CC BY
198
УДК 621.762
Богодухов С.И., Гарипов В.С., Шеин Е.А., Ясаков А.С.
Оренбургский государственный университет E-mail: [email protected]
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ГРУППЫ ВК
В работе рассматриваются процессы упрочнения изделий из твердых сплавов методами химико-термической обработки с применением индукционного нагрева, нагрева в соляных ваннах, а также с без окислительным нагревом. Приведены результаты испытаний обработанных изделий из твердых сплавов на прочность, твердость, а также на износостойкость и испытания резанием.
Ключевые слова: твердые сплавы, термообработка, испытания.
Металлообрабатывающий инструмент работает при сложном комплексе факторов, некоторые из которых являются взаимоисключающими, поэтому создание инструментального материала, обладающего идеальным комплексом свойств, задача практически не разрешимая.
В настоящее время существует множество методов повышения стойкости металлорежущего инструмента [1 - 3]. К числу наиболее изученных относятся алмазная (эльборовая) обработка, нанесение различными методами износостойких пленок [4 - 6]. Несмотря на очевидные преимущества методов упрочнения инструмента, широкое внедрение их в производство связано с рядом затруднений, которые объясняются высокой себестоимостью применяемых методов упрочнения и нестабильностью получаемых результатов [7]. Методами, которые могут значительно повысить прочность твердого сплава, имеющие небольшую себестоимость за счет применения относительно не дорогостоящего оборудования и возможности применения в мелкосерийном производстве могут быть термическая или химико-термическая обработка.
Объектом исследования являлись изделия из твердых сплавов (неперетачиваемые пятигранные пластины и штабики твердых сплавов размером 5x5x35 мм) группы ВК (ВК6, ВК8 и ВК15).
Целью работы являлось повышение эксплуатационных характеристик твердых сплавов методами термической и химико-термической обработки.
Исследования проводили в соответствии со следующим планом:
1. Термическая обработка твердых сплавов разными способами, в том числе:
- термическая обработка изделий из твердых сплавов в соляных ваннах;
- термическая обработка с без окислительным нагревом;
- химико-термическая обработка твердых сплавов.
2. Определение механических свойств (предела прочности при изгибе и твердости) и проведение испытаний на износостойкость и испытание термообработанных твердых сплавов резанием.
3. Анализ результатов испытаний и исследований структуры.
Твердость измеряли по методу Виккерса на твердомере ИУБ - 10 с погрешностью ±5 МПа. Определение микротвердости приповерхностного слоя до и после упрочнения проводили с помощью микротвердомера ПМТ-3 при нагрузке 1,96 Н.
Прочность на изгиб измеряли нагружени-ем образца установленного на двух опорах на базе 30 мм для штабиков и 15 мм для пластин. Определение прочности на изгиб проводили на универсальной разрывной машине модели ИР5047-50-10 с погрешностью ±1 Н, с помощью приспособления для определения напряжения изгиба, изготовленного по ТУ 5808-0085 с учетом ГОСТ 9391-80.
Для определения абразивной износостойкости по массе была сконструирована и собрана машина для испытаний на износостойкость при трении твердосплавных штабиков. Испытания осуществляли по следующему принципу: предварительно взвешенный штабик закрепляли в державку, прижимаемую рычагом к поверхности алмазного круга, алмазный круг приводится в движении электродвигателем, проводили истирание в течение 30, 60, 90, 120, 150 и 180 секунд, после каждых 30 секунд взвешивали штабик и вычисляли потерю массы. Диаметр алмазного круга составляет 130 мм, а частота его вращения - 2750 об/мин.
Стойкостные испытания штабиков проводили на заводе «Металлист» (г. Оренбург) при
торцевом точении стали 40 на станке 16К20. Торец точили с подачей от центра заготовки к периферии при следующих режимах: глубина резания t = 1 мм; подача S = 0,1 мм/об; частоте вращения шпинделя n = 400 мин-1. После каждого прохода фиксировали износ по задней и передней поверхности штабика.
