CC BY
6ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА СТАЛИ, УПРОЧНЕННОЙ ПОКРЫТИЕМ НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВОЙ СМЕСИ WC-Co
В.Г. Буров, А.А. Батаев, А.Г. Тюрин, С.В. Буров, С.В. Веселов, И.А. Батаев
Введение
Качество твердого сплава в большой степени определяется количеством связанного и свободного углерода в порошковой смеси, а так же режимами формирования материала (температурой спекания, скоростью нагрева и охлаждения, наличием внешнего давления или вакуума и др.). Формирование металлокерамических твердых сплавов, имеющих металлическую матрицу и упрочняющую фазу из карбидов тугоплавких металлов, осуществимо при условии обеспечения перехода матричного материала в жидкое состояние. Появление жидкой фазы инициирует диффузионные процессы и реакции с растворением частиц карбида и образованием новых твердых фаз. Образовавшиеся при нагреве фазы могут сохраняться или распадаться при затвердевании матричного материала в зависимости от содержания связанного и свободного углерода, условий и режимов спекания.
Формирование покрытий нанесением твердых сплавов на стальные поверхности также должно сопровождаться появлением жидкой фазы. Процессы взаимодействия компонентов порошковой смеси с материалом основы сложнее, а требования к химическому составу в зоне расплава жестче, чем при спекании твердых сплавов. Высокие показатели характеристик качества поверхностного слоя с покрытием (высокая прочность сцепления, благоприятное распределение напряжений, усталостная прочность) могут быть обеспечены при формировании развитой переходной зоны. Настоящая работа посвящена результатам исследований износостойкости спеченных на стальной поверхности покрытий «карбид вольфрама - кобальт» и механических свойств композиции в зависимости от режимов предварительного бори-рования стали. С целью обеспечения условий физико-химической совместимости компонентов порошковой смеси и основы в работе изменяли химический состав спекаемой композиции следующими способами:
- в состав порошковой смеси вводили порошок бора аморфного;
- осуществлялась цементация поверхностного слоя основы;
- осуществлялось борирование поверхностного слоя основы.
Материалы и методика исследования
В качестве материала основы использовалось техническое железо, углеродистые и легированные стали (20, 45, У8, У 10, Р6М5, Р18, 20Х23Н18, 7ХНМ). Исходными материалами для формирования покрытий служили твердосплавные порошковые смеси ВК6, ВК8, ВК15. Покрытия наносились на образцы толщиной 3...10 мм из стали 20, 45 и У8, предварительно борированные в порошковой засыпке, состоящей из частиц B4C зернистостью 250...300 мкм и 2...4% NH4Cl при температурах от 850 до 1000 °С в течение 1, 2, 4 и 6 часов.
Процесс формирования покрытия состоял из двух стадий: электрофоретического осаждения порошковой смеси и спекания полученного осадка при температуре появления жидкой фазы. Спекание проводилось радиационным нагревом в вакуумной печи СШВЭ-1,25. Время спекания в вакуумной печи минимизировалось по наблюдению за зеркалом оплавленной поверхности и составляло 5.30 с.
Металлографические исследования проводились с использованием оптического микроскопа NU-2E. Для проведения фракто-графических исследований поверхностей изломов поверхностных слоев со спеченными покрытиями применяли растровые электронные микроскопы Tesla BS-350 и LEO 420.
Характер распределения химических элементов по глубине упрочненного слоя оценивали на растровом электронном микроскопе JEOL JXA-5A, оснащенном энергодисперсионным спектрометром типа kevex. Исследование образцов проводили в режиме, основанном на использовании вторичных электронов (режим SEI) при ускоряющем напряжении 15 кВ и силе тока электронного пучка 10-10...10-7 А, а также в режиме обратно рассеянных электронов (режим COMPO) при ускоряющем напряжении 20 кВ. Определение фазового состава покрытия и переходного слоя осуществлялось методом рентгеновской дифрактометрии на установках ДРОН-ЗМ и PPOH-SEIFERT-RM4 (R=192 мм, СиКа-излучение, Ni-фильтр, счетчик сцинтилляци-онный, фокусировка Брэгга-Брентано), а также с помощью синхротронного излучения в Международном центре синхротронного излучения при Институте ядерной физики име-
ни А.М. Будкера СО РАН. Идентификацию фаз, присутствующих в исследуемых материалах, проводили с использованием банка данных International Centre for Diffraction Data.
Для предварительной оценки механических свойств поверхностных слоев с покрытием использовалось измерение микротвердости на приборе ПМТ-3. Прочностные характеристики композиции «основной металл -переходная зона - покрытие» определялись при одноосном растяжении плоских гантеле-образных образцов с применением машины растяжения - сжатия 2167 Р-50. Во время испытаний скорость перемещения подвижной траверсы составляла 10 мм/мин с записью диаграмм растяжения с помощью тензомет-рической системы на самописце ПДП4-002 в координатах «нагрузка Р - удлинение Al».
Оценка усталостной трещиностойкости осуществлялась по методике, основанной на построении кинетических диаграмм разрушения.
