CC BY
42
без натяжения. При больших обжатиях А/г разница между значениями у в случае прокатки без натяжения и с натяжением больше, чем при малых обжатиях. Однако общим для обоих случаев остается то, что значения у при любых обжатиях всегда больше нуля. Из этого следует, что в рассмотренном интервале значений уширения АВ возможно совмещение периодической прокатки полос с изменяющейся по длине толщиной и процесса калибровки их ширины в неприводных роликах.
ВЫВОДЫ
1. Описан способ устранения уширения полосовых заготовок после каждого прохода в валках с изменяющимся зазором между ними.
2. Проведено решение для определения напряжения в случае волочения прокатываемой полосы в неприводных роликах.
3. Представлено решение для определения значений критического угла в случае прокатки полос переменной толщины с натяжением при неизменной величине обжатия А /? по длине, но с изменяющимся отношением Я/к.
ЛИТЕРАТУРА
1. Громов, И. П. Теория обработки металлов давлением / И. П. Громов. - М.: Металлургия, 1978. - 360 с.
2. Целиков, А. И. Теория продольной прокатки / А. И. Целиков, Г. С. Никитин, С. Е. Рокотян. - М,: Металлургия, 1980. — 319 с.
3. Перлин, И. Л. Теория волочения / И. Л. Перлин, М. 3. Ерманок. - М.: Металлургия, 1971. - 448 с.
4. Анурьев, В. И. Справочник конструктора машиностроителя / В. И. Анурьев. - М.: Машиностроение, 1980. -Т. 1.-728 с.
Поступила 22.02.2008
УДК 621.762.001, 621.793.18
ВЗАИМНАЯ РАСТВОРИМОСТЬ КАРБИДОВ В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ДИФФУЗИОННЫХ слоях, ОБРАЗОВАННЫХ НА ТВЕРДОМ СПЛАВЕ
Кандидаты техн. наук ШМАТОВ А. А., ПОБЕРЕЖНЫЙ С В.
Белорусский национальный технический университет, ГНУ «Институт порошковой металлургии»
Интерес к многокомпонентным карбидным покрытиям не случаен, поскольку сами карбиды обладают комплексом высоких физико-химических и механических свойств. Из практики применения карбидов известно, что чрезвычайно высокими свойствами обладают сложные карбидные системы, образованные при наличии взаимной растворимости карбидов или их изоморфной смесимости [1-3].
По определению Урусова, «изоморфизм -это свойство атомов различных химических элементов замещать друг друга в кристаллических структурах при условии близости размеров и характера химической связи, составляю-
щих кристалл единиц (атомов, ионов и их групп) [3]. Поэтому изоморфное замещение атомов является важным условием формирования «твердого раствора замещения» (ТРЗ). Термины «твердый раствор замещения» и «изоморфизм» очень близкие и отражают два подхода к тому же явлению - физико-химический и кристаллохимический.
Согласно классификации двойных карбидных систем по взаимной растворимости [1] и данным [2, 4, 5] двойные системы карбидов Тх, V, N1), Сг, Мо, Мп, Бе можно систематизировать следующим образом (табл. 1). Из табл. 1 видно, что определяющим условием благопри-
ятного изоморфного замещения атомов карбидов считается размерный фактор, который подчиняется «правилу 15 %» Юм-Розери и Гольд-шмидта [1, 4]. Однако в реальных условиях много исключений: возможен несовершенный изоморфизм, когда соотношение радиусов атомов (ионов) составляет 20-25 % и более; но нередки случаи невозможности изоморфного замещения разновалентных атомов, находящихся в различной координации даже при строгом соблюдении «правила 15 %» [5].
Таблица 1
Классификация систем карбидов по взаимной растворимости [1-5, 7]
В [6] показано, что растворимость в сложных карбидных системах можно также оценивать величиной энергии упругой деформации, возникающей при растворении в карбиде атомов другого металла. Эта энергии увеличивается по мере замещения одного вида атомов другим, достигая максимума, как правило, при соотношении исходных компонентов, близком к эквимолярному (ггС-УС, НЮ-УС).
