CC BY
10УДК 621.78.001, 621.793.18
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ТВЕРДОГО СПЛАВА МЕТОДОМ ТГХО
А.А. Шматов, О.Г. Девойно, Ю.О. Лисовская
В работе исследованы структура и свойства поверхности твердого сплава, подвергнутого термогидрохимической обработке (ТГХО). ТГХО включает: (1) химическую обработку в оксидной вододисперсной среде; (2) термообработку. В результате оптимизации процесса ТГХО коэффициент трения твердосплавной поверхности снизился в 3,8 раза. Разработанная технология повышает стойкость режущих инструментов в 1,3 - 4,0 раза, по сравнению с традиционными.
Ключевые слова: твердый сплав, инструмент, упрочнение, твердосмазочное покрытие.
Введение
Проблема повышения износостойкости твердосплавных инструментов, по-прежнему, остается актуальной. Решить ее можно путем модифицирования сплавов тугоплавкими соединениями с помощью различных методов обработки. Наибольший научный и практический интерес в этом плане представляет процесс термогидрохимической обработки (ТГХО), поскольку применим для готовых к эксплуатации твердосплавных инструментов, не изменяет их первоначальные размеры, форму и структуру [1-4].
Согласно настоящим представлениям в области трения и изнашивания [5-7] лучшими антифрикционными свойствами в атмосферных условиях обладают материалы и покрытия на основе сульфидов и оксидов. Однако предпочтение при разработке покрытий отдается оксидам, поскольку они являются постоянной составляющей граничного слоя, образующегося при трении любого материала. При формировании оксидной пленки определенного состава и структуры можно создать поверхностное упрочнение (эффект Роско) и снизить сопротивление сдвигу при трении (эффект Ребиндера, Берналла и др.); причем эффект Ребиндера реализуется только в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ) [7, 8]. Согласно молекулярно-механи-ческой теории трения повышение износостойкости инструмента можно достичь при выполнении двух основных условий: при высокой твердости поверхности инструмента и низкой прочности его адгезионной связи с обрабатываемым материалом [6, 7].
В результате модифицирования поверхности твердого сплава можно сформировать наноструктуру на основе тугоплавких и сверхтвердых материалов [1-4, 9]. Наноструктури-рованные материалы и покрытия облегчают разрыв адгезионных соединений в зоне тре-
ния; в тоже время твердость наноматериалов из тугоплавких соединений возрастает 2 - 3 раза [10]. Именно покрытия, сформированные методом термогидрохимической обработки, имеют наноструктуру и обладают твердосмазочными свойствами (сверхпластичностью). [1-4]. В условиях интенсивной эксплуатации инструментов, когда в зоне трения отсутствует смазка или ее подача ограничена, наилучшим способом снижения коэффициента трения является нанесение твердосмазочных покрытий на режущую кромку инструмента. ТГХО является наиболее простым и универсальным методом. С его помощью можно создавать нанострукту-рированные покрытия на основе оксидов, сульфидов, карбидов, других антифрикционных материалов и их композиций [1-4].
Из приведенного анализа следует, что процесс ТГХО имеет большие перспективы для своего развития, прежде всего для высокопроизводительных инструментов, испытывающих значительные механические и температурные нагрузки. Однако вопросы, связанные с термогидрохимической обработкой практически всех инструментальных материалов мало изучены.
В настоящей работе поставлены задачи: 1) сравнить триботехнические свойства твердосплавной поверхности, подвергнутой ТГХО в вододисперсных оксидных средах; 2) оптимизировать процесс ТГХО твердого сплава; 3) изучить структуру и напряженное состояние поверхностных слоев твердого сплава, подвергнутого ТГХО; 4) апробировать разработанный процесс ТГХО в промышленности.
