CC BY
14
УДК 621.658.012.531
Канд. техн. наук Ю. Г. Чабак Приазовський державний техшчний ушверситет, м. Марiуполь
ВИКОРИСТАННЯ МЕТАЛ ОКЕРАМ1ЧНОГО ТВЕРДОГО СПЛАВУ ДЛЯ 1МПУЛЬСНО-ПЛАЗМОВОГО НАНЕСЕННЯ ЗНОСОСТ1ЙКИХ
ПОКРИТТ1В
Описано структуру I властивостг покриття, отриманого 1мпульсно-плазмовою обробкою 1з застосуванням складеного катода, до складу якого входить твердий сплав Т15К6. Покриття мае високу мгкротвердгсть (800-1100 НУ) I м1стить до 15 % карб1д1в вольфраму розм1ром до 25 мкм.
Ключовi слова: Iмпульсно-плазмова обробка, покриття, мгкроструктура, карб1ди вольфраму, тверд1сть.
Вступ
Нанесення захисних покритпв е одним iз основних напрямiв тдвищення довговiчностi деталей машин та шструменту. Для цього широко застосовують плазмовi технологи, до яких належить iмпульсно-плазмова обробка (1ПО). В роботах [1-3] пропонуеться використовува-ти для 1ПО елекIротермiчний аксiальний плазмовий при-скорювач (ЕАПП), який працюе в гидродинамiчному режимi та забезпечуе генерацiю плазми в атмосферi повiIря [4]. Формування покриття при 1ПО здшснюеть-ся за рахунок плазмового переносу матерiалу катоду, поверхневi шари якого випаровуються та розплавляють-ся пiд да ею iмпульсного електричного розряду в камерi плазмотрона. Автором ранiше було показано [1-3], що для утворення достатньо товстих захисних (триболопч-них) покритв доц1льно використовувати електроди, ви-готовлет зi сплаву, що вмiщуе карбщну (карбоборид-ну) евтектику та мае температуру плавлення не вище 1400 °С. Такими сплавами е бш легованi чавуни або шструментальт сталi ледебуритного класу. Завдяки зни-женiй температурi плавлення евтектики поверхня елек-трода оплавляеться достатньою мiрою, щоб утворити значний об'ем мжрокрапельно! фази, яка переноситься плазмовим потоком на поверхню деталь В результат при невеликий шлькосп iмпульсiв на поверхнi утво-рюеться щiльне покриття товщиною 100-150 мкм, яке може виконувати захиснi функци.
Влм, така технологiя потребуе застосування постплазмово! термiчно! обробки. Це обумовлено тим, що при електричному розряда в камерi плазмотрона температура тдвищуеться до 10 тис. °С, внаслвдок чого поверхня катода оплавляеться з повним розчиненням хiмiчних елеменпв у рiдинi. Формування покриття вщбуваеться за рахунок надшвидко! кристалiзацi! мiкрокапель на пiдложцi, в результат чого в покритт утворюеться пере-сичений твердий розчин (аустешт) за вiдсуIностi карбвд-них (боридних) фаз, якi не встигають утворитися шляхом вид1лення з рвдини. У такому станi покриття мае низьку тверд1сть та не забезпечуе достатньо! зносостшкост!
© Ю. Г. Чабак, 2017
Дослщженнями [5-6] встановлено, що для тдвищення опору зношуванню необхвдно забезпечити вид-шення карбiдних фаз iз твердого розчину шляхом про-ведення термiчно! обробки дЛЬиш iз досить довгою витримкою при високих температурах (вище 900 °С). В процесi на^ву та витримки термодинамiчно неста-бшьний твердий розчин розпадаеться iз видшенням карбiдiв (боридiв), що стимулюе подальше перетворен-ня аустенiту у мартенсит при охолодженш. В результатi рiзко пiдвищуеться твердiсть покриття та зростае його зносостшшсть. Втiм, проведения термiч-но! обробки не завжди е прийнятним. Оск1льки така тер-мообробка е об'емною, вона змiнюе структуру та вла-стивостi в об'емi деталi (iнструменту), що е неприпус-тимим, коли 1ПО проводиться на готових виробах.
Мета роботи - розробка методу отримання iмпуль-сно-плазмових покритв з високими властивостями без проведення постплазмово! термiчно! обробки.