В [7] определены условия образования непрерывных твердых растворов замещения. К основным условиям относятся: одинаковый тип кристаллического строения с близкими значениями периодов решеток, одинаковый тип химической связи в этих соединениях, небольшое различие атомных радиусов, одинаковый стехиометрический состав. Г. В. Самсонов добавляет к ним еще два условия: одинаковый тип координации (4) близкие значения СВАСКч/5 металлических компонентов [2, 8]. Согласно теории конфигурационной локализации ва-
лентных электронов (КЛВЭ) способность карбидов металлов IV группы неограниченно растворять карбиды металлов V группы и многие карбиды металлов VI группы объясняется значительным «резервом» донорной способности атомов металлов IV группы, не позволяющим дестабилизировать sp3-конфигурации углерода. Поскольку донорная способность переходных металлов уменьшается по мере перехода от IV к VII группе периодической системы элементов, карбиды металлов V группы способны растворять меньшее количество карбидов, нежели карбиды металлов IV группы. Растворимость же карбидов металлов IV и V групп в карбидах металлов VIA и VIIA групп оказывается низкой или равной нулю из-за резкой стабилизации sp* -конфигураций углерода и соответствующей перестройки решетки.
Многокомпонентные диффузионные карбидные покрытия на твердых сплавах пока мало изучены. Причем двухкомпонентным диффузионным карбидным слоям посвящено наибольшее число работ [9-12], в то время как по трехкомпонентным карбидным покрытиям на твердых сплавах практически не проведено никаких исследований, за некоторым исключением [13-17]. Структурные аспекты взаимной растворимости карбидов, входящих в состав многокомпонентных диффузионных слоев, рассмотрены лишь в нескольких работах [16, 17].
В настоящей работе для получения двух-и трехкомпонентных диффузионных карбидных покрытий на твердых сплавах применили наиболее простой и недорогой метод химико-термической обработки (ХТО) с использованием герметичных контейнеров [18]. Этот метод позволяет сформировать на твердом сплаве диффузионные покрытия, состоящие из нескольких карбидов: переменного состава и сложнолегированных [16, 17]. Современные способы нанесения защитных покрытий (PVD и CVD процессы, магнетронный способ распыления и др.) позволяют получать многослойные и многокомпонентные карбидные покрытия на рабочей поверхности твердосплавного инструмента. Однако из-за технологических особенностей этих процессов можно осаждать одновременно карбиды только одного и редко двух типов, поэтому для изучения вопроса взаимной
Системы с полной растворимостью Системы с ограниченной растворимостью Системы с отсутствием растворимости
TiC-VC TiC-NbC VC-NbC VC-MoC (кубич) Cr23C6-Mn23C6 Cr7C3-Mn7C3 TiC-Cr3C2 TiC-MoC(Mo2C) VC-Cr3C2(Cr23C6) УС-МоС(некубич) NbC-Cr3C2(Cr23C6) VC-MnflC6 VC-Fe3C Cr3C2-MnaC6 CrflQ-Fe3C T\C-MnaCh TiC-Fe3C МоС(Мо2СЬ -MnaCb MoC(Mo2C)-Fe3C NbC-Fe3C NbC-MnflC6
Отношение атомных радиусов металлов
RMe!/RMe2 = = 1,0 ±0,1 RMe,/RMe2 = = 1,0 ±0,15 RMe!/RMe2 = = 1,0 ±0,30
растворимости двух и более карбидов указанные способы не совсем приемлемы [19].
В [17] проведен сравнительный анализ морфологии, кристаллической структуры, химического и фазового состава карбидных слоев, полученных при оптимальном диффузионном насыщении твердого сплава несколькими кар-бидообразующими элементами в системах на основе Сг-Ть-Мо и Сг-У-№>. Однако этих данных (только по двум карбидным системам) недостаточно, чтобы иметь более обобщенное суждение в вопросе взаимной растворимости карбидов в многокомпонентных диффузионных покрытиях.
В настоящей работе поставлены следующие задачи: оптимизировать процессы насыщения твердого сплава карбидообразующими металлами в системах: Сг-Ть-У, Сг-У-Мо, Сг-Ть-Мо и Сг-У-ЫЪ; провести сравнительный анализ кристаллохимической структуры, фазового и химического составов оптимизированных трех-компонентных диффузионных карбидных слоев; установить взаимосвязь между природой, характером взаимодействия карбидов диффузионного слоя и режущими свойствами твердых сплавов.
Из-за большого объема поставленных задач в данной работе ограничились исследованиями покрытий только на одном типе твердого сплава-Т15К6.