Объекты и методика исследований
Все исследования проведены на твердых сплавах ВК6 и Т15К6, которые подвергали термогидрохимической обработке. Этот процесс осуществляли в 2 этапа путем: (а) гид-
рохимической обработки (ГХО) поверхности при температуре 95 - 100 °С в течение 40 -120 минут в вододисперсной среде на базе наноразмерных порошков оксидов; (б) последующей термической обработки (ТО), включающей нагрев до температуры 130 - 1050°С, выдержку в течение 30 - 60 минут и охлаждение. Вододисперсную среду предварительно готовили по специальной технологии диспергирования грубодисперсных частиц оксидов (размером не более 5 мкм) до наноуров-ня при добавлении 5% водорастворимого поверхностно-активного вещества (сульфа-нола). Готовым считался рабочий состав с кислотностью РН 6 - 8, которую устанавливали и поддерживали путем дозированного введения NH4OH. При проведении химической обработки образцы выдерживали в ванне с готовым составом водной насыщающей среды, нагретой до температуры процесса. После каждой операции подготовки и химической обработки образцы промывали в воде. Изотермическую выдержку твердых сплавов проводили в воздушной среде до 250 °С, выше этой температуры - под слоем флюса SnCl2 или плавкого затвора B2O3 .
Для изучения структуры твердых сплавов, подвергнутых ТГХО, применяли микроструктурный, рентгеноструктурный и другие анализы. Тонкую структуру покрытий исследовали на атомно-силовом микроскопе «Nanoscope 3D» (Veeco, USA). Определение триботехнических свойств поверхности осуществляли на микротрибометре возвратно-поступательного типа (ИММС, г. Гомель) по схеме «подвижный шарик - неподвижная плоскость» при условиях испытаний: нагрузка 1 Н; длина хода (трека) 3 мм, скорость 4 мм/с; пара трения: упрочненный сплав (плоскость) - сталь ШХ15 (сфера диаметром 4 мм) [4]. Показатель относительной стойкости упрочненного инструмента определяли по формуле Kw = t2/ti, где t1 - время работы (длина рабочего хода) исходного инструмента; t2- время работы упрочненного инструмента.
Результаты исследований
Процесс термогидрохимической обработки имеет двойственный характер упрочнения: (1) на поверхности твердого сплава осаждается твердосмазочное покрытие (2) в подслое формируется модифицированная зона с высокими напряжениями сжатия.
Оптимально полученные покрытия на твердых сплавах имеют малую толщину (до 1 мкм). Это ограничивает число методов, с помощью которых можно изучить свойства тер-
могидрохимических (ТГХ) покрытий. Для твердосмазочных покрытий широко применяют методы исследования триботехнических характеристик, определяющей из которых является коэффициент трения [3, 4, 10].
Триботехнические исследования
Полученные твердосмазочные покрытия, благодаря формированию нанокристалличе-ской структуры, обладают сверхпластичными свойствами. Результаты (рис. 1) сравнительных трибологических испытаний поверхности твердого сплава ВК6, подвергнутого 2 ч. химической обработки (без термообработки) позволили сделать заключение, что в условиях сухого трения скольжения и воздушной атмосферы: твердосмазочные гидрохимические (ГХ) покрытия на основе нанооксидов имеют высокие антифрикционные свойства.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Количество циклов скольжения
Рисунок 1 - Сравнительная диаграмма изменения коэффициента трения (без смазки) от длительности изнашивания поверхности твердого сплава ВК6 после ГХО в среде на основе одно-компонентных оксидов
На основании оптимизации и компьютерного проектирования процесса ТГХО твердого сплава ВК6 с помощью синтез - технологий определены технически - оптимальные режимы и составы вододисперсных наноок-сидных сред [4]. Обработка твердого сплава ВК6 по оптимальному режиму (ХО при 100 °С,
19 мин. в составе Т102+Мо03 , затем ТО при 1035 °С, 10 мин.) позволила существенно (в 3,8 раза) снизить коэффициент трения поверхности при сухом скольжении, по сравнению с исходным состоянием (рис. 2).