Микроструктуру твердых сплавов исследовали на металлографическом микроскопе ALTAMY MET 3 и просвечивающем электронном микроскопе ЭМВ 100 ЛМ. Микрошлифы изготовляли по следующей методике. Поверхности шлифа выравнивались шлифовальным кругом из карбида марки К325М3-СМ1К по ГОСТ 3647-71 с обильным охлаждением 5 % раствором эмульсионной жидкости. Шлифование образцов осуществлялось с применением алмазного порошка АСМ14 по ГОСТ 9206-70. Полировку шлифа производили алмазным порошком АСМ3-5, нанесенным на диск обтянутый бумагой.
При исследовании изменения микроструктуры твердых сплавов до и после упрочнения травление образцов осуществлялось реактивом: красная кровяная соль 10 г., едкое кали 10 г., вода 100 г. При исследовании тонкой структуры твердых сплавов методами электронной микроскопии проводилось электролитическое полирование и травление в смеси ортофосфорной (60 мл) и серной (40 мл) кислот (рисунок 1).
Термическую обработку проводили на оборудовании лаборатории кафедры материаловедения и технологии материалов ОГУ и на ПО «Стрела» (г. Оренбург) с использованием для нагрева соляных ванн типа СП2 и СП3 и ох-
лаждением в различных средах и в муфельной печи ПМ-14.
По каждому режиму обрабатывали 10 пластин.
Для штабиков из твердых сплавов марок ВК6, ВК8, ВК15 был принят режим представленный на схеме (рисунок 2).
Подготовка образцов предусматривала подогрев, для этого образцы помещали рядом с ванной. Предварительный нагрев в соляной ванне до температуры 820 - 850 °С в течении 5 минут. Окончательный нагрев с переносом приспособления с образцами в ванну, в которой выдержали в течении 5 минут при температурах 1050, 1100, 1150, 1200 или 1250 °С.
Нормализацию образцов обеспечивали после нагрева в ванне СП3 путем охлаждения на воздухе с обдувом. Для образцов после нормализации проводили отпуск с выдержкой в печи в течении 1 ч при температурах 400, 500, 600 или 700 °С.
По полученным значениям твердости были построены графики зависимости твердости штабиков различных марок твердых сплавов от режимов термической обработки, для ВК8 показано на рисунке 3.
Анализ результатов показал, что твердость штабиков ВК6 снижается с повышением температуры отпуска. Повышение температуры закалки с 1050 до 1250 °С, также снижает твердость на 200 НУ. Максимальное значение твердости получили при Т = 1050 °С и Т = 400 °С - 1570 НУ.
г нор отп
Твердость штабиков ВК8 снижается с повышением Т с 1050 до 1250 °С и Т с 400 до
нор отп
а) х 1300 б) х 9000
Рисунок 1. Микроструктура сплава ВК8, без обработки. Металлографический анализ (а), просвечивающая
электронная микроскопия (б)
700 °С. Максимальное значение твердости получили при T = 1050 °С; Т = 400 °С и Т =
J L нор ' отп отп
500 °С - 1580 HV.
Твердость штабиков ВК15 снижается с повышением Т с 1050 до 1250 °С и Т с 400 до 700
нор отп
°С. Максимальное значение твердости получили при T = 1050 °С; Т = 400 °С - 1580 HV.
нор отп
Были построены графики зависимости прочности на изгиб штабиков от режимов термической обработки. Для ВК15 график показан на рисунке 4. Прочность штабиков ВК6, ВК8, ВК15 уменьшается с повышением Тно с 1050 до 1250 °С и Т с 400 до 700 °С.
отп
Лучшие режимы термообработки:
T
нор
T
нор
T
1050 °С, о О
1050 °С, <Я
1050 °С,
- для штабиков ВК6 Т = 400 °С;
отп 7
- для штабиков ВК8 Т = 400 °С.
отп
- для штабиков ВК15 Т = 400 °С.
отп
По результатам испытаний на износ при трении в течении 30, 60 и 90 с были построены гистограммы.
Анализ результатов показал, что изнашивание при истирании происходит практически линейно с течением времени. Для штабиков из ВК6 минимальный износ около 0,05 г за 30 с для следующих режимов: Тнор = 1200 °С, без отпуска; Т = 1250 °С, без отпуска; Т = 1250 °С,
7 нор 7 7 нор 7
Т = 400 °С. Для штабиков ВК8 минимальный
отп
износ 0,04 - 0,05 г за 30 с получен при режимах термообработки: Т = 1200 °С, Т = 400 °С;
нор отп
Т = 1250 °С, Т = 600 °С. Для штабиков ВК15
нор отп
с повышением Тнор с 1200 до 1250 °С износ увеличивается. Лучший режим термообработки -Т = 1200 °С, Т = 500 °С, износ около 0,04 г.