Объекты и методика исследований. Одно-, двух- и трехкомпонентные карбидные покрытия в системах на основе карбидообразующих элементов Сг-Ть-У, Сг-У-Мо, Сг П-Мо и Сг-У-№> были получены на твердом сплаве Т15К6 (79 % Ч/С, 15 % ТЮ и 6 % Со) высокотемпературным методом ХТО. Твердосплавные образцы помещали в контейнер из жаропрочной, стали, заполненный специально приготовленной порошковой насыщающей смесью, которую герметично защищали плавким затвором. Затем контейнер с образцами был загружен в электрическую печь, разогретую до температуры 1100 °С, где выдерживали в течение 6 ч.
Насыщающую смесь получали методом алюминотермии путем восстановления оксидов металлов алюминием в порошковых смесях следующего состава, мае. %: 98 % (50 % А1203 + 35 % МсхОу + 15 % А1) + 1 % ШШ, где оксиды Ме^ = Сг203, ТЮ2, У205, МоОэ, №)205
являлись поставщиками карбидообразующих металлов. Предварительно восстановленную смесь размалывали и просеивали. Когда в нее дополнительно добавляли активатор (2 % М14С1), смесь для ХТО была готова к употреблению.
Структуру и фазовый состав карбидных покрытий изучали методами микроструктурного, дюрометрического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов. Испытания на износостойкость твердосплавных режущих пластин Т15К6 с карбидными покрытиями проводили путем токарной обработки низколегированной конструкционной стали 40Х (0,4 % С, 1 % Сг) при следующих условиях резания: скорость резания - 100 м/мин, подача - 0,2 мм/об, глубина резания - 1 мм. Показатель относительной износостойкости карбидных покрытий определяли по формуле = = где ¿1 - время работы твердосплавных режущих пластин без покрытий при критериальном значении лунки износа 0,8 мм; ¿2 - то же пластин с покрытиями при критериальном значении лунки износа 0,5 мм.
Оптимизацию составов насыщающих смесей по износостойкости твердых сплавов осуществляли методом математического симплекс-планирования на основании 19 экспериментальных опытов в каждой из четырех систем Сг-Ть-У, Сг-У-Мо, Сг-П-Мо и Сг-У-ТЧЬ для твердого сплава Т15К6 [20]. На основании рассчитанных с помощью ЭВМ математических моделей были построены диаграммы «состав -свойство» для исследуемых карбидных систем.
Результаты исследований» ХТО твердого сплава Т15К6 в алюминотермических порошковых средах из оксидов металлов проводили в соответствии матрицей планирования, составленной при оптимизации карбидных слоев по износостойкости в трехкомпонентных системах на основе Сг-Ть-У, Сг-У-Мо, Сг-Тг-Мо и Сг У-]МЪ [20]. Сравнительные данные по износостойкости, микротвердости и толщине карбидных покрытий, полученных на твердом сплаве Т15К6 в соответствии с матрицей планирования в указанных четырех системах, представлены в табл. 2, 3. Согласно примененному методу симплекс-планирования параметром оптимизации у являлась износостойкость карбидных слоев, а в качестве независимых переменных взяты оксиды карбидообразую-
щих элементов, например Сг203 (хО, ТЮ2 (х2), У205 (х3), для Сг-Ть-У системы и т. д. Причем сумма оксидов металлов МехОу в порошковой смеси, содержащей 98 % (50 % А12Оэ + + 35 % МехОу + 15 % А1) + 2 % Ш4С1, была по-
стоянной, например сумма Сг203 + ТЮ2 + У205 в Сг-Ть-У системе равна 100 % (или 1 в долевом соотношении). Геометрическая интерпретация полученных данных (табл. 2, 3) представлена на рис. 1,2.
