Упрочнение поверхности твёрдого сплава ВК10КС при двухкомпонентном электровзрывномлегировании Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.793.74:669.018.25

УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ТВЁРДОГО СПЛАВА ВК10КС ПРИ ДВУХКОМПОНЕНТНОМ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОМЛЕГИРОВАНИИ

© 2012 Т.Н. Осколкова, Е.А. Будовских

Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк

Поступила в редакцию 16.03.2012

Проведено электровзрывное легирование поверхности твердого сплава ВК10КС титаном и титаном с навеской алмазной пудры. Показано, что обработка приводит к формированию структуры в поверхностном слое, состоящей из соединений ТЮ, (П, W)C, ^,ТГ)С1-Х и W2C. Шероховатость поверхности не превышает Ra=1,98 мкм, нанотвердость достигает 25000 МПа. Износостойкость, оцененная по глубине трека износа, повышается в 10 раз.

Ключевые слова: буровой и горно-режущий инструмент, карбидовольфрамовые твёрдые сплавы, поверхностное упрочнение, электровзрывное легирование

В настоящее время для увеличения долговечности твёрдосплавных пластин группы ВК применяют методы упрочнения, использующие концентрированные потоки энергии [1]. Один из методов такой обработки - электровзрывное легирование (ЭВЛ) [2]. Он заключается в формировании структуры и изменении свойств металлов и сплавов при импульсном воздействии на поверхность многофазной плазменной струёй, сформированной из продуктов электрического взрыва проводников. Ранее [3] было показано, что обработка твердого сплава ВК10КС с использованием электровзрыва углеграфитовых волокон или алюминиевой фольги с внесением в область взрыва навески частиц алмазной пудры позволяет повысить его поверхностную твердость. Вместе с тем, вклад в упрочнение частиц алмазной пудры остается не выясненным. Кроме того, представляет интерес изучить возможности ЭВЛ при упрочнении твердых сплавов с использованием других взрываемых проводников.

Цель настоящей работы: изучение структуры и свойств твердого сплава ВК10КС при электровзрывном легировании титаном и титаном с навеской алмазной пудры.

Твёрдые сплавы системы WC-Co остаются основным материалом при производстве различного инструмента. Так, сплавы ВК10 и ВК15, обладающие_высокой вязкостью, используют для волочильных, буровых и горно-режущих инструментов [4]. Их эксплуатационные свойства в основном определяются износостойкостью и прочностью. Одной из причин образования дефектов, возникающих в рабочем слое вставки из твёрдого сплава, является абразивное изнашивание

Осколкова Татаьяна Николаевна, кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой обработки металлов давлением и металловедения. Е-шаИ: О8ко1коуа@кш. ги

Будовских Евгений Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры физики. Е-шаИ: Ьи(оУ8МН_еа@ ркиуез. $[Ь$ш. ги

поверхности. В настоящей работе для исследования использованы твёрдосплавные пластины из сплава ВК10КС производства ОАО «Кировоградский завод твёрдых сплавов», выпускаемые по техническим условиям ТУ 48-19-367-83.

Работа импульсного плазменного ускорителя подробно описана в работах [2, 5]. Обработку проводили в режиме, при котором поглощаемая плотность мощности составляла 6,0 ГВт/м2. В качестве проводника использовали титановую фольгу массой 80 мг. Дополнительно в область взрыва была внесена порошковая навеска синтетической алмазной пудры АС2 массой 60 мг, которая могла создать на поверхности твёрдого сплава алмазное покрытие, учитывая очень короткое (10-4 с) время обработки. Выбор титана в качестве проводника основан на большой его склонности к карбидообразованию и формировании твёрдого соединения TiC.

Микрогеометрию поверхности после упрочнения изучали методом профилометрии на установке «Micro Measure 3D station». Глубину зоны плазменного воздействия и особенности структуры определяли с использованием сканирующего электронного микроскопа «Philips SEM 515». Изменение фазового состава поверхностных сло-ёв определяли с использованием рентгеновского дифрактометра ДРОН-2,0 в железном Ка- излучении. Наноиндентирование поверхности производили на приборе «Nano Hardness Tester» фирмы CSEM. Износостойкость твёрдого сплава до и после упрочнения определяли с помощью высокотемпературного трибометра «High Temperature Tribometer» этой же фирмы. Износ образцов определяли при комнатной температуре путем измерения глубины и площади сечения трека, образованного в результате действия неподвижного индентора на вращающийся образец при нагрузке 3 Н, числе оборотов 4000 и линейной скорости движения 2,5 см/с. В качестве инденто-ра использовали четырехгранную алмазную пирамиду. Износ образцов определяли по результатам 10 измерений.

