CC BY
104
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ
А.Д. Верхотуров*, И. А. Подчерняева**, Л. А. Коневцов*
ЭЛЕКТРОИСКРОВОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ МЕТАЛЛАМИ И КЕРАМИКОЙ НА ОСНОВЕ ZrB2 ВОЛЬФРАМСОДЕРЖАЩИХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
* Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения РАН, ул. Тихоокеанская, 153, г. Хабаровск, 680042, Россия ** Институт проблем материаловедения НАН Украины, ул. Кржижановского, 3, г. Киев, 3680, Украина
Введение
В настоящее время более 80% режущего инструмента (РИ) из вольфрамсодержащих твердых сплавов (ВТС) выпускается с защитными покрытиями, наносимыми в основном различными способами термодиффузионного насыщения или газового осаждения (PVD, PCVD). Главными недостатками этих методов являются трудности создания композиционных керамических покрытий сложного состава и экологическая безопасность технологического процесса, а также высокая стоимость оборудования. Данное исследование является развитием работ по электроискровому упрочнению инструментальных материалов: конструкционных сплавов [1, 2], штампового инструмента [3] и вольфрамсодержащих твердых сплавов (ВТС) [4]. Для обеспечения несущей способности РИ и стойкости к ударным нагрузкам покрытия конструируют с определенной структурой (слоистой градиентной или матричной) путем чередования твердой и мягкой составляющих [5, 6]. С этой точки зрения интересен метод электроискрового легирования (ЭИЛ), отличающийся наряду с низкой энергоемкостью простым и дешевым оборудованием (на 2-3 порядка дешевле), экологической чистотой, возможностью наносить любые токопроводящие материалы, в том числе при послойной обработке, особенно в условиях мелкосерийного производства [2, 7]. В литературе практически отсутствуют сведения по формированию покрытий методом ЭИЛ на ВТС и их влиянию на конечные параметры качества деталей при резании.
Материалами легирующего электрода для ВТС чаще всего выбирались тугоплавкие соединения титана. Объясняется это тем, что благодаря особенностям структурных превращений в поверхностных слоях титановых сплавов при ЭИЛ и межатомным взаимодействиям в кристаллической решетке соединения Ti с B, C, N обладают более высоким уровнем свойств, ответственных за износостойкость РИ (температура плавления, твердость, коррозионная стойкость), по сравнению с карбидом вольфрама [7, 8]. Вместе с тем склонность титана к образованию в процессе окисления рыхлых полиоксидных слоев TiYOX может оказывать отрицательное влияние на сплошность и прочность вторичных пленок, формирующихся при сухом трении в зоне трибоконтакта в процессе трибоокисления Ti-содержащих материалов. Для этого необходимо исследовать влияние на свойства РИ покрытий из тугоплавких соединений циркония, который в отличие от Ti образует плотный слой окалины ZrO2 при окислении. При этом Ti и Zr являются изоэлектронными и изоструктурными элементами, что должно обеспечивать сходство физико-химических и физико-механических свойств их соединений с B, C, N. Перспективность использования композиционных материалов на основе ZrB2 для получения покрытий с повышенной износостойкостью при послойном ЭИЛ сталей показана в работах [2, 9]. Обращает на себя внимание исследование процесса ЭИЛ ВТС карбидообразующими элементами (Ti/Zr, С) и алюминием. Алюминий может частично окисляться в межэлектродном промежутке с образованием оксида и оксинитридов алюминия, способствуя улучшению эксплуатационных характеристик поверхности РИ [10].
Никель и хром образуют твердые растворы с Co и смачивают диборид циркония, обеспечивая
© Верхотуров А.Д., Подчерняева И.А., Коневцов Л.А., Электронная обработка материалов, 2007, № 6, С. 10-19.
10
адгезию как с WC-Co-основой, так и с тугоплавкой составляющей композита. Исходя из изложенного целью настоящей работы явилось изучение возможности повышения стойкости ВТС путем ЭИЛ режущей кромки алюминием и композиционной керамикой на основе ZrB2 с Ni-Cr-Al связкой.
Методика и материалы
Для влияния материала подложки на формирование покрытий и режущие свойства систем покрытие/ВТС основой служила широкая гамма наиболее применяемых вольфрамовых твердых сплавов типа ВК (WC-Co), ТК (WC-TiC-Co) и ТТ (WC-TiC-TaC-Co) марок ВК6, ВК8, ТТ8К7, Т5К10, Т15К6.