Таблица 2
Результаты исследования толщины и свойств диффузионных карбидных слоев на твердом сплаве Т15К6 для Сг-ТЬ-У и Сг-У-Мо систем
Состав активной части смеси, доли единицы Микротвердость слоя Яц, МПа Относительная износостойкость СЛОЯ Куу Толщина карбидной зоны, мкм
Сг203 ТЮ2 v2o5
1 0 0 15000 2,0 10
3/4 1/4 0 18100 2,2 8
1/2 1/2 0 21400 2,6 5
1/4 3/4 0 19000 2,0 7
0 1 0 14000 2,2 7*
0 3/4 1/4 20600 2,8 6
0 1/2 1/2 23000 3,1 5
0 1/4 3/4 20600 3,0 4
0 0 I 17000 2,8 5
1/4 0 3/4 19000 2,6 6
1/2 0 1/2 21400 2,7 4
3/4 0 1/4 19000 2,3 7
1/2 1/4 1/4 29000 2,7 7
1/4 1/2 1/4 31000 4,4 4
1/4 1/4 1/2 30000 3,4 5
1/3 1/3 1/3 32000 4,0 5
3/4 1/8 1/8 18000 1,7 10
1/8 3/4 1/8 18000 2,8 5
1/8 1/8 3/4 18000 2,8 7
Состав активной час- Микро- Относитель- Толщина
ти смеси, доли еди- твердость ная износо- карбид-
ницы слоя Яц, стойкость ной зоны,
Сг20? v2o5, М0О3 МПа слоя Кн/ мкм
1 0 0 15000 2,0 10
3/4 1/4 0 19000 2,3 7
1/2 1/2 0 21400 2,7 4
1/4 3/4 0 19000 2,6 6
0 1 0 17000 2,8 5
0 3/4 1/4 17400 2,8 5
0 1/2 1/2 15300 2,0 4
0 1/4 3/4 13200 1,2 6
0 0 I - 1,0 —#*
1/4 0 3/4 15000 2,0 4
1/2 0 1/2 17400 2,6 4
3/4 0 1/4 19200 2,4 7
1/2 1/4 1/4 28000 5,0 6
1/4 1/2 1/4 32500 6,6 4
1/4 1/4 1/2 33000 6,5 3
1/3 1/3 1/3 32000 6,5 4
3/4 1/8 1/8 15000 2,0 10
1/8 3/4 1/8 18000 2,0 6
1/8 1/8 3/4 11000 1,2 7
Таблица 3
Результаты исследования толщины и свойств диффузионных карбидных слоев на твердом сплаве Т15К6 для Сг-Ть-Мо и Сг-У-1ЧЬ систем
Состав активной Микро- Относитель- Толщина
части смеси, доли твердость ная износо- карбид-
единицы слоя Яц, МПа стойкость ной зоны,
Сг203 ТЮ2 Мо03 слоя К^ мкм
1 0 0 15000 2,0 10
3/4 1/4 0 18100 2,2 8
1/2 1/2 0 21400 2,6 5
1/4 3/4 0 19000 2,0 7
0 1 0 14000 2,2 7*
0 3/4 1/4 17400 2,4 7
0 1/2 1/2 18300 1,5 5
0 1/4 3/4 13200 1,2 4
0 0 I - 1,0 —**
1/4 0 3/4 15000 2,0 4
1/2 0 1/2 17400 2,6 4
3/4 0 1/4 19200 2,4 7
1/2 1/4 1/4 28000 3,0 8
1/4 1/2 1/4 32500 6,2 5
1/4 1/4 1/2 33000 6,2 4
1/3 1/3 1/3 33000 5,1 4
3/4 1/8 1/8 17000 1,5 10
1/8 3/4 1/8 19000 3,1 5
1/8 1/8 3/4 14000 3,0 6
Состав активной час- Микро- Относитель- Толщина
ти смеси, доли еди- твердость ная износо- карбидной
ницы слоя Яц, МПа стойкость зоны, мкм
Сг203 У205 Nb205 слоя Ку^
1 0 0 15000 2,0 10
3/4 1/4 0 19000 2,3 7
1/2 1/2 0 21400 2,7 4
1/4 3/4 0 19000 2,6 6
0 1 0 17000 2,8 5
0 3/4 1/4 23600 2,4 8
0 1/2 1/2 22000 3,0 4
0 1/4 3/4 20000 2,6 6
0 0 I 16500 2,3 7
1/4 0 3/4 21000 2,4 7
1/2 0 1/2 20000 2,7 8
3/4 0 1/4 19000 2,3 10
1/2 1/4 1/4 23600 3,4 5
1/4 1/2 1/4 32000 5,5 4
1/4 1/4 1/2 32500 5,5 4
1/3 1/3 1/3 32000 5,0 4
3/4 1/8 1/8 18000 1,8 10
1/8 3/4 1/8 18000 2,2 7
1/8 1/8 3/4 22500 2,0 7
* Формируется диффузионный слой из интерметаллида Т1А13 с включениями ТЮ.
