ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ ТУГОПЛАВКИХ ПОКРИТТІВ НА ТВЕРДОСПЛАВНОМУ ІНСТРУМЕНТІ
Алімов В.І., Уманська І.А. , Донецький національний технічний університет, кафедра "Фізичного матеріалознавства"
Створення інструментальних матеріалів, що володіють підвищеною зносостійкістю, високою міцністю, а також в'язкістю, здатністю пручатися короткочасному високоенергетичному впливу є актуальною задачею і можливості їхнього застосування можуть бути розширені при оптимізації параметрів складу, мікротвердості й адгезії покрить. Традиційний метод підвищення властивостей інструмента для різання легуванням у даний час стримується у зв'язку з дефіцитом ряду легуючих елементів і внаслідок цього практично важливою задачею стає пошук науконо-обгрунтованих режимів додаткової обробки інструмента. Вакуумні іоно-плазмові покриття на поверхні інструмента для різання дозволяють підвищити його опір зносу при експлуатації, розширити границі технологічних можливостей і зменшити витрати інструментальних матеріалів, а також поліпшити якість обробленої поверхні деталей. Однак деякі закономірності формування складу і структури захисних шарів і їхніх експлуатаційних характеристик залишаються поки неясними.
Розвиток машинобудування визначає головним чином можливість створення й одержання в достатніх кількостях конструкційних матеріалів, що відповідають комплексу вимог сучасної індустрії і нової техніки. Для підвищення терміну служби твердосплавного інструмента застосовують покриття з карбідів і нітридів титана, цирконію і гафнію, з огляду на їхню високу енергію зв'язку в кристалічних ґратах, велику міцність, твердість у різних середовищах і при високих температурах. З метою підвищення робочих характеристик і ефективності роботи виробів застосовують покриття з тугоплавких матеріалів.
Вольфрамокобальтові сплави складаються з карбіду вольфраму (WC) і кобальту. Сплави цієї групи розрізняються вмістом у них кобальту і розмірами зерен карбіду вольфраму. Сплав ВК6 складається з 94% WC і 6% Co.
Нітридні і карбідні покриття знаходять широке застосування в різних галузях промисловості, що пов'язано з їх граничними фізико-механічними властивостями і стійкістю в багатьох агресивних середовищах. Найбільше застосування як зносостійкі покриття для різальних інструментів одержали покриття, які містять тітан, що володіють такими властивостями.
Метою роботи було вивчення структури і властивостей покрить з тугоплавких з'єднань Ti, Zr, Hf на пластинках зі сплаву ВК6, а також їхньої здатності пручатися короткочасному високоенергетичному плазмовому впливу.
Нанесення покрить на твердосплавні пластини ВК6 проводили методом PVD на установці «Булат» шляхом пропущення парів бензолу з азотом над Ti (I) або над Ti + Zr + Hf (II) протягом 30 хв, або послідовно пропущенням парів бензолу, а потім азоту по 15 хв над Ti + Zr + Hf (III). У процесі нанесення утворювалися карбіди, нітриди і карбонитриды Ti, Zr і Hf.
Вимір мікротвердості проводили на мікротвердомірі ПМТ-3 по 10 вимірів на кожнім зразку при навантаженні 1,98 Н. Вимір твердості (HRA) проводили на твердомірі Роквела (погрішність одна одиниця HRA). Дані по твердості приведені в таблиці 3 (середне з 5 вимірів).
Потім проводили вимір товщини покрить металографічним методом (таблиця 1).
Перед проведенням іспиту на корозійну стійкість покриття зразки знежирювали і зважували на вагах. На поверхні зразків робили спеціальні лунки діаметром 3 мм із пластиліну. Потім лунку заповнювали 10 % - вим розчином H2SO4 і витримували 20 хв. Після проведення іспитів зразки також знежирювали і зважували на вагах.
Таблиця 1
– Значення твердості, мікротвердості і товшины покриття|
Властивість |
Сплав ВК6 |
Варіанти покриттів |
||
|
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
покриття, мкм |
- |
47,1± 1,6 |
48,9± 0,6 |
49,1± 0,8 |
З таблиці 3 просліджується тенденція зниження мікротвердості покрить у зв'язку з їхнім складом і способом нанесення. Мікротвердість зразків знижується при переході від варіанта I до III, що свідчить про пластифицирующем вплив карбідів і нітридів Zr і Hf, що взаємно розчиняються, у тому числі, і в з'єднаннях Ti; нітриди цих металів м'якше карбідів; Zr і Hf м'якше, ніж Ti. У той же час макротвердість сплаву з покриттями практично однакова (90 HRA), що трохи вище твердості вихідного сплаву (89 HRA).
Товщина покрить (таблиця 1) приблизно однакова, хоча вона трохи збільшується від зразка I до зразка III. Це можливо зв'язано зі зміною періоду кубічних ґрат, оскільки Ti і Ti мають трохи менший періоди ґрат, чим Zr і Zr, Hf і Hf.
Рисунок
1
– Властивості покрить
Зносостійкість
покриття варіанта II (0,0022
) виявилася в три рази вище, ніж покриття по
варіанті I; ще більш високу зносостійкість
мало покриття III, що погодиться з даними
роботи (рисунок 1). З даних про відносний
знос можна сказати, що при деякім зниженні
мікротвердості покрить їхній відносний
знос також знижується, що погодиться з
даними.
Найбільш
висока корозійна стійкість у покриття
варіанта I (2,03
), у той час як у покрить варіанта II і III вона
склала порядку 15
(рисунок 1), Ti у сіркової кислоти
не розчиняється.
На
пластинки з покриттями короткочасно
впливали електродуговою плазмою прямої
полярності, отриманої за допомогою
вуглеграфітового електрода діаметром 6 мм.
На
покриттях (I, II) відбулися викиди матеріалу
покриття з утворенням кратерів діаметром 100
– 200 мкм на всю товщину покриття і додатково
на глибину 10 - 30 мкм у твердому сплаві.
Товщина периферії кратерів збільшилася й
утворився графітовий наліт товщиною до 700 (I)
і навіть до 1100 (III) мкм.
На
оплавленій поверхні була велика кількість
пір діаметром від 0,3¸0,4 до 1¸1,2
мкм. Мінімальна кількість пір спостерігалося
в покриття (II) – приблизно 1 пора/мкм2,
у той час як у покриття (III) їх було 5¸6
пір/мкм2.
Мікротвердість
(навантаження 1,98 Н) оплавленої зони для
покриття (I) склала 17,2 Гпа при вихідній мікротвердості
20,3 Гпа; розходження в покрить (II, III) були
незначні і мікротвердість склала 17(17,3 Гпа (Б)
і 12(13 (III) Гпа відповідно.
Покриття в оплавлених ділянок відшаровуються
від твердого сплаву і сколюються.