В качестве материала легирующих электродов использовали металлы (Al, Ti, Cu), коллоидный графит (С) и композиционную керамику ”ЦЛАБ-2” на основе ZrB2 системы ZrB2-ZrSi2-LaB6 со связкой Ni-Cr-Al (30 мол. %). Электроды в виде штабиков размером 3х4х35 мм из материала ”ЦЛАБ-2” получали методом горячего прессования под давлением при температуре ~19000С.
Для испытания стойкости ВТС были использованы пятигранные быстросменные пластины промышленных образцов для токарных резцов с механическим креплением. Износ РИ измерялся по задней грани h и передней режущей кромке l при вершине резца. Указанные параметры износа сопоставлялись с параметрами работоспособности РИ, учитывающими качественные конечные характеристики поверхностей обработанного материала. К ним, как известно из технологии машиностроения [11], относят параметры точности размера (Р), относительного поворота (П), формы (Ф), полученные в результате обработки резанием. Исследования стойкости ВТС выполнялись при точении прутков стали 45 диаметром 55-30 мм, длиной 450 мм, при чистовых режимах резания: частота вращения шпинделя «=1000 1/мин; подача продольного суппорта s = 0,07 мм/об; глубина резания t = 0,2-0,3 мм.
Процесс ЭИЛ осуществлялся на установке «ЭЛФА-541» при частоте вращения шпинделя с электродом п = 700-850 1/мин; скорости движения продольного стола v = 20-40 мм/мин; поперечной подаче s = 0,5-0,9 мм/ход; токе 1=0,8-3,6 A; напряжении U = 65-90 В; частоте импульсов f = 3-4 кГц; длительности импульсов т = 8-12 мкс; емкость разрядного конденсатора C=0,68 мкФ. Для сопоставления результатов в ряде режимов (получении жидкой фазы, ЭИЛ “ЦЛАБ-2”/ВТС) использовали установки «Корона-1101», «Элитрон-22А». На установке “ЭЛФА-541” применяли цилиндрические электроды диаметром 0=1 мм из алюминия марки А5, меди М1, титана ВТ 1-0, коллоидного графита; на установках “Корона-1101” и “Элитрон-22А” - электроды в виде штабиков размером 3х4х35 мм. Для исследования микроструктуры материалов анода, катода, продуктов эрозии применяли микроскопы «МИМ-10», ”Axiosplan-2” (Carl-Zeiss); для измерения твердости - микротвердомер ПМТ-3М. Элементное распределение исследовали на электронно-зондовом комбинированном микроанализаторе WDS/EDS JXA-8100 во вторичных и отражённых электронах в различных режимах (LDF и MDF) с изменением фокусного расстояния для получения топографии поверхности образцов. Анализ проводили при ускоряющем напряжении 20 кВ и токе зонда 110-8 А (диаметр пучка 1 мкм). Методы рентгеновской дифрактометрии использовали с применением дифрактометров ДРОН-3М, ADVANCE в монохроматизированном CuKa-излучении при U = 35 кВ, I = 40 тА.
Результаты и обсуждение
Анализируемые ниже результаты были получены на установке “ЭЛФА-541” при отмеченных ранее режимах. На рис. 1 показано изменение параметров массопереноса от числа проходов электрода i при ЭИЛ ВТС металлами, графитом и композитом на основе ZrB2. Объясняя полученные результаты, необходимо учитывать зависимость этих параметров от смачиваемости и адгезионного взаимодействия между материалами анода и катода. При ЭИЛ металлами Al, Cu масса катода непрерывно увеличивается (рис. 1,а), что указывает на благоприятные условия формирования легированного слоя, обусловленные растворимостью Al и Cu в Co-связке ВТС. В то же время при ЭИЛ коллоидным графитом имеет место убыль массы катода во всем диапазоне i за счет интенсивного окисления графита с образованием легколетучих оксидов СО и СО2, это делает проблематичным его использование для принятых режимов. Следует отметить, что в ранее выполненных работах А.Е. Гитлевича были показаны результаты увеличения массы катода Т15К6 при использовании анода из графитов МПГ-6 и МГ-2, что подтверждает необходимость продолжения исследований по применению графита в процессах ЭИЛ для ВТС. Коэффициент массопереноса КП=|АК| / |Аа|-100% (привес катода АК по отношению к убыли анода Аа) для всех исследованных систем уменьшается с ростом числа проходов электрода i (рис. 1,6). При ЭИЛ алюминием наибольшее значение КП достигается для подложки из сплава ВК8. Для двойных и тройных карбидных сплавов WC-TiC, WC-TiC-TaC величина КП уменьшается с повышением в сплаве содержания TiC. Это может свидетельствовать о том, что контактные углы смачивания алюминием карбида титана выше, чем карбида вольфрама.