слой с высокой концентрацией титана. Титан является сильным карбидообразующим элементом, поэтому углерод из расплава диффундирует к поверхности, где и происходит образование фаз ТЮ и СП, ')С. Кроме того, на дифракто-граммах наблюдаются пики, соответствующие монокарбиду дивольфрама '2С [7]. Можно предположить, что эта фаза образуется преимущественно в слое 2 из-за недостатка углерода, который диффундирует вверх и связывается с титаном. После ЭВЛ титаном с навеской алмазной пудры рентгеноструктурный анализ показал наличие на поверхности карбидов ТЮ, С,Т1)С1-х, монокарбида дивольфрама '2С (рис. 2б).

б)

Рис. 1. Микроструктура сплава ВК10КС после электровзрывного легирования титаном (а) и титаном с навеской алмазной пудры (б). Сканирующая электронная микроскопия во вторичных электронах

Сканирующая электронная микроскопия поперечных шлифов показала (рис. 1), что при ЭВЛ титаном на облучаемой поверхности формируется плохо травящийся сплошной слой 1 толщиной 3-4 мкм (рис. 1а). Под верхним слоем располагается слой 2 с мелкодисперсной структурой. В этом слое наблюдаются также отдельные частицы 'С с исходными размерами. Видимо, они были вынесены из глубины конвективными потоками расплава, образующимися при ЭВЛ [2]. Под ним располагается слой 3, в котором изменения структуры затрагивают только легкоплавкую кобальтовую связку и проявляются в уменьшении исходной пористости. Переход к материалу основы в слое 3 происходит без образования микротрещин. Общая глубина зоны плазменного воздействия составляет 40-50 мкм. Аналогичное строение по глубине имеет и зона плазменного воздействия при ЭВЛ титаном с навеской алмазной пудры (рис. 1б). Вместе с тем, толщина слоя 1 в этом случае существенно меньше - около 1 мкм, а слой 2 достигает толщины 15-20 мкм.

По результатам рентгеноструктурных исследований после ЭВЛ титаном слой 1 состоит из ТЮ и сложного карбида (Т1, ')С (рис. 2а). Это позволяет предложить следующий механизм его формирования. Поскольку плотность титана примерно в три раза ниже плотности твердого сплава [6], при взаимодействии с поверхностью расплава капельной компоненты продуктов взрыва титановой фольги они не проникают в расплав глубоко, а формируют вблизи поверхности

0,град

55 50

45

40 35 30 25

20

б)

Рис. 2. Дифрактограммы сплава ВК10КС после электровзрывного легирования титаном (а) и титаном с навеской алмазной пудры (б)

Вследствие того, что время импульса при ЭВЛ составляет 10-4 секунд можно было ожидать получение алмазного покрытия при конденсации на поверхности частиц алмазной пудры. Однако следов алмаза на поверхности твёрдого сплава не выявлено. Это можно объяснить следующим образом. По мнению авторов [8], с одной стороны, синтетические алмазы типа АС2 имеют большую склонность к графитизации под действием высоких температур и относительно длительной выдержке (более 15 минут), чем естественные алмазы. С другой стороны, по мнению авторов работы [9] присутствие титана и кобальта в твёрдом сплаве ускоряет процесс графитизации. Таким образом, на поверхности твёрдого сплава в результате обработки синтетический алмаз трансформируется в графит, который соединяется с титаном и образует карбиды ТЮ и (',Т1)С1-х.

Поскольку титан является сильным карби-дообразующим элементом, в первую очередь происходит синтез карбидов титана. При этом в некоторых местах слоя 2 происходит обеднение по углероду и в соответствии с диаграммой состояния '-С [7] происходит образование фаз

W2C + a-WC, которые выявляет рентгенострук-турный анализ.

Профилометрия показала, что шероховатость поверхности исходных образцов составляет Яа=1,32 мкм. При этом для готовых изделий, таких как буровые коронки и комбайновые резцы, оснащённых твёрдосплавными пластинами, допускается чистота обработки твёрдого сплава Иа=2,50 мкм. ЭВЛ титаном приводит к незначительному увеличению шероховатости поверхности, сохраняя её в пределах технических требований - Иа=1,98. Увеличение шероховатости после ЭВЛ можно связывать с радиальным течением расплава под действием неоднородного давления плазменной струи, а также с осаждением конденсированных частиц продуктов взрыва титановой фольги, которые располагаются в тылу струи, достигают облучаемой поверхности уже на стадии ее кристаллизации и растекаются на ней, формируя новый рельеф [2]. ЭВЛ твёрдого сплава титаном с алмазной пудрой приводит к снижению шероховатости до Яа=1,16 мкм. Это можно связывать с тем, что при ЭВЛ с использованием порошковых навесок подавляется радиальное течение расплава на поверхности.

