CC BY
4МАТЕРИАЛЫ
УДК 620.22
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ВЛИЯНИЕ РЕАКЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА И КОМПОНЕНТОВ НАПЛАВЛЯЕМОГО ПОКРЫТИЯ НА СТРУКТУРУ
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ1
В.Г. БУРОВ, профессор, канд. техн. наук, С.В. ВЕСЕЛОВ, ассистент, А.А. ДРОБЯЗ, аспирант, Д. С. ТЕРЕНТЬЕВ, аспирант, НГТУ, Новосибирск
Приводятся результаты исследования поведения системы «основной металл - твердосплавная вольфрамокобальто-вая порошковая смесь» при ее нагреве до температуры появления жидкой фазы. Установлено, что повышенная реакционная активность компонентов системы, как и исключение активности, приводит к формированию дефектной структуры оплавляемого поверхностного слоя.
The results of the investigation regarding the behavior of the system «base metal - hard alloyed tungsten-cobalt powder mixture» at heating to the temperature of the liquid phase are presented. It is established that both the increased reaction activity of the system components and cutting out activity lead to the faulted structure formation of the washed surface coating.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ОСНОВНОЙ МЕТАЛЛ, ПОРОШКОВАЯ СМЕСЬ, ОПЛАВЛЕНИЕ, ПЕРЕХОДНЫЙ СЛОЙ, СТРУКТУРА.
Нанесение на стальные изделия износостойких покрытий, обладающих свойствами вольфрамоко-бальтовых твердых сплавов и способных выдерживать динамические нагрузки, является сложнейшей технической задачей. Способность выдерживать динамические нагрузки может быть обеспечена формированием переходной зоны от покрытия к основному металлу. Формирование переходной зоны происходит при спекании порошковой твердосплавной смеси на поверхности стального изделия в присутствии жидкой фазы. Отсутствие жидкой фазы не приводит ни к формированию композиционного материала, ни к формированию переходного слоя. Появление жидкой фазы приводит к физико-химическому взаимодействию материала основы с компонентами порошковой смеси. При этом образуются сложные карбиды С Со, Ре)бС, отличающиеся низкими прочностными свойствами.
Образование сложных карбидов происходит при нагреве до температур, которые гораздо ниже температур плавления компонентов порошковой композиции. Для уточнения температур, при которых образуются сложные карбиды, проведен рентгенофазовый анализ смеси порошков а-железа (максимальный размер частиц 100 мкм при толщине 1.. .5 мкм) и твердосплавной порошковой смеси ВКб зернистостью 1.5 мкм после нагрева в вакууме. Анализ проводился на рентгеновском 9 - 9 дифрактометре АКЬ Х'ТЯА после
нагрева порошковой смеси в вакууме до температур 25 °С , 400 °С, 600 °С, 800 °С, 1000 °С, 1200 °С со скоростью 1.2 °С/мин и последующего охлаждения.
На рентгенограммах порошковой смеси, нагретой до температуры 600 °С, зафиксированы дифракционные пики, соответствующие Р-кобальту, а до температуры 800 °С - дифракционные пики, соответствующие карбиду М12С. Так как при этом отсутствуют рефлексы, соответствующие присутствию в порошковой смеси фаз а- и Р-кобальта, можно сделать вывод, что в карбиде М12С позиции атомов металла заняты вольфрамом, кобальтом и железом.
Рентгенограммы, полученные после охлаждения порошковой смеси, нагретой до 1000 °С, свидетельствуют о формировании более богатого углеродом хрупкого карбида М6С и о полном исчезновении на фазы '2С, которая присутствовала в исходной твердосплавной порошковой смеси. Повышение температуры нагрева до 1200 °С приводит к увеличению объемной доли карбида МбС и полному отсутствию фазы М12С.