Испытания на ударную вязкость разрушения проводились с использованием маятникового копра КМ-5Т с максимальным запасом энергии 50 Дж.
Результаты исследований В поперечном сечении стальных образцов после насыщения поверхностного слоя бором наблюдается структура, состоящая из трех характерных зон: зоны, содержащей бо-риды железа FeB и Fe2B, зоны аномально грубой феррито-перлитной структуры стали (с размерами зерен до 1,6 мм) и зоны исходной структуры (рисунок 1).
" Р
>) S
/ v
С
P-L X
J} jyfïJr*
И400
Рисунок 1 - Структура стали 45 после борирования в течение 6 часов при температуре 850 °С (а), 900 °С (б), 950 °С (в), 1000 °С (г)
б
а
г
Зона крупных зерен увеличивается с ростом температуры борирования. Насыщение поверхностного слоя бором приводит к снижению температуры плавления и температуры рекристаллизации стали и, как следствие, к быстрому росту зерна в зоне, прилегающей к борированному слою. Время бори-рования от 1 до 6 часов не оказывает существенного влияния на величину зерна.
Температура борирования основы определяет структуру и свойства поверхностного слоя после спекания порошковой смеси WC-
Так, например, толщина переходного слоя с увеличением температуры борирова-ния от 850 до 1000 °С увеличивается от 25 до 150 мкм. С увеличением толщины бориро-ванной зоны поверхностного слоя возрастает количество жидкой фазы, образующейся в процессе спекания покрытия. Структура поверхностного слоя с покрытием (рисунок 2) состоит из:
- покрытия, содержащего частицы карбида вольфрама, связанные материалом
связки (^ - ^^ и Fe - Fe2B);
- переходного слоя, состоящего из разветвляющихся дендритов эвтектик Fe - Fe2B и ^ -
Рисунок 2 - Структура переходного слоя между спеченным покрытием и борированной сталью 45. Время борирования 6 часов, температура борирования 1000 °С, температура спекания 1175 °С
- материала основного металла (стали
45).
Оптимизация температурно-временных режимов спекания покрытий на предварительно борированной стали не позволяет полностью исключить образование сложных карбидов Fe3W3C (не более 5 % от объема). Это становится возможным при введении в твердосплавную порошковую смесь бора аморфного в виде порошка. Однако, при спекании на стальной поверхности порошковой смеси WC-Co-B образуется переходная зона, толщина которой соизмерима с толщиной твердосплавного слоя (рисунок 3). Кроме того, существенное влияние на качество поверхностного слоя оказывает равномерность распределения бора и кобальта. Недостаток бора приводит к локальному образованию сложного карбида, его излишек - к образованию пор. Как поры, так и сложные карбиды снижают механические свойства поверхностного слоя и являются нежелательными. Увеличение времени спекания приводит к увеличению объемной доли частиц сложного карбида Fe3W3C независимо от количества бора, введенного в порошковую смесь или в химический состав предварительно борированной стали.
Рисунок 3 - Поперечный шлиф покрытия на основе порошковой смеси WC-Co(ВК15)+2%В после жидкофазного спекания на подложке из стали У10
Температура борирования стальной основы, определяя структуру поверхностного слоя, влияет на износостойкость и ударную вязкость композиции «борированная сталь -твердосплавное покрытие». В то же время, продолжительность процесса борирования, от которой также зависит толщина бориро-ванного слоя, не оказывает существенного влияния на указанные характеристики конструктивной прочности композиции. Увеличение температуры предварительного бори-рования от 850 до 1000 0С позволяет повысить износостойкость покрытия при трении о закрепленные частицы абразива от 4,9 до 7,6 раз в сравнении с эталоном из отожженной стали 45. В сравнении с износостойкостью металлокерамического твердого сплава ВК20 износостойкость полученных покрытий составляет 0,8...0,9. Исследования поверхности трения показали, что в материале покрытия преобладает селективный износ, т.е. имеет место изнашивание материала связки покрытия и последующее выкрашивание частиц упрочняющей фазы (рисунок 4).
Измерение твердости связки спеченного покрытия позволило сделать вывод о ее корреляции с износостойкостью. Увеличение температуры борирования приводит и к увеличению твердости связки спеченного покрытия. Испытания вольфрамокобальтовых покрытий в условиях трения скольжения по схеме диск - плоскость показали, что скорость изнашивания покрытия в 5 раз меньше скорости изнашивания быстрорежущей стали Р18 и соизмерима со скоростью изнашивания твердого сплава.
Динамические испытания образцов из стали 45 с вольфрамокобальтовыми покрытиями на основе ВК6 толщиной 200 мкм свидетельствует о том, что ударная вязкость полученных композиций снижается с увеличением температуры предварительного бо-рирования от 39 до 6 Дж/см (рисунок 5а). Увеличение продолжительности борирова-ния от 1 до 6 часов при 900 0С не приводит к резкому снижению ударной вязкости (рисунок 5б). Следовательно, данная характеристика определяется в большей степени структурным состоянием основного металла, чем толщиной переходного слоя.