11
а
Мате] Катода шал Анода А
1 Т15КВ Си Дк
2 ВКб А1 дк
3 Т5К10 А1 дк
4 Т5К10 А1
5 ВКб А1 -^а
б ТТ8К7 С
7 Т15К6 Си ^а
S ТТ8К7 С Дк
б
Рис. 1. Изменение массы анода и катода от числа проходов i при ЭИЛ на установке “ЭЛФА-541” металлами и графитом (а) и влияние числа проходов на изменение КП (б); ЭИЛ керамикой “ЦЛ-2” выполнялось на “Элитроне-22А ”
Коэффициент массопереноса КП в отличие от ЭИЛ алюминием для материала ЦЛАБ-2 возрастает с увеличением доли TiC в ВТС, достигая наибольшего значения (~35 %, число проходов i=2) для ВТС Т15К6. Это является результатом того, что адгезионное взаимодействие в системе ZrB2-TiC выше, чем в системе ZrB2-WC. В целом для всех ВТС коэффициент КП при ЭИЛ Al больше, чем при ЭИЛ композитом ЦЛАБ-2-fNi-Cr-Al), по-видимому, из-за более высокой смачиваемости W и WC алюминием.
На формирование ИПС, в том числе и на КП , существенное влияние оказывают состав продуктов эрозии и “вторичная” структура анода (рис.2). При указанных технологических режимах ЭИЛ ВТС на установке “ЭЛФА-541” в продуктах эрозии образуются как шарообразные частицы из жидкой фазы размером 0,5-4 мкм, так и твердофазные частицы —3—35 мкм. При ЭИЛ алюминием встречаются прозрачные частицы y-Al2O3 (лейкосапфиры) и редкие — сине-голубого цвета (сапфиры) [12], образовавшиеся в результате частичного окисления Al в межэлектродном промежутке.
Результатами металлографического и элементного анализов поверхностей катода, анода и продуктов эрозии подтверждается наличие этих фаз (в том числе аморфных). За счет хрупкого разрушения «вторичной» структуры материала анода, а также легированного слоя на катоде количество твердофазных частиц в продуктах эрозии повышается с увеличением числа проходов i.
а б
Рис. 2. Продукты эрозии (а) и формирование “вторичной” структуры на аноде (б) при ЭИЛ в системе ЦЛАБ-2/ВК6 х 800. Результаты получены на установке “Элитрон-22А ”
В поверхностном слое катода для системы ЦЛАБ-2/ВК6 при i > 5 проходов образуются фазы серого и коричневато-серого цвета (рис. 3), аналогичные формирующимся на аноде. Металлографический анализ показывает, что при больших значениях рабочего тока в межэлектродном промежутке I = 2,8—3,4 А на катоде формируется сетка гладких канавок-концентраторов напряжений, и при длительном ЭИЛ образуются микротрещины. ЭИЛ на установках “Элитрон-22А” и “Корона-1101”, дающих более грубое покрытие, вызывает появление таких канавок и трещин при длительности 3—4 мин/см2, а на установке “ЭЛФА-541”— при длительности более 5—7 мин/см2. Лучшие условия
12
формирования поверхностного слоя при ЭИЛ алюминием ВТС наблюдаются для числа проходов / = 3-6 с учетом /\'[ [. толщины покрытия h, шероховатости Ra.
а б
Рис. 3. Микроструктура покрытия системы ЦЛАБ-2/ВК6 (а); косой срез (б). ЭИЛ на установке “Элитрон-22А рабочий ток 1=0,8 А±30%, число проходов i=4; х800
Протекающий микрометаллургический процесс в зависимости от режимов ЭИЛ может создавать различные условия формирования поверхностного слоя по глубине покрытия, а следовательно, и его свойств с соответствующим изменением элементного состава и различным распределением фаз по толщине в направлении, перпендикулярном к основе.