нор отп
Исследуемые образцы подвергали стойко-стным испытаниям при точении. Результаты испытаний (таблица 1) на стойкость термооб-работанных твердых сплавов тождественны результатам испытания на износ при трении.
Анализ результатов проведенных исследований показал, что оптимальный уровень свойств, т.е. максимальная твердость и прочность при минимальном износе при резании и истирании, составил:
1. для ВК6 лучший режим Тнор = 1050 °С; Тотп = 400 °С, повышение прочности в 1,6 раза, ав = 2996 Н/мм2, твердость на том же уровне 1562 НУ (твердость исходных 1650 НУ), износ при истирании 0,064 г - при точении 0,04 мм;
2. для ВК8 лучший режим Тнор = 1050 °С; Тотп = 400 °С, повышение прочности в 1,6 раза, ав = 2922 Н/мм2, твердость 1590 НУ (твердость исходных 1655 НУ), износ при истирании 0,059 г - при точении 0,04 мм;
3. для ВК15 лучший режим Т = 1050 °С; Т
нор отп
= 400 °С, повышение прочности в 1,5 раза, ав = 2844 Н/мм2 (исходных ав = 1694 Н/мм2), твердость осталась практически без изменений 1583 НУ, износ при истирании 0,028 г - при точении 0,28 мм.
Провели несколько опытов по термодиффузионному насыщению поверхности образцов режущего инструмента из твердого сплава.
Рисунок 2. Схема термической обработки твердосплавных образцов в соляных ваннах
- -ж- - 5
Температура отпуска ,ЯС
1 - Т = 1050 °С; 2 - Т = 1100 °С; 3 - Т = 1150 °С; 4
нор ' _, нор _ ' нор '
- Т р = 1200 °С; 5 - Тр = 1250 °С
нор нор
Рисунок 3. График зависимости твердости штабиков ВК8 от температуры отпуска
1 - Т = 1050 °С; 2 - Т = 1100 °С; 3 - Т = 1150 °С;
нор нор нор
4 -Т = 1200 °С; 5 - Т = 1250 °С
нор нор
Рисунок 4. График зависимости прочности штабиков ВК15 от температуры отпуска
Таблица 1. Сводная таблица результатов испытаний свойств твердых сплавов
Марка Прочность, max t rl 2 О в, , Н/мм min Твердость max HV, min Износ при истирании, г Износ при точении, мм
ВК6 2996 (Тн = 1050, То = 400)* 1562 (Тн = 1050, То = 400) 0,064 (Тн = 1200, То = 600) 0,04 (Тн = 1050, То = 400)
1829 (Тн = 1050, То = 600) 1452 (Тн = 1050, То = 700)
ВК8 2922 (Тн = 1050, То = 400) 1590 (Тн = 1050, То = 400) 0,059 (Тн = 1150, То = 400) 0,04 (Тн = 1050, Т0 = 400)
2479 (Тн = 1050, То = 700) 1455 (Тн = 1050, То = 700)
ВК15 2844 (Тн = 1050, То = 400) 1571 (Тн = 1050, То = 400) 0,061 (Тн = 1200, То = 400) 0,28 (Тн = 1050, То = 400)
2448 (Тн = 1050, То = 700) 1409 (Тн = 1050, То = 700)
2070 (Тн = 1050, То = 700) 1518 (Тн = 1050, То = 700)
в скобках указана температура нормализации и отпуска в °С
Перед проведением ХТО с целью определения необходимости стабилизации механических свойств, провели отжиг образцов твердого сплава ВК8 в засыпке графита. Режим отжига представлен на рисунке 5.
о
Й &
и С S и Н
1000 -800600400200 -
900
800
700
600 °
1 2 3 4 5 6 7 Время отжига, ч
Рисунок 5. Режим отжига твердого сплава ВК8
1100
и
0 °1000
о
^ 800-
600-
Н 200-
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Время ХТО, ч
Рисунок 6. Режим термодиффузионного насыщения
Анализ данных после отжига по механическим свойствам указал на очень малое изменение разброса механических свойств, и незначительное увеличение механических свойств после отжига (прочность на изгиб увеличилась на 6 %, износостойкость на 5 %, твердость увеличилась на 15 %), связи с этим проведение отжига до ХТО принято проводить нецелесообразным.