Нагрев порошковой композиции «карбид вольфрама - кобальт» на поверхностях образцов из углеродистых сталей до температур появления жидкой фазы показал возможность, используя введение бора в состав порошковой смеси или в состав поверхностного слоя стали и управляя температурно-временными режимами спекания, обеспечить: сохранность карбидов
1 Работа выполнена при финансовой поддержке АВЦП 2009-2010
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
вольфрама, структуру твердого сплава, формирование развитой переходной зоны [1, 2]. При этом в покрытии и в переходной зоне присутствие сложных карбидов может быть исключено. Оптимизация режимов формирования покрытий с использованием боридов железа и кобальта не позволяет управлять количеством материала связки в формируемом покрытии.
Сложные карбиды типа М6С, содержащие железо, максимальное скопление которых наблюдается в переходной зоне, являются причиной низкой прочности переходного слоя между покрытием и основным металлом. Их образование связано с диффузионным взаимодействием карбида вольфрама и железа. С целью ограничения этого взаимодействия были проведены исследования по использованию промежуточных слоев между оплавляемой порошковой смесью и основным металлам.
Насыщение стального поверхностного слоя азотом до формирования твердосплавного покрытия путем оплавления порошковой смеси позволяет ограничить диффузионное взаимодействие частиц карбида вольфрама покрытия и железа основного металла. Насыщению азотом из газовой среды подвергались пластины стали 20 толщиной 3.. .5 мм с использованием различных режимов и различных технологий. Полученные поверхностные слои имели толщину содержащего азот слоя 0,5.1 мм, порядка 10 мкм поверхностного слоя состояли из сплошного слоя нитридов железа Ре4К и Ре3К. Под сплошным слоем нитридов располагаются игольчатые выделения Бе4К в насыщенном азотом а-железе, глубже от поверхности располагается слой насыщенного азотом а-железа, в котором концентрация азота не превышает 0,004 % по массе, что составляет его предельную растворимость в ОЦК решетке железа при комнатной температуре.
Температура появления жидкой фазы при оплавлении твердосплавных порошковых смесей на насыщенных азотом поверхностных слоях со сплошным слоем нитридов железа Ре4К и Ре3К соответствовала температуре спекания твердого сплава из этих смесей. При этом спеченное покрытие отслаивалось от стальной поверхности еще на стадии охлаждения без приложения внешних нагрузок. Это означает, что формирование покрытия с развитой переходной
МАТЕРИАЛЫ
зоной при полном исключении диффузионной и химической реакционной способности компонентов покрытия и основного металла не представляется возможным.
Нарушение непрерывности слоя нитридов железа путем механического удаления слоя толщиной 10 мкм показал, что азот, содержащийся в поверхностном слое стали, оказывает влияние на структуру поверхностного слоя, формируемого оплавлением твердосплавной порошковой смеси. Однако это влияние не исключает формирования сложных карбидов и исчезновения частиц карбида вольфрама.
Использование в качестве промежуточных слоев покрытий металлическим хромом изменяет характер взаимодействия компонентов покрытия и основного металла, но не исключает формирования сложных карбидов и исчезновения частиц карбида вольфрама.
Из проведенных экспериментальных исследований можно сделать вывод, что перспективными в качестве переходных слоев являются слои, отвечающие следующим требованиям:
- препятствуют диффузии углерода из частиц карбида вольфрама в основной металл;
- препятствуют диффузии железа из основного металла в оплавляемое покрытие;
- обеспечивают прочную связь между покрытием и переходным слоем за счет формирования между ними переходной зоны;
- обеспечивают прочную связь между переходным слоем и основным металлом за счет формирования между ними переходной зоны.
Список литературы
1. Буров В.Г., Батаев А.А. Особенности формирования твердосплавных покрытий в процессах жидкофазного спекания. - Обработка металлов. - 2004. - № 4 (25) - С.11-12.
2. Влияние режимов предварительной химико-термической обработки на свойства стали, упрочненной покрытием на основе порошковой смеси WC-Co / В. Г. Буров, А. А. Батаев, А. Г. Тюрин, С. В. Буров, С. В. Веселов, И. А. Батаев // Ползуновский вестник. - 2005. - № 2. Ч. 2. - С. 4-9.
Контактная информация для переписки Буров В.Г. - 630092, Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20
e-mail: wburov@yandex.ru
