CC BY
11ВОЛЬФРАМОВЫЕ ПОКРЫТИЯ СПЕЧЕННЫЕ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫМ
СПЕКАНИЕМ
Шоирджан Ахралович Каримов Санжар Мирзасултон ртли Абдураимов
ТашГТУ ТашГТУ
АННОТАЦИЯ
В статье рассматривается возможность формирования покрытий из твердосплавных композиционных порошковых систем с помощью электроконтактного спекания. Показаны причины, влияющие на технологичность композиционных твердосплавных покрытий. Установлено, что долговечность покрытий обеспечивается одновременным увеличением его прочности и пластичности при контактных слоях и определяется степенью растворения связующей фазы за счет дополнительного легирования связки с вольфрамом и титаном.
Ключовые слова: покрытия, твердый сплав, вольфрам карбид, электроконтакные спекания, деформация.
ELECTRIC SINTERED TUNGSTEN COATINGS
ABSTRACT
In article possibility of formation of coverings from твердосплавных composite powder systems by means of electro contact sintering is considered. The reasons influencing on adaptability to manufacture composite cemented carbide of coverings are considered. Is established, that the durability of coverings is provided with simultaneous increase of his(its) durability and plasticity in at contact layers and is defined(determined) by a degree of dissolution of a binding phase at the expense of additional alloying bundle tungsten and titanium.
Keywords: coatings, hard alloy, tungsten carbide, electrical contact sintering, deformation.
ВЕДЕНИЕ
Износостойкие покрытия широко используются в машиностроении как средство повышения эксплуатационной надежности пар трения и работоспособности металлорежущего инструмента. Роль износостойких покрытий в триботехнических процессах объясняется экранирующей способностью, блокирующей прямой фрикционный контакт материалов; высокой степенью стехиометрии, обеспечивающей слабое адгезионное взаимодействие и низкий коэффициент трения; высокой твердостью и прочностью самого
материала покрытия [1; 2]. Положительная роль износостойкого покрытия проявляется не только в период его существования как физического самостоятельного объекта, но и после его разрушения. Известно, что при эксплуатации режущего инструмента износостойкие покрытия на рабочих поверхностях исчезают после 5... 10 мин резания, а стойкость инструмента при этом повышается более чем в два раза и по времени составляет 1,5...3,0 ч.
Большинство технологий нанесения износостойких покрытий создает на поверхности композиционную структуру с высокими антифрикционными или прочностными свойствами [5]. Развитие покрытия начинается с активных зон осаждения материала, в которых образуются «островки», а затем по мере их роста формируется сплошной слой. Многие процессы нанесения покрытий предусматривают только развитие «островков» и образование покрытия с разной степенью нарушения сплошности. При нанесении покрытий электроискровым легированием и электроимпульсным припеканием порошковых материалов нарушение сплошности возникает за счет дискретности самих физических процессов массопереноса и импульсного воздействия, лежащих в основе этих технологий [6]. При нанесении карбидных и нит- ридных покрытий методом КИБ на стальную поверхность первичными центрами осаждения являются цементитная сетка и карбиды, расположенные в мартенситной матрице [7; 8]. Первичными центрами осаждения гальванических покрытий являются микролокальные зоны с повышенным катодным потенциалом и вершины микронеровностей [9].
Значительное повышение работоспособности многих видов изделий достигается путем нанесения на их поверхности покрытий на основе соединений вольфрама и титана. Применение таких покрытий позволяет не только увеличить износостойкость изделий и инструментов в 1.5...3 раза, но и сконструировать принципиально новые виды инструментов и узлов трения.
В отличие от других видов и способов нанесения покрытий, электроконтактное спекание позволяет сформировать непосредственно в процессе работы рабочий слой толщиной 0.5...1.5 мм. Таким образом получаемые покрытия являются уже не составной частью поверхности изделия улучшая её свойства, а работают как самостоятельное тело, воспринимая всю нагрузку.
