1437,7 1562,3
6 100 1750 1641,4 1858,6 1,3 1,22 1,38 1500 1437,7 1562,3
7 Исходный образец 1500 1,0 1650
температура охлаждения; п - количество повторов термообработки; 8 - относительная абразивная износостойкость;
а,
а„
- доверительные интервалы выходных параметров, верхнии и нижнии уровни соответственно.
сти до 20 % по сравнению с исходным не термообработанным образцом. Установлено, что термоциклическая обработка твердых сплавов приводит к изменению фазового состава. Рентгенофазовый анализ указывает на присутствие большого количества а - Со с ГПУ типом решетки на поверхности твердого сплава и твердого ра-
Проанализировав полученные результаты, можно сделать вывод, что некоторые виды термообработки, такие как, закалка с нагревом в электролите и закалка в соляных ваннах, позволяют улучшить эксплуатационные характеристики твердосплавного инструмента.
7.04.2011
створа ШС в в - Со (рисунок 7).
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта по проекту № 2.1.2./1014 аналитической ведомственной целевой программы Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», руководитель профессор Богодухов С.И.
Список литературы:
1. Панов, В. С. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них / В.С. Панов, А.М. Чувилин, В.А. Фальковский. - М.: «МИСИС», 2004. - 464 с.
2. Лошак, М.Г. Упрочнение твердых сплавов / М.Г. Лошак, Л.И. Александрова. - Киев: Наукова думка, 1987. - 285с.
3. Богодухов С.И., Килов А.С., Козик Е.С., Шеин Е.А., Шейнин Б.М., Хайбуллин Р.Р. Повышение износостойкости сплава Т5К10 // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2010.- №10. - с.127 - 130.
4. Гарипов В. С. Повышение эффективности многослойных покрытий сложного состава на твердосплавном режущем инструменте : автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук: 05.16.01- Металловедение и термическая обработка металлов / В. С. Гарипов . - Оренбург : - 2006
Сведения об авторах:
Богодухов Станислав Иванович, заведующий кафедрой материаловедения и технологии материалов аэрокосмического института Оренбургского государственного университета, доктор технических наук, профессор Килов Александр Степанович, доцент кафедры материаловедения и технологии материалов аэрокосмического института Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук, доцент Шеин Евгений Александрович, старший преподаватель кафедры материаловедения и технологии материалов аэрокосмического института Оренбургского государственного университета,
кандидат технических наук Ясаков А.С., аспирант кафедры материаловедения и технологии материалов аэрокосмического института Оренбургского государственного университета 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, к. 1206а, тел. (3532) 372511, е-mail: ogu@mailgate.ru Хайбуллин Р.Р., старший преподаватель кафедры ремонта машин Оренбургского государственного аграрного университета, кандидат технических наук 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, тел. (3532) 775230
UDC 669.018.25:621.78
Bogoduhov S.I, Kilov A.S., Shein E.A., Yasakov A.S., Haibullin R.R.
INCREASE OF OPERATIONAL CHARACTERISTICS OF HARD ALLOYS BY HEAT TREATMENT
Influence of thermal processing on structure and property of firm alloys is investigated. Possibility of reduction of size of deterioration of the cutting tool by a variation of modes of thermal processing is established.
Bibliography:
1. Panov, V.S. Technology and properties of sintering hard alloys and products from them / V.S. Panov, A.M. Chuvilin, V.A. Falkovsky. - M.: «MISIS», 2004. - 464 c.
2. Loshak, M.G. Hardening of hard alloys / M.G. Loshak, L.I. Aleksandrova. - Kiev: Naukova dumka, 1987. - 285 c.
3. Bogoduhov S.I, Kilov A.S., Kosik E.S., Shein E.A., Sheinin B.M., Haibullin R.R. Increase of wear resistance of hard alloy T5K10 // The bulletin of the Orenburg state university. - 2010.- №10. - c.127 - 130.
4. Garipov V. S. Increase of efficiency of multilayered coverings of difficult structure on the cutting tool: 05.16.01 Metallurgical science and thermal processing of metals / V.S.Garipov. - Orenburg: - 2006