При проведении химико-термической обработки твердых сплавов нагрев контейнеров с образцами осуществляли в электропечи СУОЛ-044. В каждый контейнер загружали по 5 штабиков марок ВК6, ВК8, ВК15 и шихту. Составы шихт: TiC+ЖКС (TiC - 25 %, K4[Fe(CN)6] - 25 %, шамот - 48,5 %, NH4Cl - 1,5 %); бура (Na2Bp7- 10Н20 - 50 %, шамот - 48,5 %, NH4Cl - 1,5 %); цианирование ((NH2)2CO - 2,5 %, Na2CO3 - 2,5 %, NaCl - 10 %, шамот - 85 %); ЖКС (K4[Fe(CN)6] - 50 %, шамот -48,5 %, NH4Cl - 1,5 %).
Контейнеры герметизировали и подвергали нагреву до 900 оС, с выдержкой при этой температуре 2 часа либо нагреву до 1100 оС, с выдержкой 4 часа. Затем проводили охлаждение контейнера вместе с печью, в течение 6 часов (рисунок 6).
После проведения экспериментов анализировали глубину диффундирования насыщающих элементов (рисунок 7), определяли микро-
Таблица 2. Свойства образцов после ХТО при 1100 оС, выдержка 4 часа, охлаждение вместе с печью
Условное название шихты при ХТО Твердость HV Прочность, Н/мм2 Износ при истирании в течении 30 с, г Износ после точения, мм
по передней поверхности по задней поверхности
ВК6
Исходные 1650 1669 0,072 0,02 0
TiC + ЖКС 1521 2996 0,057 0,18 0,44
Бура 1438 3041 0,063 0,04 0
Цианирование 1448 2582 0,065 0,36 0
ЖКС 1480 3121 0,062 0,12 0
ВК8
Исходные 1655 1678 0,059 0,08 0
TiC + ЖКС 1553 2735 0,057 0,28 0,18
Бура 1473 2324 0,061 0,05 0,04
Цианирование 1511 3048 0,064 0,58 скол
ЖКС 1492 2264 0,051 0,12 0
а) х 600 б) х 200, h = 420 мкм
Рисунок 7. Микроструктуры образцов твердого сплава ВК8 до и после термодиффузионного насыщения: а) исходный ВК8; б) насыщение ЖКС K4(Fe(CN)6) без активатора
твердость (рисунок 8), твердость, прочность на изгиб, а также проводили испытания на износостойкость (таблица 2).
После ХТО на образцах наблюдалось незначительное понижение твердости (до 15 %), повышение прочности (до 50 %). Стойкость образцов при истирании на алмазном диске заметно повысилась. Нельзя сделать однозначный вывод по стойкостным испытаниям точением, так как наблюдается большой разброс величины износа даже на одинаково обработанных образцах.
В целом процесс ХТО твердых сплавов группы ВК дает некоторое повышение эксплуатационных свойств, но требуются дальнейшие исследования по подбору составов и режимов.
3000
500
1 2 3
Номер опыта
Опыт №1 АШ К4^е(С^6) при Т = 900 оС. Опыт №2 А1.А, N^0, кДе(С^в) при Т = 900 оС Опыт №3 А1203, N^0, Си при Т = 900 оС
Рисунок 8. Диаграмма микротвердости
разцов при истирании на алмазном диске заметно повысилась.
Исследован процесс термообработки твердых сплавов (ВК6, ВК8, ВК15) в соляных ваннах, проведена оптимизация условий изотермической закалки.
Проводятся промышленные испытания термообработанных изделий из твердых сплавов на Оренбургском локомотиворемонтном заводе, по завершении которых будут выданы рекомендации по внедрению термической обработки изделий из твердых сплавов при подготовке режущего инструмента.
