ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ТУГОПЛАВКИХ ПОКРЫТИЙ НА ТВЕРДОСПЛАВНОМ ИНСТРУМЕНТЕ

Алимов В.И., Уманская И.А. , Донецкий национальный технический университет, кафедра "Физического материаловедения"

Создание инструментальных материалов, обладающих повышенной износостойкостью, высокой прочностью, а также вязкостью, способностью сопротивляться кратковременному высокоэнергетическому воздействию является актуальной задачей и возможности их применения могут быть расширены при оптимизации параметров состава, микротвердости и адгезии покрытий. Традиционный метод повышения режущих свойств инструмента легированием в настоящее время сдерживается в связи с дефицитом ряда легирующих элементов и вследствие этого практически важной задачей становится поиск научно-обоснованных режимов дополнительной обработки инструмента. Вакуумные ионно-плазменные покрытия на поверхности режущего инструмента позволяют повысить его сопротивление износу при эксплуатации, расширить границы технологических возможностей и уменьшить расход инструментальных материалов, а также улучшить качество обработанной поверхности деталей. Однако некоторые закономерности формирования состава и структуры защитных слоев и их эксплуатационные характеристики остаются пока неясными.

Развитие машиностроения определяет главным образом возможность создания и получения в достаточных количествах конструкционных материалов, отвечающих комплексу требований современной индустрии и новой техники. Для повышения срока службы твердосплавного инструмента применяют покрытия из карбидов и нитридов титана, циркония и гафния, учитывая их высокую энергию связи в кристаллической решетке, большую прочность, твердость в различных средах и при высоких температурах. С целью повышения рабочих характеристик и эффективности работы изделий применяют покрытия из тугоплавких материалов.

Вольфрамокобальтовые сплавы состоят из карбида вольфрама (WC) и кобальта (Сo). Сплавы этой группы различаются содержанием в них кобальта и размерами зерен карбида вольфрама. Сплав ВК6 состоит из 94% WC и 6% Co

Целью работы являлось изучение структуры и свойств покрытий из тугоплавких соединений Ti, Zr, Hf на пластинках из сплава ВК6, в том числе их способности сопротивляться кратковременному высокоэнергетическому плазменному воздействию.

Нанесение покрытий на твердосплавные пластины ВК6 проводили методом PVD на установке “Булат” путем пропускания паров бензола с азотом над Ti (I) либо над Ti + Zr + Hf (II) в течение 30 мин, либо последовательно пропусканием паров бензола, а затем азота по 15 мин над Ti + Zr + Hf (III). В процессе нанесения образовывались карбиды, нитриды и карбонитриды Ti, Zr и Hf.

Измерение микротвердости проводили на микротвердомере ПМТ-3 по 10 замеров на каждом образце при нагрузке 1,98 Н. Измерение твердости (HRA) проводили на твердомере Роквелла (погрешность одна единица HRA). Данные по твердости приведены в таблице 3 (средние из 5 измерений).

Перед проведением испытания на коррозионную стойкость покрытия образцы обезжиривали и взвешивали на весах. На поверхности образцов делали специальные лунки диаметром 3 мм из пластилина. Затем лунку заполняли 10 % - ным раствором H₂SO₄ и выдерживали 20 мин. После проведения испытаний образцы также обезжиривали и взвешивали на весах.

Свойство	Сплав ВК6	Варианты покрытий
		I	II	III
HRA	89	90	90	90
Н  , ГПа	10,064± 0,738	20,356± 1,365	17,336± 1,794	12,140± 0,267
d покрытия, мкм	-	47,1± 1,6	48,9± 0,6	49,1± 0,8

Из таблицы прослеживается тенденция снижения микротвердости покрытий в связи с их составом и способом нанесения. Микротвердость образцов снижается при переходе от варианта I к III, что свидетельствует о пластифицирующем влиянии карбидов и нитридов Zr и Hf, взаимно растворяющихся, в том числе, и в соединениях Ti [7]; нитриды этих металлов мягче карбидов; ZrN и HfN мягче, чем TiN. В то же время макротвердость сплава с покрытиями практически одинакова (90 HRA), что несколько выше твердости исходного сплава (89 HRA).

Толщина покрытий (таблица) приблизительно одинакова, хотя она несколько увеличивается от образца I к образцу III. Это возможно связано с изменением периода кубической решетки, поскольку TiC и TiN имеют несколько меньший периоды решетки, чем ZrN и ZrC, HfN и HfC.

Износостойкость покрытия варианта II (0,0022 ) оказалась в три раза выше, чем покрытия по варианту I; еще более высокую износостойкость имело покрытие III, (рисунок 1). Из данных об относительном износе можно сказать, что при некотором снижении микротвердости покрытий их относительный износ также снижается, что согласуется с данными.

Наиболее высокая коррозионная стойкость у покрытия варианта I (2,03), в то время как у покрытий варианта II и III она составила порядка 15 (рисунок 1), что согласуется с данными работы, согласно которой TiC в H₂SO₄ не растворяется.