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Количество циклов скольжения
Рисунок 2 - Сравнительная диаграмма изменения коэффициента трения (без смазки) от длительности изнашивания поверхности твердого сплава ВК6 до и после ТГХО
В результате оптимизации процесса ТГХО выявлена важная эксплуатационная особенность разработанных покрытий. ТГХ оксидные покрытия отличаются, от ныне известных наноструктурированных покрытий [9, 10], более высокой термической стабильностью: даже после нагрева до 1035 °С и выдержки в течение 10 мин. полученные покрытия сохраняют очень низкий коэффициент трения (f = 0,106) (рис. 2).
Рисунок 3 - Морфология поверхности твердого сплава ВК6, подвергнутого ТГХО, до (а) и после испытаний на трение без смазки (б) режим ТГХО: ХО в среде ТОг + MoOз при Т=100 0С, t=15 мин, ТО при Т=1000 0С, t= 10 мин
Для инструмента, у которого место контакта с обрабатываемой деталью меняется со временем [11], важно на протяжении всего периода эксплуатации иметь не только минимальные, но неизменные значения коэффициента трения. Таким требованиям отвечают ТГХ покрытия (рис.2); и в этом они имеют преимущества перед известными твердосма-зочными покрытиями [9].
Структурный анализ поверхности ТГХ упрочненного твердого сплава ВК6 свидетельствует о том, что полученные нанострук-турированные покрытия при трении хорошо пластифицируются (рис. 3).
Структурные исследования
Такие исследования в настоящей работе были проведены на твердосплавных образцах, упрочненных ТГХО в оптимальных водо-дисперсных средах на основе оксидов ТЮ2 + MoO3.
С помощью атомно-силового микроскопа «Nanoscope 3D» изучали морфологию и кинетику формирования наноструктурированных слоев сначала в результате гидрохимической обработки твердого сплава ВК6 в оптимальном вододисперсном составе, а затем после нагрева до температур от 100 до 1050 °С. ТГХ покрытия на твердом сплаве ВК6 имеют сложную структуру поверхности, состоящую из неоднородных по цвету и форме зерен (рис. 4) на основе комплексно легированных оксидов. Эти покрытия имеют столбчатую (волокнистую) структуру, которая лучше выявляется на толстых слоях, поскольку средняя длина волокон составляет 700 нм (рис. 4 а). ТГХ покрытия формируются с нано- или нанокомпозитной структурой.
Вододисперсная насыщающая среда модифицирует керамический твердый сплав в 10 раз быстрее, чем сталь: толщина твер-досмазочного покрытия на сплаве ВК6 после 2 часов ГХО составила 5 - 7 мкм, при этом кластерные органические соединения проникают в твердосплавную режущую пластину на всю 5 мм толщину (рис. 5). Наличие органических соединений на базе ПАВ и оксидов ТЮ2+Мо03, определяли с помощью фокусированного пучка ионов Ga на установке На-ноФаб-100, оснащенной модулями сканирующей зондовой микроскопии. Наибольшая концентрация органических соединений (светлых на рис. 5) сосредоточена на поверхности твердосплавного образца (на глубине
до 150 мкм) в виде скоплений частиц неправильной формы размером 1 - 15 мкм.
б)
Рисунок 4 - Структура излома (а) и мукро-рельеф (б) поверхности твердого сплава ВК6, подвергнутого ТГХО в оптимальной вододисперсной среде на основе 1О2 +М0О3
Рисунок 5 - Распределение органического соединения (светлый фон) в твердом сплаве ВК6, подвергнутого ТГХО в оптимальной среде на основе ТЮ2+М0О3
В результате травления поверхностных слоев твердого сплава высоко энергетичны-ми ионами Ga при увеличении (*7260) выявлена слоистая структура органических образований (рис. 5), которые преимущественно сосредоточены на границах карбидных фаз и порах твердосплавной основы.
Напряженное состояние
Рентгеноструктурные исследования (табл. 1) показали, что после ТГХО твердых сплавов Т15К6 и ВК6 формируются остаточные сжимающие напряжения 1-го рода. Все съемки выполнялись на дифрактометре ДРОН - 3.0 в режиме сканирования по точкам в монохроматизированном СиКа излучении. Расчет макронапряжений в твердых сплавах осуществляли по методике [12]. Величина макронапряжений сжатия возрастает в 2 - 3 раза, по сравнению с необработанными сплавами и сравнима с уровнем напряжений, создаваемых методами пластической деформации (ППД, МГПД и др.) [13, 14]. Если при ППД создается плотность дислокаций, равная 1010 - 1012 на см-2 [15], то при ТГХО твердых сплавов число дислокаций существенно не меняется, по сравнению с исходным состоянием (табл. 1).