22.09.11
Список литературы:
1. Богодухов, С.И. Методы повышения эксплуатационных свойств твердосплавного режущего инструмента / С.И. Бого-духов, В.С. Гарипов, Е.В. Калмыков, Б.М. Шейнин ; ГОУ ОГУ. - Оренбург, 2004. - 27 с. - Деп. в ВИНИТИ 11.10.04 № 1583-В2004.
2. Панов, В.С. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них / В.С. Панов, А.М. Чувилин.- М.: МИСИС, 2001. - 428 с.
3. Бондаренко, В.А. Обеспечение качества и улучшение характеристик режущих инструментов / В.А. Бондаренко, С.И. Богодухов. - М.: Машиностроение, 2000. - 141 с.
4. Лошак, М.Г. Упрочнение твердых сплавов / М.Г. Лошак. - К.: Наукова думка, 1997. - 142 с.
5. Верещака, А.С. Производство и применение в промышленности режущего инструмента из твердых сплавов с покрытиями / А.С. Верещака, В.П. Табаков. - М.: ЦНИИцветмет, 1980. - 34 с.
6. Табаков, В.П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана / В.П. Табаков. - Ульяновск, 1998. - 144 с.
7. О термической обработке карбидо-вольфрамовых твердых сплавов. Осколкова Т.Н. Вестн. гор. - металлург, секции РАЕН. Отд-ние металлургии. 2008, №22 с 192-200.
Сведения об авторах:
Богодухов С.И., заведующий кафедрой МТМ Оренбургского государственного университета,
доктор технических наук, профессор Шеин Е.А., преподаватель кафедры МТМ Оренбургского государственного университета,
кандидат технических наук Ясаков А.С., аспирант Оренбургского государственного университета Гарипов В.С., кандидат технических наук, доцент 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел. (3532) 773419 E-mail: [email protected]
UDC 621.762
Bogoduhov S.I., Garipov V. S, Shein E.A., Jasakov A.S. HIMIKO-THERMAL PROCESSING OF FIRM ALLOYS OF GROUP VK
In work processes of hardening of products of firm alloys by methods of himiko-thermal processing with application of induction heating, heating in salinas, and also with without oxidising heating are considered. Results of tests of the processed products from firm alloys on durability, hardness, and also on wear resistance and tests by cutting are resulted.
Keywords: firm alloys, heat treatment, tests.
Bibliography:
1. Bogoduhov, S.I. Method of increase of operational properties твердосплавного the cutting tool / S.I. Bogoduhov, V.S. Garipov, Е.В. Kalmyks, B.M. Shejnin; GOU OGU. - Orenburg, 2004. - 27 with. - Dep. In VINITI 11.10.04 № 1583-V2004.
2. Sirs, V.S. Tehnologija and property firm alloys and products from them / V.S. Panov, A.M. Chuvilin. - М: MISIS, 2001. - 428 with.
3. Bondarenko, V.A. Obespechenie qualities and improvement of characteristics of cutting tools / V.A. Bondarenko, S.I. Bogoduhov. - М: mechanical engineering, 2000. - 141 with.
4. Loshak, M.G. Uprochnenie of firm alloys / M.G. Loshak. - К: Naukova dumka, 1997. - 142 with.
5. Vereshchaka, A.S. Manufacture and application in the industry of the cutting tool from firm alloys with coverings / A.S. Vereshchaka, V.P. Tabakov. - М: CNIIcvetmet, 1980. - 34 with.
6. Tabakov, V.P. Rabotosposobnost of the cutting tool with wearproof coverings on the basis of difficult nitrides and karbidonitridov the titan / V.P. Tabakov. - Ulyanovsk, 1998. - 144 with.
7. About thermal processing of karbido-tungsten firm alloys. Oskolkova So-called Vestn. Mountains. - the metallurgist, sections of the Russian Academy of Natural Sciences. Otd-nie metallurgy. 2008, №22 with 192-200.
В результате проведенной работы по упрочнению изделий из твердых сплавов с использованием различных методов нагрева (индукционный, контактный, в водороде, в соляных ваннах и др.) установлено, что:
- твердость термообработанных изделий повышается до 20 % по сравнению с исходными в состоянии поставки.
- прочность на изгиб изделий повышаются в 1,5 - 1,8 раза;
- после ХТО на образцах наблюдалось незначительное понижение твердости (до 15 %), повышение прочности (до 50 %). Стойкость об-