На основании фрактографических исследований изломов композиций "сталь 45 (предварительное борирование) - покрытие на основе вольфрамокобальтовой порошковой смеси" можно сделать вывод о том, что основной металл разрушается по механизму скола с ярко выраженным ручьистым изломом. Анализ результатов проведенных исследований свидетельствует о незначительной доле пластической деформации материала (рисунок 6).
Проведенные исследования влияния режимов предварительного борирования основы на способность композиции сопротивляться распространению трещины при циклическом нагружении также показали отрицательное влияние повышения температуры (рисунок 7). На поверхности излома композиции «сталь 45 (борирование 850 0С, 6 часов) - вольфрамокобальтовое покрытие» наблюдаются бороздки усталостного разрушения под углом 45° (рисунок 8). Также видно, что разрушение переходного слоя развивалось позднее, чем разрушение основы и покрытия.
При проведении прочностных испытаний было обнаружено, что растягивающие напряжения вызывают поперечное растрескивание покрытия. Отслоения покрытий от основного металла не наблюдается. Такой результат объясняется высоким уровнем адгезионной прочности покрытий. Увеличение температуры предварительного борирова-ния стали 45 от 850 о 1000 0С приводит к снижению предела прочности образцов с покрытиями от 640 до 460 МПа, а относительного удлинения- от 5,5 до 1,2%.
Испытания образцов из стали 45 после борирования без нанесения покрытий выявили аналогичные зависимости предела прочности и относительного удлинения от температуры борирования. Нанесение покрытий не отражается на прочностных свойствах борированной стали 45, однако приводит к значительному снижению характеристик пластичности. Термическая обработка образцов с вольфрамокобальтовыми покрытиями (закалка от 850 0С в масло, отпуск 300 0С) позволяет повысить предел прочности на 20 % и относительное удлинение примерно на 30 %.
б
Рисунок 4 - Поверхность покрытия после изнашивания о закрепленные частицы абразива. Износ связки (а), выкрашивание частиц карбида вольфрама (б)
KCU Дж/см2
40
30
20
10
KCU Дж/см2 40
850 900 950 1000
Температура борирования, 0С
30
20
10
о
о
о
о
о
о
о
о
60 120 180 360
Время борирования, мин б
Рисунок 5 - Ударная вязкость композиции «сталь 45 - покрытие». Серые поля - композиция до термообработки (ТО). Время борирования 6 часов (а), температура борирования 900 °С (б)
а
а
V,
м/цикл 10
10-6
10-7
10"'
10-9
■ ■ о п да •
\
С л
л
т
1 П л
■ ■ □ ю о
■ □ ■п л р *о° • о
■ □ . •
п -о-
п Л* и
■ п „^ -О
1 □ 4 гР
■ п-Л о
°д ои
■ ■ < » ло° □ д О 1 л О
Ьг-о--
• " п
и Л ^
Д О
А О О
5 7
10
20
50
100
..1/2
□<, МПа- м"
Рисунок 7 - Кинетические диаграммы разрушения стали 45 после предварительного бо-рирования и спекания покрытия. • - отжиг 900 ° С без покрытия; о - борирование 850 ° С, 6 часов; Д- борирование 900 ° С, 6 часов; □ - борирование 950 ° С, 6 часов; ■ - борирование 1000 ° С, 6 часов;
Выводы
1. Получены зависимости структуры и свойств формируемых покрытий от параметров предварительного борирования основного металла. Установлено, что рост температуры предварительного борирования стали 45 от 850 до 1000 0С приводит к увеличению толщины переходного слоя между покрытием, спеченным на оптимальных режимах, и основным металлом от 25 до 150 мкм, повышению значений микротвердости покрытий от 11700 до 15500 МПа, относительной износостойкости покрытия в условиях трения о закрепленные частицы абразива от 4,9 до 7,6. В сравнении с металлокерамическим твердым сплавом ВК20 износостойкость полученных покрытий составляет 0,8...0,9.
2. Ударная вязкость стальных образцов с вольфрамокобальтовыми покрытиями снижается с увеличением температуры предварительного борирования от 39 до 6 Дж/см2. Анализ поверхностей изломов динамически ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК №2 (ч. 2) 2005
Рисунок 8 - Фрактограммы излома композиции при усталостном циклическом нагруже-нии. Направление распространения трещины справа налево.
разрушенных образцов свидетельствует о проявлении квазихрупкого скола, характерного для перегретой стали. Термическая обработка композиции «сталь - вольфрамоко-бальтовое покрытие» позволяет увеличить долю пластической составляющей в основном металле и переходном слое, что повышает значения ударной вязкости в 1,5 раза.
3. Увеличение температуры предварительного борирования стали 45 от 850 до 1000 0С приводит к снижению предела прочности образцов с покрытиями от 640 до 460 МПа, а относительного удлинения - от 5,5 до 1,2 %. Нанесение вольфрамокобальтовых покрытий на сталь 45 (после борирования) не ухудшает прочностные показатели (ств, стт) в сравнении с борированной сталью 45, однако приводит к снижению характеристик пластичности.
Новосибирский государственный технический университет
б