Напрям дослiджень
Як альтернативний пiдхiд пропонуеться проводити 1ПО iз використанням ЕАПП, акаальний електрод якого виготовлений iз композицiйного електропровiдного матерiалу, що вмiщуе карбiди одного або шлькох ме-талiв групи (вольфрам, ванадш, молiбден, титан, тантал, цирконш, гафнiй) та металеву матрицю iз температурою плавлення не вище 1600 °С. В процесi електричного розряду в камерi плазмотрону поверхня катода не повинна оплавлятися повтстю, оплавлятися мае ильки металева матриця (зв'язка), при цьому карбвди повиннi залишатися бiльшою мiрою нерозплавленими. В такому випадку карбiди будуть переноситися плазмою на поверхню в нерозплавленому станi, це запобтатиме формуванню пересиченого твердого розчину в по-критт при 1ПО. Отримання карбщв в покритт безпосе-редньо в ходi 1ПО виключить необхiднiсть подальшо! постплазмово! термiчно! обробки.
Для реалiзацi! цього пiдходу акаальний електрод
ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В
повинен бути виготовлений методом порошково1 ме-талургл i3 композицiйного електропровщного матерiа-лу. Елекгропровiднiсть матерiалу необхщна для утво-рення електричного розряду в камерi ЕАПП. Техноло-пя виготовлення матерiалу забезпечить вiдсутнiсть у його структурi карбвдних евтектик, яю досить легко роз-чиняються при нагрiвi ( при цьому розчиняються i кар-бвди, що входять до складу евтектики). Карбвди у склада матерiалу повиннi мати тдвищену температуру плавления, що буде запобтати ïx iнтенсивному розплавлен-ню шд дieю електричного розряду. До таких ввдносять-ся карбiди перехвдних елемеитiв IV, V i VI груп, а саме: вольфраму, ванадш, молiбдену, титану, танталу, цирко-нш, гафнiю. Карбiди цих елемеитiв мають високу температуру плавлення, що перевищуе 2,5 тис. °С, а саме: WC - 2870 °C, VC - 2810 C, MoC - 2800 °C, TiC - 3260 °С, TaC - 3880 °C, ZrC - 3532 °C, HfC - 3900 °C [7]. Викорис-тання цих тугоплавких карбщв забезпечить реалiзацiю пропонованого способу 1ПО. Застосування карбiдiв iншиx карбщоутворювальних елемеитiв (залiза, хрому, марганцю) не е ефективним з огляду на понижену температуру ï\ плавлення: Cr7C3 - 1780 °C, Cr3C2 - 1810 °C, Cr23C6 - 1500 °C, Fe3C - 1600 °C, Mn3C - 1520 °С. Розчи-нення карбiдiв залiза, марганцю, хрому при 1ПО при-зведе до утворення пересиченого твердого розчину в покрит, що викликае необxiднiсть проведення додат-ково1 термiчноï обробки.
На ввдмшу вiд карбiдiв, металева матриця (зв'язка) повинна мати знижену температуру плавлення. Це дае змогу досить легко оплавити поверхню катода i штен-сифiкувати плазмовий перенос у вигляда мшрокрапель-но1 фракцiï, що необхщно для утворення захисного по-криття достатньо1 товщини. З цiею метою слщ вибира-ти металеву зв'язку зi зниженою температурою плавлення. Цш умовi вiдповiдае використання як зв'яз-ки таких металiв, як, мщь (температура плавлення 1085 °С), залiзо (1539 °С), кобальт (1495 °С), нiкель (1455 °С), сплавiв Ni-Mo та Ni-Cr (не менше 50 мас. % ткелю) (1360-1455 °С) тощо.
Методика експерименту
Експериментальну перевiрку викладеного пiдxоду здiйснювали шляхом iмпульсно-плазмового нанесення покриття iз використанням електротермiчного плазмо-вого прискорювача, електричну схему якого наведено на рис. 1 [8]. ЕАПП складаеться iз трубчастого розряд-ника (РА), катода (А), анода (В), - емшсного накопичу-вача енергiï (С1, 10 мкФ), емшсного накопичувача «спускового» пристрою (С2), накопичувача блокування (С3), - котушка нелiнiйноï iидуктивностi (L), трансформатора (PT), юкрового зазору (CSG). Акаальним елек-тродом слугував стрижень розмiрами 4x5x40 мм, виготовлений зi спеченого твердого сплаву Т15К6 номь нального складу: WC - 79 об. %; TiC - 15 об. %; кобальтова зв'язка - 6 об. %. Твердосплавний стрижень було завальковано у сталевий стрижень iз низьковугле-цево1 сталi, який крiпився у вихвдному отворi розрядни-
ка. 1ПО проводили за таких параметрiв: напруга розряду - 4,0 кВ, сила струму - 10 кА, к1льк1сть iмпульсiв - до 10. Покриття наносили на зразки сталi 75Г (0,75 % С, 0,91 % Mn, 0,28 % Si) розмiрами 10x 10x25 мм.