Таблица 1 - Результаты рентгеновского анализа твердых сплавов до и после ТГХО
Мате риал Режим обработки Фаза (линия) 2в±, град а, МПа Плотность дислокаций, 109 см-2
Т15К 6 Исх. WC (211) [25-1047] 117,30 -120 1,84246
ТГХО 117,26 -235 2,47587
ВК6 Исх. WC (211) [25-1047] 117,30 -71 1,96186
ТГХО 117,25 -210 1,97629
Микронапряжения (2-го рода) в ТГХ упрочненных твердых сплавов выявлены не были, не отмечено также статических искажений решетки [12]. Рентгеновским анализом не установлен фазовой состав ТГХ покрытий, поскольку их наноструктура справедливо считается рентгеноаморфной [16, 17].
Улучшение износостойкости твердого сплава при его гидрохимической обработке, можно объяснить реализацией эффекта Ре-биндера, который носит адгезионный характер взаимодействия поверхности любых твердых тел с поверхностно-активными веществами [8]. В нашем случае присутствие ПАВ в насыщающей среде позволяет интенсифицировать процесс поверхностного диспергирования оксидов и твердого сплава, образуя устойчивую дисперсную систему на ос-
нове мицелл, которые на начальной стадии износа способны направленно двигаться в зону контакта и снижать силы адгезии [5-7]. В результате по принципу диффузионно-вакан-сионного механизма происходит скольжение внутри покрытия, но с малыми затратами энергии. Такое свободное перемещение слоев покрытия в процессе изнашивания обеспечивает ему самосмазывающий эффект.
Применение результатов исследований
Результаты производственных испытаний свидетельствуют о том, что ТГХО с использованием разработанных нанооксидных составов позволяет увеличить износостойкость различных видов твердосплавных инструментов в 1.3 - 4.0 раз, по сравнению с необработанными (табл. 2). Причем наивысшие показатели износостойкости упрочненных твердосплавных режущих инструментов достигнуты при черновой токарной и фрезерной обработке сталей и цветных сплавов. Процесс внедрен в Беларуси на предприятиях «МТЗ», «БелАЗ», «Мотовело» и др.
Таблица 2 - Результаты испытаний твердосплавных инструментов, подвергнутых ТГХО
Выводы
Разработанный процесс термогидрохимической обработки имеет двойственный характер упрочнения: на поверхности твердого сплава осаждается наноструктурированное твердосмазочное покрытие, а в подслое формируется модифицированная зона с высокими напряжениями сжатия, сравнимыми с уровнем напряжений, создаваемых методами поверхностной пластической деформации.
В результате оптимизации процесса термогидрохимической обработки коэффи-цент трения твердосплавной поверхности снизился в 3,8 раза, по сравнению с исходным состоянием. Отмечена высокая термическая стабильность нанокомпозитных структур полученных покрытий, которые даже после нагрева до 1035 °С сохраняют очень низкий коэффициент трения (f = 0,106) в случае отсутствия смазки.
Разработан простой способ термогидрохимической обработки, который позволяет повысить стойкость различных видов твердосплавных инструментов в 1.3 - 4.0 раза выше, в сравнении со стандартными.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент 2023027 (Российская Федерация) Шматов А. А., Ворошнин Л. Г. Способ упрочнения инструмента из быстрорежущей стали. Бюл. 21, 1994.
2. Shmatov A. A. Low-temperature and high-tempe-rature thermochemical hardening technologies for hard alloys // ESDA 2006: Proceedings of the International Conference - Turin, Italy, 2006. - P. 127132.
3. Шматов, А. А. Нанотехнология низкотемпературного термохимического упрочнения готового к эксплуатации инструмента // Сб. науч. тр. / Нано-структурные материалы: получение, свойства, применение. - Мн., 2009. - С. 221-230.