** При молибденировании зона карбидов в диффузионном слое отсутствует.
ТЮ,
Сг А 80 60 40 20 V А
Сг203, % -
т
Сг2Оэ 80 60 40 20 Мо03, % Сг2Оэ, % «-
Рис. 1. Зависимость относительной износостойкости карбидных слоев на твердом сплаве Т15К6 от состава насыщающей смеси в системах на основе: а - Сг-Ть-У; б - Сг-У-Мо
а
ТЮ,
Сг203 80 60 40 20 Мо03 Сг203, % --
б
уа
Сг2Оз 80 60 40 20 №>А Сг203, % «-
Рис. 2. Зависимость относительной износостойкости карбидных слоев на твердом сплаве Т15К6 от состава насыщающей смеси в системах на основе: а - Сг-Ть-Мо; б - Сг-У-№>
В результате оптимизации в каждой из исследуемых карбидных систем выявлена одна область оптимальных составов активных компонентов порошковых сред, ХТО в которой твердого сплава Т15К6 повышает его износостойкость в 4,4-6,6 раза, а микротвердость -выше 32000 МПа (рис. 1, 2). Для изучения вопроса, связанного с взаимной растворимостью карбидов, входящих в состав трехкомпонент-ных Сг-Тл-У, Сг-У-Мо, Сг-Тл-Мо и Сг-У-ИЬ диффузионных слоев, выбраны четыре оптимизированных по износостойкости покрытия. Они получены при соотношении оксидов в смеси: 50 % ТЮ2 + 25 % У205 + 25 % Сг203,50 % У205 + + 25 % Мо03 + 25 % Сг203, 50 % ТЮ2 + + 25 % Мо03 + 25 % Сг203, 50 % У205 + + 25 % КЪА + 25 % Сг2Оэ.
Данные по химическому, фазовому составам указанных карбидных покрытий и измене-
ния параметров решетки образуемых карбидных фаз приведены в табл. 4.
Микроструктуры оптимизированных Сг-Тл-У, Сг-У-Мо, Сг-Ть-Мо и Сг-У-Мэ карбидных диффузионных слоев представлены на рис. 3.
Как видно из табл. 2-4 и рис. 3, максимальные показатели износостойкости твердого сплава Т15К6 достигаются при формировании сплошных Сг-Тг-У, Сг-У-Мо, Сг-Т1-Мо и Сг-У-М) диффузионных слоев с гетерогенной структурой на основе карбидов одного, двух или трех насыщаемых металлов, а оптимальная толщина карбидных слоев составляет 4-5 мкм.
Причем в оптимизированных диффузионных слоях преобладают (более 50 %) сложноле-гированные карбиды титана, ниобия и хрома (карбиды металлов IV-VI групп), высокое содержание которых в покрытиях не всегда соответствует большему содержанию оксидов этих металлов в насыщающей смеси.
Научный интерес представляют результаты исследованных карбидных покрытий, полученных микрорентгеноспектрального анализа (рис. 4-6) в оптимальных составах насыщающих смесей.
Таблица 4
Структурный, химический и фазовый анализы оптимизированных трехкомпонентных карбидных слоев,
полученных на твердом сплаве Т15К6
Химический состав покрытия, % Фаза Параметры решетки, нм Состав фазы
Сг Т1 У а Ъ с
опыт. табл. опыт. табл. опыт. табл.
Насыщение Сг + Т\ + V (50 % ТЮ2: 25 % У205: 25 % Сг203)
7 72 8 ТЮ 0,43095 0,4328 - - - - [Т194(Сг,Мо)6]С
Сг23С6 1,06710 1,0660 - - - - [Сг99Ту23С6
Сг3С2 0,55765 0,5545 0,28287 0,2830 1,1486 1,1470 [Сг98(Т1,У)2]3С2
Сг V Мо а Ъ с
опыт. табл. опыт. табл. опьгг. табл.