На рис. 4 показаны микроструктура поперечного среза образца системы А1/ВК8 (а) и изменение полуколичественного элементного состава (мас. %) в точках 1-8 в направлении, перпендикулярном к основе (б). ЭИЛ выполнялось на установке “ЭЛФА-541”.
а хЮОО
Рис. 4. Микрофотография косого среза (45°) образца А1/ВК8 с указанием точек для полуколичественного анализа (а) и изменение полуколичественного (мас.%) состава косого среза слоя в направлении, перпендикулярном к основе (б)
Сопоставляя фазовый состав покрытия с элементным распределением по его толщине, можно установить распределение фаз по глубине слоя. Полученные дифрактограммы поверхности покрытия системы А1/ВК8 (Приложение, рис. 1) указывают на присутствие карбида вольфрама WC, Al, P-W, а-А120з и малых количеств у- и р-А1203. Эти данные свидетельствуют о частичном окислении алюминия в процессе ЭИЛ и диссоциации WC с образованием P-W.
Характер спектров микрорентгеноспектрального анализа (рис. 4) позволяет выделить в легированном слое три зоны разного фазового состава: переходная зона (III), примыкающая к основе, состоящая из смеси трех фаз, WC, Co и А1, обеспечивает адгезионную связь покрытия с подложкой. Самая широкая промежуточная зона (II) является двухфазной. Судя по соотношению в ней А1 и О, а также по совпадению концентрационных максимумов А1 и О, эта зона содержит смесь А120з и А1 эквимолярного состава (1:1). Узкая наружная зона (I) включает в основном А1 и W, вероятно, в виде смеси фаз алюминида вольфрама ^А12), W и А1.
Эта зона контактирует непосредственно с обрабатываемой поверхностью и ответственна за формирование вторичной полиоксидной пленки в зоне трибоконтакта, препятствующей схватыванию
13
рабочих поверхностей и играющей роль твердой смазки в условиях сухого трения. Алюминий, который присутствует во всех трех зонах, образует малые контактные углы смачивания с основными фазами покрытия (<<90°) [13], увеличивая его адгезионную прочность.
На рис. 5 представлены зависимости микромеханических характеристик ЭИЛ-покрытий ВТС от толщины слоя h (а) и числа проходов электрода i (б). Как видно, микротвердость HVувеличивается с ростом h, достигая максимального значения 17 ГПа (на 3-4 ГПа выше HV основы ВК6) вблизи границы с подложкой, что может свидетельствовать о повышении концентрации ZrB2 в этой области.
Рис. 5. Изменение микромеханических характеристик ЭИЛ-покрытий: а - микротвердости HV по толщине h; б - толщины h и параметра шероховатости Ra от числа проходов i для системы ВТС/Al
Для системы А1/ТТ8К7 увеличению HV c ростом h (>5 мкм) предшествует резкое снижение микротвердости до глубины >5 мкм в наружном слое. Это можно объяснить как резким возрастанием количества А1 по направлению к основе в наружном слое, так и увеличением содержания компонентов сплава с ростом глубины h во внутреннем слое покрытия (рис. 4).
Толщина слоя h и шероховатость Ra с ростом числа проходов i увеличиваются (рис. 5,б). Причем при ЭИЛ алюминием величина h покрытия выше на сплаве ВК8, чем ТТ8К7. Это согласуется с максимальной величиной массопереноса для системы Al/BK8 (рис. 1,б) и отражает большую прочность адгезионной связи в системе Al-WC по сравнению с Al-TiC.
С учетом распределения фаз в легированном слое (рис. 4), а также справочных данных для них по модулю упругости Е, коэффициенту термического линейного расширения а и теплопроводности X можно представить схематично изменение этих параметров по толщине покрытия (рис. 6,а). Промежуточная зона II характеризуется экстремальными значениями параметров: минимальным Е и максимальными а, X. На границе покрытие-основа различие в величине а может компенсироваться достаточно близкими значениями Е покрытия и основы, обеспечивая прочность композита в целом. Теплопроводность X нарастает по толщине в направлении к основе, что создает благоприятные условия теплоотвода от режущей кромки.
