CC BY
4Cfa ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ
СТРУКТУРНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ НАГРЕВЕ ЛОКАЛЬНЫХ ОБЪЕМОВ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДО ЖИДК0ФАЗН0Г0 СОСТОЯНИЯ'
В. Г. БУРОВ, профессор, канд. техн. наук, C.B. ВЕСЕЛОВ, аспирант, НГТУ, г. Новосибирск
Задача обеспечения поверхностным слоям изделий из конструкционных сталей физико-механических и эксплуатационных свойств вольфрамокобальтовых твердых сплавов при сохранении свойств основного металла была и остается актуальной. До сегодняшнего времени не существует технологии, которая позволяла бы разрешить все противоречия, диктуемые природой физико-химиче-ского взаимодействия компонентов спекаемой порошковой смепи г. материалом стальной основы. Прежде всего следует отметить, что качественные твердые сплавы \МС-Со формируются при выполнении жестких условий, лежащих в основе технологии изготовления изделий из них. Во-первых, должно быть обеспечено оптимальное соотношение между количеством вольфрама, кобальта и углерода (как связанного в карбиде, так и свободного), которое исключает сохранение после спекания хрупких двойных карбидов или свободного углерода в спеченном материале. Во-вторых, вахным ¡ребиванием является наличие каркаса из частиц карбида вольфрама, т.е. количество связки не должно превышать допустимой величины.
Указанные условия не могут быть выполнены полностью при спекании порошковой смеси на стальной основе, так как взаимодействие железа основы с частицами карбида вольфрама с образованием сложных карбидов происходит при темпераг/ре, которая существенно ниже температуры спекания твердых сплавов. При температуре появления жидкой фазы скорость диффузии железа из основы в спекаемое покрытие настолько вегика, что количество связки в твердосплавном слое возрастает в доли секунд. Это делает невозможным получение каркаса из частиц карбида вольфрама. Если можно допустить увеличение количества связки в твердом сплаве покрытия (формирование не каркасного, а матричного твердосплавного слоя), то наличие сложных карбидов в покрытии и особенно р переходной зоне недопустимо, так как приводит к резкому снижению прочностных характеристик и характеристик надежности полученного поверхностного слоя и всей композиции в целом.
Из технологических приемов, позволяющих управлять процессами взаимодействия компонентов формируемого покрытия и основы, наиболее эффективным представляется изменение химического состава матрицы покрытия. Легирующие компоненты, обеспечивающие темпера |уру формирования покрытия ниже температуры образования сложных карбидов, в сочетании с оптимизацией режимов спекания (наплавки) могут исключить образование сложных карбидов либо обеспечить условия их распада во время кристаллизации матрицы. Проведенные исследования показали, что одним из наиболее эффективных легирующих элементов является бор, который, образуя эвтектики как с кобальтом порошковой смеси, так и с железом основы, препятствует взаимо-
действию железа с карбидом вольфрама и образованию сложных двойных карбидов. Введение бора можно осуществить как в состав порошковой твердосплавной смеси [1], так и в поверхностный слой стальной основь [2]. Формирование твердосплавного слоя путем спекания порошковой композиции \VC-Co-B, содержащей частицы бора аморфного, сопровождается интенсивной диффузией железа из основы в покрытие и формированием переходной зоны, соизмеримой по толщине с твердосплавным слоем. Температурно-временной режим спекания поверхностного слоя существенно влияет на формирование структуры как самого покрытия, так и переходной зоны. При этом время смачивания частиц карбида вольфрама расплавом связки, а следовательно, и время формирования поверхностного слоя, составляет менее 10"2с. Увеличение времени существования жидкой фазы приводит к увеличению толщины переходной зоны и увеличению количества матричного материала.
Наиболее универсальным способом управления структурой формируемого слоя является введение бора в состав поверхностного слоя основного металла путем химико-термической обработки - борирования Спекание твердосплавной пороиковой смеси на бори-рованной стальной основе приводит к появлению жидкой фазы сначала в тонком поверхностном слое основного металла, а затем в объеме покрытия. Таким образом, количество бора, введенного в поверхностный слой основного металла, а также толщина борированного слоя в сочетании с режимами спекания позволяют управлять толщиной и структурой переходной зоны [2].
Существенными факторами, определяющими структуру и свойства поверхностных слоев стальных изделий с твердосплавными покрытиями, являются структура упрочняемого основного металла и исходная структура порошкового слоя, подвергаемая оплавлению на упрочняемой поверхности. Выяснено, что при оптимальных режимах спекания покрытий в вакуумной печи с радиационным нагревом распределение ^астиц карбидной фазы в матрице покрытия соответствует порядку их распределения в спекаемой порошковой композиции. Это означает, что местам скопления частиц кобальта (рис. 1) в сформированном порошковом слое соответствуют большие промежутки покрытия, содержащие уменьшенное количество частиц упрочняющей фазы (рис. 2).