4. Шматов А.А. и др. Исследование и компьютерное проектирование процесса ТГХО твердого сплава ВК6 // Вест. Полоц. гос. ун-та. Сер. В. Промышленность. - 2010. - №8. - С. 125-133.
5. Гаркунов Д. Н., Корник П.И. Виды трения и износа. Эксплуатационные повреждения деталей машин. - М: Изд-во МСХА, 2003. - 344 с.
6. Мышкин Н. К., Петроковец М. И. Трение, смазка, износ.-М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 368 с.
7. Польцер Г., Майсснер Ф. Основы трения и изнашивания. - М.: Машиностроение, 1984. - 264 с.
8. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. - М.: Машиностроение, 1974. - Т.2 - 135 с.
9. Витязь П. А. Твердосмазочные покрытия в машиностроении.- Мн.: Бел. наука, 2007. - 170 с.
Вид инструмента Материал инструмента Обрабатываемый материал Повышение стойкости, Kw
ПО «БелАЗ»
Режущие пластины для чистовой токарной обработки Твердый сплав Т15К6 Сталь 40Х (НВ217) >2
РУП «Кузнечный завод тяжелых штампов» (КЗТШ)
Режущие пластины для чистовой токарной обработки Твердый сплав Т15К6 Сталь 20 1,8 - 1,9
АП «Минский подшипниковый завод»
Торцевые фрезы сборные Твердый сплав Т15К6 Конструкционные, инстру-ментальные стали 2,1
Резцы гальтельные 2
РУПП «Автогидроусилитель» (АГУ
Режущие пластины для чистовой токарной обработки Твердый сплав Т15К6 Сталь 30ХГТ (НВ229) 2
РУП «Белорусский металлургический заво д» (БМЗ)
Торцевые фрезы сборные Твердый сплав МК8 Медный сплав М1РО 1,6 - 2
Режущие пластины для черновой токарной обработки Твердый сплав РТ40 Сталь 20 2,6 - 3,3
Режущие пластины для чистовой токарной обработки Твердый сплав МР4 Сталь 3 1,3
Волоки Твердые сплавы металло-корд 1,4 - 1,8
ОАО Минский мотовелозавод ММВЗ или Мотовело)
Режущие пластины для черновой фрезерной обработки Твердый сплав Т15К6 Стали ШХ15, 4Х5МФС 3 - 4
10. Материаловедение. Технология конструкционных материалов / под ред. В. С. Чередниченко. - М.: Омега-Л, 2008 - 752 с.
11. Бельский С. Е., Тофпенец Р. Л. Структурные факторы эксплуатационной стойкости режущего инструмента - Мн.: Наука и техника, 1984. -128 с.
12. Горелик С.С., Расторгуев Л. Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптиче-ский анализ. - М: Металлургия, 1970. - 107 с.
13. Научные основы повышения малоцикловой прочности / под. ред. Н. А. Махутова. - М.: Наука, 2006. - 623 с.
14. Бойцов В. Б., Чернявский А. О. Технологические методы повышения прочности и долговечности. - М.: Машиностроение, 2005. - 128 с.
15 Материаловедение: учебник для втузов / под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. - 648 с.
16. Наноструктурные материалы - 2008. (НАНО-2008): материалы Первой междунар. науч. конф. - Мн.: Белорус. наука, 2008. - 765 с.
17. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. - М.: Физматлит, 2009. - 416 с.
Шматов А.А., к.т.н., с.н.с., доцент, ведущий научный сотрудник НИИЛ акустики и специальных материалов, e-mail: [email protected]
Девойно О.Г., д.т.н., профессор, главный научный сотрудник НИИЛ плазменных и лазерных технологий
e-mail: [email protected] «Белорусский национальный технический университета», г. Минск
Лисовская Ю.О., заведующая группой химико-спектрального анализа ГНУ «Институт порошковой металлургии» НАН Беларуси
e-mail: lisovskayauliya@hotmail. com