Рис. 6. Распределение свойств (Е, а, X) по глубине покрытия: а - экспериментальная схема для системы ВК8/А1; б - расчетная схема несущей способности РИ с оптимальным распределением свойств в покрытии
Экспериментально полученная трехзонная схема (рис. 6,а) в целом согласуется с расчетной многоступенчатой схемой (рис. 6,б) несущей способности покрытия с оптимальными распределения-
14
ми Е и а, обеспечивающим и постепенное изменение этих свойств по глубине покрытия и их приближение к соответствующим величинам основы [6, 7, 9].
Большое влияние на работоспособность РИ из ВТС оказывает стойкость к высокотемпературному окислению режущей кромки. В диапазоне рабочих температур резания 650-10000С в воздушной среде образцы ВТС без покрытия интенсивно окисляются с образованием летучих оксидов WO3 с доминирующим расположением у основы и CoWO4, формирующимся преимущественно в верхнем слое (рис. 7,6), которые легко уносятся из зоны трения вместе со стружкой в процессе обра-
б х14
Рис. 7. Вид образца ВК8 без покрытия до (а) и после окисления на воздухе при нагреве со скоростью 20 °С в мин до 1000 °С и охлаждении в течение 1 часа (б)
Дифрактограммы окисленной поверхности (Приложение, рис. 2) подтверждают формирование указанных оксидов. Низкая коррозионная стойкость ВТС проявляется в большей величине прироста массы исходных образцов (без покрытия) в процессе окисления (рис. 8,а). Нанесение ЭИЛ-покрытий в 4-10 раз уменьшает прирост массы образца ВТС при повышенных температурах (рис. 8,6).
Рис. 8. Удельный прирост массы ВТС в диапазоне рабочих температур при нагреве 20°С/мин до 1000 °С и охлаждении в течение 1 часа без покрытия (а), с ЭИЛ-покрытием (б)
Максимальная коррозионная стойкость при этом соответствует системам Al(Ti)/8K8 и ЦЛАБ-2 /ТТ(ТК) с высокими значениями коэффициента массопереноса (рис. 1,б), то есть с покрытиями высокой сплошности.
С образованием при окислении коррозионностойких высокотемпературных фаз (как в стационарных условиях в окалине, так и в процессах трибоокисления в зоне трибоконтакта) связан эффект коррозионной защиты ЭИЛ-покрытий. В процессе трибоокисления наружный слой покрытия, взаимодействующий с обрабатываемой деталью, ответствен за формирование полиоксидной пленки в зоне трения, играющей роль твердой смазки при сухом трении. Наиболее вероятными фазами вто-
15
ричной пленки могут быть алюминаты вольфрама системы W-Al-О и Л120з в случае покрытия А1/ВК8 и Zr02, Si02, La203 - в случае покрытия из материала ЦЛАБ-2. При повышенных режимах резания такие пленки, адгезионно прочно связанные с материалом покрытия, трудно удаляются из зоны трибоконтакта и ответственны за повышение уровня триботехнических характеристик.
Испытания по параметрам, характеризующим стойкость РИ системы ЦЛАБ-2/ВК6, были выполнены по износу задней грани h и передней режущей кромки l (рис. 9).
а) х200 б) х200
Рис. 9. Износ при вершине резца ВК6 по задней грани h, передней режущей кромке l для пути резания L=42 км (i=52): РИ без покрытия (a); РИ с покрытием ЦЛАБ-2/ВК6 (б)
При испытаниях размерной стойкости быстросменных пятигранных пластин из ВТС без покрытия и с ЭИЛ-покрытием Ti, Zr, Al, ЦЛАБ-2 выявлено, что указанные покрытия меняют характер стойкости РИ при чистовой обработке валов по параметрам его конечного качества при резании (Р,П,Ф). Так, при ЭИЛ Al/T15K6 в 4 прохода погрешность Р,П,Ф в зависимости от пути резания L после чистовой обработки валов (частота вращения шпинделя n = 1000 мин-1; подача продольного суппорта s = 0,07 мм/об; глубина резания t = 0,25 мм; длина вала 1=450 мм; обрабатываемый материал сталь 45) меньше, чем без покрытия по погрешности формы в ~1,5 раза, не превышая 20-25 мкм при пути резания L = 1,91-2,09 км, по конусности (относительный поворот образующей вала к оси) в 1,6-1,7 раза, не превышая 35/300 мкм/мм при L = 1,87-2,28 км. Погрешность диаметра аналогично уменьшается в ~1,3 раза и составляет 30 мкм при L = 2,09 км. Погрешность по параметрам Р,П,Ф на 20-40% меньше с покрытием ЦЛАБ-2 /ВК6 при L = 57 км, чем без него.