ЛИТЕРАТУРА И МЕТОДОЛОГИЯ
Износостойкие покрытия широко используются в машиностроении как средство повышения эксплуатационной надежности пар трения и работоспособности металлорежущего инструмента. Роль износостойких покрытий в триботехнических процессах объясняется экранирующей способностью, блокирующей прямой фрикционный контакт материалов; высокой
степенью стехиометрии, обеспечивающей слабое адгезионное взаимодействие и низкий коэффициент трения; высокой твердостью и прочностью самого материала покрытия [1; 2]. Положительная роль износостойкого покрытия проявляется не только в период его существования как физического самостоятельного объекта, но и после его разрушения. Известно, что при эксплуатации режущего инструмента износостойкие покрытия на рабочих поверхностях исчезают после 5... 10 мин резания, а стойкость инструмента при этом повышается более чем в два раза и по времени составляет 1,5...3,0 ч.
Большинство технологий нанесения износостойких покрытий создает на поверхности композиционную структуру с высокими антифрикционными или прочностными свойствами [3]. Развитие покрытия начинается с активных зон осаждения материала, в которых образуются «островки», а затем по мере их роста формируется сплошной слой. Многие процессы нанесения покрытий предусматривают только развитие «островков» и образование покрытия с разной степенью нарушения сплошности. При нанесении покрытий электроискровым легированием и электроимпульсным припеканием порошковых материалов нарушение сплошности возникает за счет дискретности самих физических процессов массопереноса и импульсного воздействия, лежащих в основе этих технологий [4]. При нанесении карбидных и нит- ридных покрытий методом КИБ на стальную поверхность первичными центрами осаждения являются цементитная сетка и карбиды, расположенные в мартенситной матрице [1; 2]. Первичными центрами осаждения гальванических покрытий являются микролокальные зоны с повышенным катодным потенциалом и вершины микронеровностей [4].
ОБСУЖДЕНИЕ
Значительное повышение работоспособности многих видов изделий достигается путем нанесения на их поверхности покрытий на основе соединений вольфрама и титана. Применение таких покрытий позволяет не только увеличить износостойкость изделий и инструментов в 1.5...3 раза, но и сконструировать принципиально новые виды инструментов и узлов трения.
В отличие от других видов и способов нанесения покрытий, электроконтактное спекание позволяет сформировать непосредственно в процессе работы рабочий слой толщиной 0.5...1.5 мм. Таким образом получаемые покрытия являются уже не составной частью поверхности изделия улучшая её свойства, а работают как самостоятельное тело, воспринимая всю нагрузку.
Таблица 1
Физико-механические свойства твердосплавных покрытий.
Марка сплава покрытия Предел прочности при изгибе а изг МПа Предел прочности при сжатии а сж МПа Твердость HV, Мпа.
ВК6 1250/1600 4800/5500 11600/14300
ВК15 1370/1800 3200/3625 9010/11280
ТН20 1230/1875 3470/3640 8730/9120
В знаменателе - данные для сплавов с промежуточными покрытиями.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты определения комплекса механических свойств твердосплавных покрытий (табл. 1) и (рис.1) позволяют отметить, что многослойные промежуточные покрытия, полученные электроконтактным спеканием, повышают одновременно их прочность и вязкость: предел прочности при изгибе -до 15 %, ударную вязкость - до 30 % предел прочности при сжатии и твердость -до 5 %.
а) б)
Рис 1. Зависимость осевого (а) и напряжения на сдвиг (а) (б) от величины остаточной деформации при сжатии твердосплавных образцов:
1- без покрытия, 2- с промежуточным покрытием Си - N1.
Теплофизический анализ системы образец- покрытие при применении электроконтактного нагрева позволяет предположить, что в отличии, например,
от плазменного метода или сварки поверхность изделия нагревается сильнее, чем материал покрытия. Теплота выделяется главным образом в местах контакта зерен карбида вольфрама с поверхностью образца. Для надежного протекания процесса в этом случае требуется определенный зазор между электродом и деталью, который обеспечивается практически шероховатой поверхностью ролика. Таким образом, первоначально эффект от введения тока в систему состоит в резком, скачкообразном повышении температуры поверхностного слоя детали и одновременном механическом внедрении частиц карбида вольфрама. Анализ диффузионной зоны показывает, что ярко выраженная текстура наблюдается только со стороны покрытия. На поверхности образца не обнаружено заметных зон деформации, а следовательно тепловой режим позволяет формировать покрытие на готовых к работе сложно профильных деталях и инструментах без дальнейшей их дополнительной механической обработки.