Наноиндентирование показало увеличение твёрдости, измеренной со стороны облучённой поверхности, до значений 25000 МПа при ЭВЛ титаном и 24500 МПа после ЭВЛ титаном с алмазной пудрой. При этом полученные значения превосходят нанотвёрдость образцов в исходном состоянии в 2,0-2,5 раза. Испытания на износостойкость показали, что глубина трека износа составляет 58,0; 5,4 и 5,9 мкм, а площадь трека -12921, 373 и 448 мкм2 на образцах без обработки, после ЭВЛ титаном и после ЭВЛ титаном с алмазной пудрой соответственно. Увеличение износостойкости упрочнённых образцов связано с образованием на поверхности карбидов ТЮ, W2C, Т1)Сьх, которые имеют большую твёрдость, чем WC [10].

Выводы: ЭВЛ поверхности твердого сплава ВК10КС титаном и титаном с навеской алмазной пудры приводит к формированию зоны упрочнения, состоящей из поверхностного слоя,

включающего ТЮ и сложные карбиды (Т1, W)C и ^,Т1)С1-х, промежуточного слоя, содержащего W2C, и зоны термического влияния с измененным состоянием кобальтовой связующей. Шероховатость поверхности не превышает Яа=1,98 мкм. Нанотвердость поверхности достигает 25000 МПа. Износостойкость, оцененная по глубине трека износа, повышается в 10,7 раза, а по его площади - в 34,6 раза.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Тюрин, Ю.Н. Импульсно-плазменное модифицирование поверхности изделия из сплава WC + 20 % Со / Ю.Н. Тюрин, С.Н. Кульков, О.В. Колисниченко // Физ. инженерия поверхности. 2009. № 3. С. 262267.

2. Багаутдинов, А.Я. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов / А.Я. Багаутдинов, Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2007. 301 с.

3. Патент РФ 2413792 МПК С23С 14/32, С23С 14/48. Способ упрочнения поверхности вольфрамокобаль-тового твёрдосплавного инструмента / Т.Н. Оскол-кова, Е.А. Будовских; заявитель и патентообладатель Т.Н. Осколкова, Е.А. Будовских // № 2009134016/02; заявл. 10.09.2009; опубл. 10.03.2011, Бюл. № 7.

4. Евстратова, Н.Н. Материаловедение / Н.Н. Евст-ратова, В.Т. Компанеец, В.А. Сухарникова. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. 268 с.

5. Осколкова, Т.Н. Импульсная плазменная обработка поверхности сплава ВК10КС / Т.Н. Осколкова, Е.А. Будовских // МиТОМ. 2011. № 12. С. 38-41.

6. Арзамасов, Б.Н. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше. - М.: Машиностроение, 1990. 688 с.

7. Чапорова, И.Н. Структура спечённых твёрдых сплавов / И.Н. Чапорова, К.С. Чернявский. - М.: Металлургия, 1975. 248 с.

8. Поляков, В.П. Алмазы и сверхтвёрдые материалы / В.П. Поляков, А.В. Ножкина, Н.В. Чириков. - М: Металлургия, 1990. 327 с.

9. Ножкина, А.В. Влияние металлов на фазовые превращения алмаза в графит: Направления совершенствования технологических возможностей алмазных инструментов в процессе обработки // Сб. науч. тр. НИИмаш, 1982. С. 1.

10. Самсонов, Г.В. Тугоплавкие соединения / Г.В. Самсонов, И.М. Виницкий. - М.: Металлургия, 1976. 560 с.

HARDENING OF HARD ALLOY BK10KC SURFACE AT THE TWO-COMPONENT ELECTROEXPLOSIVE ALLOYING

© 2012 T.N. Oskolkova, E.A. Budovskikh Siberian State Industrial University, Novokuznetsk

The electroexplosive alloying of hard alloy surface by titanium and titanium with shot of diamond powder is carried out. It is shown that processing leads to formation the structure of surface layer, consisting of TiC (Ti, W) C, (W, Ti) C1-x and W2C. The roughness of a surface doesn't exceed of Ra=1,98 micron, nanohardness reaches 25000 MPa. The wear resistance estimated on the depth of wear track, increases in 10 times.

Key words: drilling and mining cutting instrument, WC hard alloys, surface hardening, electroexplosive alloying

Tatiana Oskolkova, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Deputy Head of the Department of Pressure Treatment of Metals and Physical Metallurgy. Е-mail: oskolkova@kuz.ru; Evgeniy Budovskikh, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Physics Department. Е-mail: budovskih_ea@phisycs.sibsiu.ru