Рис. 1. Електрична схема тдключення ЕАПП [8]
М1кроструктуру покриття дослвджували в поперечному перетиш за допомогою оптичного мжроскопа Axiovert 40 MAT (Carl Zeiss). Твердеть покриття вимь рювали при навантаженш 20 г на м1кротвердом1р1 FM-300 (Future-Tech Corp.).
Експериментальна частина та анаМз отриманих результата
Мжроструктуру сталево1 поверхш шсля 1ПО представлено на рис. 2, 3. Шсля од кратно1 обробки на поверхш сформувався модиф1кований шар товщиною 2531 мкм, який в1др1знявся бшьш свплою будовою ввд пер-л1тно1 структури основи (рис. 2). М1кротверд1сть модиф1коваиого шару становить 785-880 HV, що вказуе на мартенситну природу його будови. Утворення мо-дифжованого шару вщбулося внаслщок загартування поверхш за рахунок нагр1ву плазмовим 1мпульсом [4]. Товщина шару ввдповщае глибиш прогр1ву поверхш до температури аустештно1 обласп. Утворення покриття на поверхш модифжованого шару при однократнш обробш не спостер1галося.
Рис. 2. Макроструктура поверхиi пiсля однократно'!' обробки
Анал1з рис. 3 вказуе на те, що шсля 10 1мпульав 1з зовнiшньоï' сторони модифжованого шару сформува-лось покриття змшно1 товщини (33-72 мкм). Модифь кований шар змшив кол1р; тепер вш виглядае як темна смуга, що вир1зняеться на фош бшьш свилого покриття. Покриття не е однорвдним, у його межах зафжсова-но наявшсть окремих зернистих часток карбщу WC
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2017
59
i3 середшм po3MipoM в межах 1-10 мкм. Бшьштсть кар-бiдних часток мають округлу форму (рис. 3а), але й наявш бiльш велик! включення (до 25 мкм) з частково кутастою формою, бшьш характерною для спеченого твердого сплаву (рис. 3б). Можна вважати, що округ-лення кутастих часток вщбулося внаслiдок !х частково-го оплавления тд час переносення плазмовим потоком на поверхню зразка.
Рис. 3. Мжроструктура поверхш июля 10 1мпульс1в: а - загальний вигляд; б - карбщи вольфраму в покритп
Замiри мiкротвердостi показали, що внаслвдок 10 iмпульсiв вщбулося пом'якшения модифiкованого шару до 520-600 HV, що пов'язано з процесами ввдпус-ку при повторному на^ванш поверхнi плазмовими iмпульсами. Натомiсть на поверхш виникло покриття iз твердютю в межах 800-950 HV. У мюцях залягання карбiдiв вольфраму мжротвердкть була пiдвищена до 1050-1100 HV (вимiряти мiкротвердiсть самих карбщв не вдалося внаслвдок !х малого розмiру). Висока твердiсть покриття свщчить про те, що воно мае структуру високовуглецевого мартенситу. Таку структуру було досягнуто незважаючи на те, що у формуванш покриття брав участь катод, який частково складався iз двох частин -твердого сплаву Т15К6 та низьковуглеце-во! сталi. Можна припустити, що при 1ПО ввдбулося на-сичення плазми атомами вуглецю, який було вив№не-но внаслвдок ерози паперово-бакелiтових спнок розряд-ника пiд дiею високострумового електричного розряду в камерi прискорювача [1]. Вуглець розчинився в залiзi, що пiсля надшвидко! кристалiзацi! покриття призвело до утворення твердого мартенситу.
Отриманi результати показали можливють формування iмпульсно-плазмового покриття iз карбiдами вольфраму без проведення додатково! пост-плазмово! термiчно! обробки. Тобто показано перспектившсть
використання твердих композицiйних сплавiв як катода для нанесення iмпульсно-плазмових покриттiв. Влм, аиалiз мiкроструктури покриття показав, що об' емна час-тка карбщв вольфраму не перевищуе 15 об. %, що е недо-статнiм з огляду на необхiднiсть забезпечення високо! знососпйкосп покриття. Причиною знижено! кiлькостi карбщних включень можуть бути: а) випаровування (розчинення) бiльшостi часток внаслiдок високо! тем-ператури в розряднiй камерц б) недостатня ерозiя катоду внаслщок змiщення електричного розряду на стале-ву частину катода (пов'язаного iз рiзницею в електрич-ному опорi рiзнорiдних складових катода). I якщо перша причина може бути викликана занадто високою тепловою потужшстю плазмового струменю, то друга може полягати в конструктивних недолшах скла-дового катода «сталь/Т15К6». Таким чином, конструк-цiя катода та режим 1ПО потребують отгашзащ! в ходi подальших досл1джень.