Изменение величины износа РИ по задней грани h3r и режущей кромке 1рк при вершине резца в зависимости от пути резания показано на рис. 10,а. С использованием регрессионного анализа были построены линии тренда, характеризующие изменение величины износа при вершине резца по задней грани и передней кромке. Видно, что линии тренда отражают большую устойчивость к износу в процессе резания ВТС с покрытием (П), чем без него (БП). Уравнения линий тренда:
РК
= 2,9L + 0,77; = 2,3L + 3,4;
h.3
= 1,3L + 0,37;
h3r = 1,06L + 4,1.
Рис.10. Линии тренда по износу при вершине резца задней грани hЗГ, режущей кромки 1рк (а) и размерной стойкости по параметрам погрешности Р,П,Ф (б) в зависимости от пути резания L без покрытия (БП) ВК6 и с покрытием (П) ЦЛАБ-2/ВК6
Тангенс угла наклона прямых линий для РИ без покрытия больше, чем с покрытием, в ~ 2,2 раза. То есть износ при вершине резца по h3r и 1рк имеет скорость роста выше для РИ без по-
РК
П
16
крытия, чем с покрытием. РИ с покрытием имеет тенденцию к более высокой стойкости при равных условиях резания, большей устойчивости к сохранению равновесного состояния процесса резания без переналадок.
Линии тренда, отображающие тенденции изменения точностных параметров размера, относительного поворота, формы при обработке РИ без покрытия и с покрытием ЦЛАБ-2 (рис. 10,б), описываются следующими уравнениями аппроксимации для РИ без покрытия (БП) и с покрытием (П):
Юрш = 0,26L+23,1; «рП = 0,11L + 27,2;
оПБП = 0,16L+11,3; оПП = 0,12L + 12,4:
«фБП = 0,11L+10,1; «фП = 0,08L + 8,92
Общая тенденция изменения точностных параметров, как видно из полученных уравнений, характеризующих качество обработанных деталей, также отражает большую устойчивость к процессу резания РИ с покрытием, чем без него. Тангенс угла наклона имеет большие значения в 2,4; 1,3; 1,4 раза соответственно у прямых линий по параметрам Р, П, Ф для РИ без покрытия, чем с покрытием ЦЛАБ-2. При этом для материала ЦЛАБ-2 следует ожидать наибольшей износостойкости покрытия на РИ из ВТС с наибольшим содержанием TiC (Т15К6), обеспечивающим наибольший коэффициент массопереноса (рис. 1,б), создавая максимальную сплошность покрытия и соответственно наибольшую стойкость к окислению. Положительное влияние ЭИЛ алюминием и композитом на основе ZrB2 на триботехнические характеристики ВТС свидетельствует о том, что ЭИЛ является структуро-и фазообразующей технологией за счет высокотемпературного окисления продуктов электроэрозии в межэлектродном промежутке, их взаимодействия и конвективного перемешивания в ванне расплава.
Наблюдается корреляция данных как по скорости процессов (износа и формирования погрешности обработки резанием), так и по их величине. Заметна корреляция полученных результатов по параметрам работоспособности ВТС по износу ИЗГ, /РК с результатами по погрешности Р,П,Ф, которые в большей степени характеризуют конечные параметры качества процесса резания и, следовательно, могут быть использованы для оценки размерной стойкости РИ в условиях, когда износ РИ является доминирующим фактором образования погрешности обработки.
Выводы
1. Установлена зависимость коэффициента массопереноса от состава вольфрамсодержащего твердого сплава, определяемая адгезионным взаимодействием легирующих компонентов с тугоплавкими компонентами.
2. Стойкость твердого сплава к окислению при температурах —1000 0С в 4 и более раз увеличивается при ЭИЛ металлами (Al, Ti) и композитом на основе ZrB2, что объясняется образованием в защитной окалине высокотемпературных коррозионностойких оксидов, которые являются наиболее вероятными фазами вторичной пленки в зоне трибоконтакта, играющими роль твердой смазки при обработке материалов резанием.