Насыщение Сг + V + Мо (50 % У205: 25 % Мо03: 25 % Сг203)
75 17 3 УС 0,41437 0,41655 - - - - УС0,78
Мо2С 0,29346 0,30120 - - 0,48639 -0,47360 [Мо70(Сг,У)30]2С
Сг23С6 1,05733 1,0660 - - - - Сь3С586
Сг3С2 0,54824 0,5545 0,29752 0,2830 1,15907 1,1470 [Сг81(У,Мо)19]3С2
Сг Ъ Мо а Ъ с
опыт. табл. опыт. табл. опыт. табл.
Насыщение Сг + Л + Мо (50 % ТЮ2: 25 % Мо03: 25 % Сг203)
7 81 6 ТЮ 0,43168 0,4328 - - - - [Т196(Сг,Мо)4]С
МоС 0,2856 0,3010 - - 1,3724 1,4630 [Мот/П^С
Сг23С6 1,06367 1,0660 - - - - СГ23С594
Сг3С2 0,55441 0,5545 0,28341 0,2830 1,1517 1,1470 [Сг98СП,Мо)2]3С2
Сг У а Ь с
опыт. табл. опьгг. табл. опыт. табл.
Насыщение Сг + V + №> (50 % У205: 25 % М>205: 25 % Сг203)
20 20 50 УС 0,41119 0,41655 - - - - VCo,7
М)С 0,44198 0,44707 - - - - [М>82Сг18]С
Сг23С6 1,06285 1,0660 - - - - [Сг80У2о]2зС6
Рис. 3. Микроструктуры оптимизированных карбидных слоев на твердом сплаве Т15К6, полученных при Т = 1100 °С и т = = 6 ч (х320). Составы насыщающих смесей по основным компонентам: а - 50 % ТЮ2 + 25 % У205 + 25 % Сг203; 6-50 % У205 + 25 % Мо03 + 25 % Сг203; в - 50 % ТЮ2 + 25 % Мо03 + 25 % Сг203; г - 50 % У205 + 25 % ЫЬ205 + 25 % Сг203
8.
8
О
О
6 5 4 3 2 1 О Расстояние от поверхности, мкм
Рмс. 4. Распределение элементов в диффузионном слое на твердом сплаве Т15К6, полученном при Т = 1100 °С ит = 6ч (х240). Состав насыщающей смеси по основным компонентам 50 % У205 + 25 % Мо03 + 25 % Сг203
о4-
Он §
О
О
п
15
10
W Со V 20
100
75
50
25
15
10
15
10
Сг №
100
100
75
50
25, 0
75
50
25 0
№
5 4 3 2 1 0
Расстояние от поверхности, мкм
Рис. 5. Распределение элементов в диффузионном слое на твердом сплаве Т15К6, полученном при Т = 1100 °С и т = 6 ч (х240). Состав насьпцающей смеси по основным компонентам 50 % У205 + 25 % М)205 + 25 % Сг2Оэ
5
5
0
0
0
Со
Ту
К о,
О
О
75
50
25
7
75 - 6
30 — 5
50 - 4
- 20
30 3
20 — 25 ~ 2
— 10
10 1
0 0 0 0
5 4 3 2 1 О Расстояние от поверхности, мкм
Рис. 6. Распределение элементов в диффузионном слое на твердом сплаве Т15К6, полученном при Т= 1100 °С и т = 6 ч (*240). Состав насьпцающей смеси по основным компонентам 50 % ТЮ2 + 25 % У205 + 25 % Сг203
Концентрационное распределение элементов по сечению четырех диффузионных слоев (рис. 4-7) показало, что карбидные покрытия содержат все насыщающие элементы.
Отмечено, что диффузионные Сг-Тл-У и Сг~П-Мо покрытия, полученные в смесях на основе титана, преимущественно (более 60 %) состоят из комплексного карбида титана, содержание легирующих элементов (Сг, Мо, V) в котором меняется незначительно (2-10 %) по толщине карбидного слоя. В равновесных условиях карбиды титана, обладая высокой донорской способностью атомов металлов IV группы, могут растворять гораздо большее количество легирующих элементов. Однако процессы образования многокомпонентных и многофазовых карбидных покрытий осуществляются в неравновесных условиях и имеют сложную природу в результате диффузионного взаимодействия насыщающих карбидообра-зующих металлов с углеродом, взятым из карбидов, входящих в состав твердого сплава, взаимного влияния насыщающих элементов и других причин. В силу своей физической природы карбид титана обладает наиболее высокими показателями механических свойств, но даже незначительное легирование его другими металлами согласно теории локализации валентных электронов способно дополнительно стабилизировать ^-конфигурации углерода и обеспечить пик свойств [2, 8]. Это подтверждается более высокими показателями микротвердости и износостойкости трехкомпонентных
Сг-Ть-У, Сг-Тл-Мо покрытий по сравнению с однокомпонентными.