Висновки
Застосуваиням електротермiчного аксiального плазмового прискорювача з комбшованим катодом, до складу якого входить металокерамiчний твердий сплав Т15К6, отримано iмпульсно-плазмове покриття на сталi 75Г товщиною 33-72 мкм iз тверд1стю 800-1100 HV По-криття мае структуру високовуглецевого мартенситу, в якому розподiлено округлi включення карбiду вольфраму розмiром до 25 мкм. Формування мартенсито-карбiдно! структури покриття вiдбувалося безпосеред-ньо при iмпульсно-плазмовiй обробцi та не потребува-ло проведення пост-плазмово! термiчно! обробки.
Стаття пiдготовлена за фшансово! пiдтримки Мiнiстерства освiти i науки Укра!ни в рамках держбюд-жетного проекту 0117U002270.
Список лтгератури
1. Pulsed Plasma Deposition of Fe-C-Cr-W Coating on High-Cr-cast iron: Effect of Layered Morphology and Heat Treatment on the Microstructure and Hardness / V.G. Efremenko, Yu.G. Chabak, A. Lekatou end etc. // Surface Coating Technology. - 2016. - Vol. 304. - P. 93-305.
2. Phase-Structural Composition of Coating Obtained by Pulsed Plasma Treatment Using Eroded Cathode of T1 High Speed Steel / Yu.G. Chabak, VI. Fedun, K. Shimizu end etc. // Problems of Atomic Science and Technology, Ser.: Plasma Phys. - 2016. - Vol. 4 (102). - P. 102-106.
3. Features of Formation of Microstructure, Elemental and Phase Compositions, and Properties of the 1.7%C - 14%Cr -3%Mn - 3%Si - 1%Ni - 0.6%V - 1.2%B Steel under Casting and Pulsed Plasma Deposition / Yu.G. Chabak, T.V. Pastukhova, V.G. Efremenko end etc. // Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. - 2017. - Vol. 39. - P. 491-505.
4. Modification of steel surface by pulsed plasma heating / Yu. G. Chabak, V. I. Fedun, T. V. Pastukhova end etc. // Problems of Atomic Science and Technology, Ser.: Plasma Phys.- 2017. -№4 (110). - P. 7-102.
5. The Post-Deposition Heat Treatment of Codeposited &3C2 and AISI 410 Stainless Steel Using the Coaxial Laser
ТЕХНОЛОГИ' ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В
Deposition Technique / M. Fenech, B. Mallia, M. Grech end etc. // Journal of Materials Science. - 2013. - Vol. 48. -P. 2224-2235.
6. Микроструктура хромо-ванадистого чугуна, формирующаяся при плазменной обработке поверхности и последующей термической обработке / / Ефременко В .Г., Чабак Ю.Г., Пастухова Т.В. и др. // Вюник Приазовсь-кого державного техшчного ушверситету. - 2016. - Вип. 33. - С. 50-58.
7. Конструкционные материалы: Справочник / Б. Н. Ар-замасов, В. А. Брострем, Н. А. Буше и др. - М. : Машиностроение, 1990. - 688 с.
8. The Use of a Magnetic Switch for Commutation of High-Current Pulse Circuits / Yu. E. Kolyada, I Fedun, I N. Onishchenko, E.A. Kornilov // Instruments and Experimental Techniques. -2001. - Vol. 44 (2). - Р. 213-214.
Одержано 15.12.2017
Чабак Ю.Г. Использование металлокерамического твердого сплава для импульсно-плазменного нанесения износостойких покрытий
Описаны структура и свойства покрытия, полученного импульсно-плазменной обработкой с применением катода, в состав которого входит твердый сплав Т15К6. Покрытие имеет высокую микротвердость (8001100 HV) и содержит до 15 % карбидов вольфрама размером до 25 мкм.
Ключевые слова: импульсно-плазменная обработка, покрытие, микроструктура, карбиды вольфрама, твердость
Chabak Yu. Use of metal-ceramic cemented carbide alloy for pulse-plasma deposition of wear-resistant coatings
The structure and properties of the coating obtained by pulsed-plasma treatment using a composite cathode, which includes the cemented carbide alloy T15K6, are described. The coating has a higher microhardness (8001100 HV) and contains up to 15% tungsten carbides of size up to 25 мm.
Key words: pulse-plasma treatment, coating, microstructure, tungsten carbide, hardness.
ISSN 1607-6885 Hoвi матерiали i технологи в металургп та машинобудуванш №2, 2017 61