3. Метод электроискрового легирования позволяет повысить на 20-40% стойкость ВТС по параметрам износа задней грани, режущей кромки при вершине резца и размерной стойкости (Р,П,Ф) при чистовой обработке точением валов из стали 45.
4. Показана возможность формирования слоистой структуры на ВТС методом ЭИЛ за счет конвекции и градиента температур в ванне расплава, высокотемпературного окисления, взаимодействия и селективности смачивания легирующих компонентов материалом подложки. Методом ЭИЛ возможно формирование покрытия разного фазового состава трехслойной структуры, определяющей схему несущей способности РИ и изменение микротвердости, что показано на примере системы Al/ВО.
Авторы выражают большую благодарность д.т.н. Аркадию Ефимовичу Гитлевичу, одному из основоположников метода ЭИЛ, за консультации и участие в работе по подготовке данной статьи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Подчерняева И.А., Панасюк А.Д. и др. Электроискровое легирование конструкционных сплавов композиционным материалом на основе TiCN-AlN // Порошковая металлургия. 2000. № 5/6. C. 21-29.
2. Подчерняева И.А., Тепленко М.А., Костенко А.Д. и др. Влияние послойного ЭИЛ на свойства композиционного электролитического покрытия системы Ni-B // Порошковая металлургия. 2004. № 1/2. С. 42-46.
3. Верхотуров А.Д., Мулин Ю.И., Вишневский А.Н. Восстановление и упрочнение матриц для прессования алюминиевых профилей методом электроискрового легирования // Физика и химия обработки материалов. 2002. № 4. С. 82-89.
17
4. Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Лавренко В.А. и др. Влияние ЭИЛ вольфрамового твердого сплава на его стойкость к износу и коррозии // Порошковая металлургия. 1999. № 5/6. С. 42-47.
5. Allan Matthews and Adrian Zeyland. Developments in Vapour Deposited Ceramic Coatings for Tribological Applications // Key Engineering Materials, vols. 206-213 (2001), p. 459-466.
6. Верхотуров А.Д., Емельянов Е.Н. Влияние поверхностного градиента упругих свойств на прочность материала с покрытием: TiN-покрытия на твердых сплавах с переходной зоной // Исследования Института материаловедения в области создания материалов и покрытий. Владивосток: Дальнаука, 2001. С. 68-74.
7. Фадеев В.С., Верхотуров А.Д., Паладин Н.М., Чигрин Ю.Л. Разработка и создание слоистых материалов инструментального назначения с заданным градиентом свойств // Перспективные материалы. 2004. № 5. С.45-52.
8. Гитлевич А.Е., Михайлов В.В., Таран Г.Ф. и др. Особенности структурных превращений в поверхностных слоях титановых сплавов при электроискровом легировании // Электронная обработка материалов. 1987. С.19-22.
9. Подчерняева И.А., Григорьев О.Г., Субботин В.И. и др. Износостойкие слоистые электроискровые покрытия на основе ZrB2 // Порошковая металлургия, 2004. № 7/8. С. 77-81.
10. Францевич И.Н., Гнесин Г.Г., Курдюмов А.В. и др. Сверхтвердые материалы. Киев: Наук. думка, 1980. 296 с.
11. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения: Учеб. для машиностроит. спец. вузов. - 3-е изд., стер. М.: Высш. шк., 2001. 591 с.
12. Минералогическая энциклопедия / Под ред. К. Фрея: Пер. с англ. Л.: Недра, 1985. 512 с.
13. Панасюк А.Д., Фоменко В.С., Глебова Г.Г. Стойкость неметаллических материалов в расплавах. Справочник. Киев: Наук. думка, 1986. 340 с.
Поступила 10.04.07
Summary
The possible use electric-spark alloying by metals and ceramics on basis ZrB2 techniques is shown for tungsten-bearing hard alloys to obtain layers on the operating surface of the cutting tool with the purpose of increase of serviceability.
18
ПРИЛОЖЕНИЕ
Рис. 1. Дифрактограмма поверхностного слоя образца А1/ВК8 после ЭИЛ на установке “ЭЛФА-541 ”
Рис. 2. Дифрактограмма поверхности образца ВК8 без покрытия после окисления на воздухе при нагреве со скоростью 20 °С в мин до 1000 °С и охлаждении в течение 1 часа
19