Напротив, при насыщении твердого сплава в Сг + V + Мо смеси с преобладанием ванадия (50 % У205) формируется покрытие с большим содержанием (более 75 %) комплексных карбидов хрома, легированных значительно (до 20 %) ванадием и незначительно (2-3 %) молибденом. При насыщении твердого сплава в Сг + V + №> смеси с преобладанием ванадия (50 % У205) на его поверхности поочередно синтезируется большое количество (до 80 %) комплексных карбидов хрома или ниобия, сильно легированных (до 20 %) ванадием или хромом соответственно. Содержание всех насыщающих элементов в обоих случаях меняется по толщине карбидного слоя. Следует отметить, что в равновесных условиях карбиды ванадия обладают высокой донорской способностью атомов металлов V группы и могут значительно растворять металлы У-У1 групп. Однако в полученных диффузионных покрытиях этого не наблюдается (табл. 4). По-видимому, последнее связано с преимущественным зародышеобразо-ванием карбидов хрома или ниобия в присутствии карбида ванадия (с простой кристаллической структурой и дефицитом по углероду), положительным влиянием ванадия на диффузионную подвижность других насыщающих элементов и углерода и другими причинами, влияющими на неравновесный процесс комплексообразования сложных карбидов при ХТО.
Со V/ Мо Т1 Сг
I
4>
I
§ и
- 80 - 10
100
60 -
75 —
- 40 - 5
50 -
5
20 —
25 -
0 0 0 0
6 5 4 3 2 Расстояние от поверхности, мкм
Рис. 7. Распределение элементов в диффузионном слое на твердом сплаве Т15К6, полученном при Т ~ 1100 °С ит = 6ч (х240). Состав насыщающей смеси по основным компонентам 50 % ТЮ2 + 25 % Мо03 +25 % Сг203
Обобщая вышесказанное, можно сделать вывод, о том что более высокие режущие свойства Cr-V-Mo и Cr-V-Nb покрытий, по сравнению с однокомпонентными, обусловлены главным образом образованием в диффузионном слое твердых растворов замещения на базе карбидов хрома в первом случае и карбидов хрома и ниобия во втором случае. Хотя карбиды ниобия, и особенно хрома, как карбиды металлов V и VI групп, уступают по механическим свойствам карбидам IV группы, в результате значительного легирования их другими элементами при ХТО твердого сплава достигаются свойства покрытий на их основе такие же высокие, как и покрытий на основе карбида титана. Например, твердость нелегированных карбидов хрома (15000 МПа) при хромировании и карбидов ниобия (16500 МПа) при ниобировании возрастает до 32000-32500 МПа при совместном насыщении твердого сплава Cr + V + Мо и Cr + V + Nb и т. д.
ВЫВОДЫ
1. В результате оптимизации процессов получения многокомпонентных карбидных слоев в системах на основе Cr-Ti-V, Cr-V-Mo, Cr-Ti-Mo и Cr-V-Nb выбраны оптимальные составы насыщающих смесей, обеспечивающие повышение износостойкости твердого сплава в 4,4-6,6 раза и увеличение его микротвердости до 32000-33000 МПа. Отмечено, что трехком-понентные диффузионные карбидные слои превосходят по износостойкости одно- и двух-компонентные. Оптимальное насыщение твердого сплава тремя карбидообразующими элементами позволяет повысить его работоспособность по сравнению с однокомпонентным (Cr, Ti, V, Nb) в 2,2-3,1 раза.
2. Показано, что более высокая износостойкость трехкомпонентных диффузионных карбидных покрытий на твердом сплаве по сравнению с однокомпонентными достигается за счет формирования гетерогенной структуры на основе сложнолегированных карбидов металлов IV-VI групп, в которых растворены от 2 до 30 % одного или двух насыщающих элементов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гольдшмвдт, X. Дж. Сплавы внедрения / X. Дж. Гольд-шмидт. -М.: Мир, 1971.-424 с.