Разрыв адгезионных связей за счет касательных напряжений, параллельных вектору скорости скольжения, способствует образованию поверхностных микротрещин впереди и позади зоны схватывания. Микротрещины, образованные позади зоны схватывания, ориентируются преимущественно перпендикулярно скорости скольжения, так как формируются за счет растяжения верхних уровней. Микротрещины, возникающие впереди зоны схватывания, ориентируются преимущественно под углом п/4 к вектору скорости скольжения, так как причиной их появления является сжатие поверхностных слоев. Если граница расслоения близка к поверхности трения, то могут образовываться микротрещины под поверхностью трения за счет наползания одного слоя на другой. Развитию микротрещин способствуют также концентраторы напряжений, плотность которых на поверхности значительно выше, чем в глубине. Поверхность трения, покрытая микротрещинами, представляет самостоятельную диссипативную структуру трибологического характера, которая может играть активную роль в рассеивании механической энергии.
Процесс механического истирания и развитие продуктов износа происходит главным образом за счет ротационных смещений материала в зонах разрыва скоростей скольжения. Рассмотрим этот процесс в идеализированном виде при трении без смазочного материала. Первоначально пластическая деформация локализуется в области, примыкающей к поверхности трения. Затем пластическое течение интенсивно развивается в приповерхностном слое, вызывая мезофрагментацию материала и развитие турбулентного слоя. Образование элементов турбулентного слоя представляет завершающую стадию единого процесса мезофрагментации и проходит несколько стадий своего развития.
В зонах поверхностных концентраторов напряжений образуются микротрещины, в который стекает поток дефектов кристаллического строения, приводящий к ее расклиниванию и росту. Микротрещины повышают дискретность контакта, а при наличии защитного покрытия его «островковость». Дискретность контакта усиливается за счет пластического смещения и наползания друг на друга отдельных островковых фрагментов.
Образование микротрещин на границе адгезионного контакта и высокая степень фрагментации структуры поверхностного слоя приводят материал в этой локализованной области в сложно-напряженное состояние с преобладанием поворотных мод. Функционирование поворотных мод можно рассматривать как очередную смену носителя пластической деформации, повышающую диссипативную активность поверхностных вторичных структур и снижающих фрикционную напряженность контакта.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Развитие поворотных мод происходит за счет моментов от тангенциальных сил схватывания, ориентированных параллельно направлению скольжения, и градиента напряжения внутреннего трения в поверхностных слоях.
Рост долговечности твердосплавных покрытий обеспечивается повышением их прочности и одновременным увеличением пластических свойств в приконтактном диффузионном слое. Результаты исследований (рис .1) показывают, что степень увеличения деформируемости растет с увеличением диффузионной переходной зоны и содержанием кобальта и никеля в сплаве. Упрочнение покрытия связано с изменением физико-механических свойств промежуточной зоны и определяется степенью растворения в ней связующей фазы за счет дополнительного растворения в ней вольфрама и титана
REFERENCES
1. Дорожкин Н.Н. Упрочнение и восстановление деталей машин металлическими порошками.-Мн.: Наука и техника, 1995.-152 с.
2. Raichenko A.I, Burenkov G.L, Leschinskiy V.I. Theoretical Analycis of The Elementar Act of Electric Discharge Sintering- Phys. Of Sint., 2003. 5 N 2/2.Р.215-225.
3. Кальчинский М.З.,РайченкоА.И. Модельное исследование спекания металлических порошков с интенсивным энерговыделением в межчастичном контакте// Порошковая металлургия, 1999. №8. С. 15-18.
4. Ярошевич. В.К. Классификация методов активирования процессов получения покрытий применением металлических порошков / В.К.Ярошевич, Т.М.Абрамович// Математические модели физических процессов: Материалы 11-ой междунар. науч. конф.- Таганрог: изд-во ТГПИ, 2005. С.44-50.