Не менее важным фактором является исходная структура поверхностного слоя стали, упрочняемой покрытием. Наличие дефектов в стальном поверхностном слое приводит к образованию проплавов и неравномерности переходной зоны по толщине, по структуре и свойствам Использование источников энергии высокой концентрации позволяет улучшить структурную однородность спекаемого поверхностного слоя за счет интенсивного
1 Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»
26 №4(37)2007
КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
массопереноса внутри спекаемого слоя. Так как высокие скорости нагрева и охлаждения не позволяют развиваться диффузионным процессам, этот факт положительно сказывается на ограничении диффузии компонентов покрытия в основу. С другой стороны, ограничение диффузионных процессов в случае наличия грубой структуры может приводить к формированию дефектной структуры уже в самом материале основы, расположенном глубже переходной зоны между покрытием и основным металлом [3].
а б
Рис. 1. Морфология агрегатов частиц кобальта (а) и сканограмма в лучах СоКа (б) в нанесенной порошковой твердосплавной смеси \Л/С-Со
Химико-термическая обработка основного металла, предшествующая формированию покрытия, позволяет не толэко изменить химический состав поверхностного слоя, но и упорядочить его структуру, сделать ее более тонко?, равномерной по свойствам и составу. Сочетание химико-термической обработки основного металла с пластическим деформированием поверхностного слоя также способствует улучшению структуры спеченных покрытий.
Еще одним эффективным способом оптимизации структуры поверхностного слоя с твердосплавным покрытием является его локальное пластическое деформирование индентором, колеблющимся с ультразвуковой
частотой (технология УЗО). Локальность и интенсивность деформационного воздействия позволяют обрабатывать поверхностные слои на глубину до 200 мкм, упорядочивая их структуру. Неравномерность толщины матричных прослоек в спеченном электрофоретическом покрытии после спекания (рис. 2) снижается после УЗО (таблица). При этом совершенно отсутствуют прослойки, имеющие размеры более 10,7 мкм. Также улучшается и структура переходной зоны между покрытием и основным металлом.
Рис. 2. Фронтальный шлиф покрытия на основе порошковой " смеси WC-Co(BK15)+2%B после жидкофазного спекания на стали У10
Равномерность распределения толщины прослоек между частицами упрочняющей фазы
Интервалы межчастичных расстояний в спеченном твердосплавном покрытии на основе порошковой смеси ВК15 Среднеарифметическое значение тэлщины прослоек в интервале, мкм Частота наблюдаемых измерений (всего по 500 измерений)
До пластического деформирования После пластического деформирования До пластического деформирования После пластического деформирования
0,6... 1,8 0,9 0,8 314 388
1,9 ... 3,0 2,2 2,1 100 67
3,1 ...4,3 3,6 3,2 45 26
4,4... 5,5 5,0 4,8 21 11
5,6 ...6,8 6,0 6,0 10 3
6,9 ... 8,0 6,9 6,9 2 2
8,1 ...9,3 8,6 8,1 3 2
9,4 ...10,6 9,4 10,0 1 1
10,7 ...11,8 10,6 - 2 0
11,9...13,1 12,8 - 2 0
Список литературы
1. Буров В. Г. Физико-химическая совместимость \Л/С и Fe при жидкофазном спекании пороиковой смеси \Л/С-Со на стальной подложке/ В.Г. Буров, А.Г. Тюрин, И.Г. Шавелева. // «Актуальные прсблемы электронного приборостроения» АПЭП-2000: Тр.. V междунар. конф. (Новосибирск, 29 - 29 сент., 2000 г.) - Новосибирск: Изд-во НПГУ, 2000. - Т. 3. - С. 155-157.
2. Буров В.Г. Получение твердосплавных покрытий с пред-
варительной химико-термической обработкой основного металла/ В.Г. Буров, А." Тюрин, A.A. Батаев, C.B. Веселов, И.А. Батаев. //Ползуновский альманах. - Барнаул, 2004. - №4 - С. 120-122.
3. Батаев A.A. Особенности структурных превращений в сталях, обусловленные использованием источников высококонцентрированной энергии/ A.A. Батаев, И.А. Батаев, В.В. Иванцивскии, В.Г. Буров. //Обработка ме~аллов. - 2004. - № 4 (25) - С. 18-19.
№4(37)2007 27