2. Самсонов, Г. В. Физическое материаловедение карбидов / Г. В. Самсонов, Г. Ш. Упадхая, В. С. Нешпор. -Киев: Наук, думка, 1974. - 456 с.
3. Урусов, B.C. Теория изоморфной смесимости / В. С. Урусов. - М.: Наука, 1977. - 253 с.
4. Юм-Розери, В. Введение в физическое металловедение / В. Юм-Розери. - М.: Металлургия, 1965. - 204 с.
5. Макаров, Е. С. Изоморфизм атомов в кристаллах / Е. С. Макаров. -М.: Атомиздат, 1973. -288 с.
6. Гусев, А. И. Энергия упругой деформации кристаллической решетки при образовании твердых растворов карбидов и нитридов переходных металлов / А. И. Гусев, Г. И. Швейкин // Известия АН СССР. Неорганические материалы. - 1976. - № 8. - С. 1565-1570.
7. Корнилов, И. И. Металлиды и взаимодействие между ними / И. И. Корнилов. - М.: Наука, 1964. - 192 с.
8. Самсонов, Г. В. Конфигурационная модель вещества / Г. В. Самсонов, И. Ф. Прядко, Л. Ф. Прядко. - Киев: Наук, думка, 1971. - 230 с.
9. Структура, фазовый состав износостойких покрытий (Ti, Zr)C, полученных магнетронным способом / О. В. Гусев [и др.] // Поверхностные слои, точность и эксплуатационные свойства деталей машин: тез. докл. семин., Москва, 25 мая 1990 г. - М., 1990. - С. 36.
10. Громов, Ю. Н. Хромотитанирование порошковых твердых сплавов / Ю. Н. Громов, Н. Я. Кудрявцева, В. В. Котляров // Изв. вузов. Черная металлургия. -1990.10.-С. 40-41.
11. Ленская, Т. Г. Диффузионное взаимодействие в системе твердый сплав с покрытием - обрабатываемый материал / Т. Г. Ленская // Исследование твердых сплавов / ВНИИТС. - М., 1991.-С. 151-155.
12. Хижняк, В. Г. Нанесение защитных покрытий на безвольфрайовые твердые сплавы / В. Г. Хижняк, М. В. Кар-пец, В. Ю. Долгих // Порошковая металлургия (Киев). ~ 2003.-№9.-С. 118-123.
13. Хижняк, В. Г. Нанесение карбидных покрытий на безвольфрамозые твердые сплавы / В. Г. Хижняк, В. Ю. Долгих, В. И. Король // Изв. вузов. Черная металлургия. -2002. - № 1.-С. 75-76.
14. Громов, Ю. Н. Химико-термическая обработка сталей и сплавов / Ю. Н. Громов, Н. Я. Кудрявцева,
B. А. Котофеев // Химические методы обработки поверхностей неорганических материалов: тез. докл. 3-го Все-союзн. семинара, Москва, 23-24 мая 1991 г. - М., 1991. -
C. 44.
15. Шматов, А. А. Многокомпонентное диффузионное насыщение твердых сплавов карбидообразующими металлами / А. А. Шматов, С. В. Побережный // Порошковая металлургия. - 2007. - № 30. - С. 252-257.
16. Шматов, А. А. Структура и фазовый состав диффузионных Cr-Ti-Mo карбидных слоев на твердом сплаве / А. А. Шматов, С. В. Побережный // Вестник Брестского государственного технического университета. - 2007. -№4.-С. 17-22.
17. Шматов, А. А. Сопротивляемость изнашиванию диффузионных Cr-Ti-Mo и Cr-V-Nb карбидных слоев, полученных на твердом сплаве / А. А. Шматов, С. В. Побережный // Сварка и родственные технологии. - 2007. -№ 9. - С. 15-23.
18. Многокомпонентные диффузионные карбидные покрытия на железоуглеродистых сплавах / Л. Г. Ворош-нин [и др.]. - Минск: БНТУ, 2007. - 470 с.
19. Hocking, M. G. Metallic and Ceramic Coatings. Production, Properties and Applications / M. G. Hocking, V. Vasantasree, P. S. Sidky. - London, New York, 2000. - 518 p.
20. Новик, Ф. С. Математические методы планирования экспериментов в металловедении. Раздел III / Ф. С. Новик. - М.: МиСИС, 1970. - 106 с.
Поступила 10.01.2008
