Введение к работе
Актуальность темы. Твердые сплавы на основе карбида вольфрама обладают уникальными физико-механическими свойствами, что делает их привлекательными для использования в качестве инструментального материала для обработки металлов резанием. Однако при высоких скоростях резания в области контакта инструмента с обрабатываемой деталью температура твердого сплава может достигать более 800 С, что приводить к снижению его твердости и износостойкости, и как следствие, к уменьшению срока работы. Одним из современных направлений повышение ресурса эксплуатации твердосплавного режущего инструмента является нанесение на его поверхность защитных и упрочняющих покрытий. Традиционно для этой цели используют химическое осаждение из парогазовой среды металл-галогенов и смесей различных газов (водорода, аммиака, оксида углерода и т.д.), физическое осаждение методами ионно-лучевого или ионно-плазменного распыления металлов (Ti, Zr, W, A1) в реакционной среде (азота и углеводородной смеси). Альтернативой данным способам нанесения покрытий может служить электроискровое легирование (ЭИЛ), основанное на модификации структуры поверхностных слоев металла и переносе вещества с анода на катод-подложку при многократном воздействии электрических разрядов низкого (10-100 В) напряжения в газовой среде. Метод ЭИЛ отличается возможностью использования любых токопроводящих материалов, низким энергопотреблением, формирования поверхностного слоя в любой газовой среде (в т.ч. на воздухе).
Со времени открытия метода электроискровой обработки учеными Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко накоплен значительный объем экспериментальных данных по изучению процессов формирования покрытий, в том числе и с использованием электродных материалов на основе сплавов карбидов вольфрама и титана с кобальтовой связкой. Однако, в основном, эти твердые сплавы применялись для упрочнения поверхности конструкционных и быстрорежущих сталей, а формирование электроискровых покрытий на WC-Co и WC-TiC-Co твердых сплавах практически не изучено. Весьма перспективными электродными материалами для создания методом ЭИЛ упрочняющих покрытий на твердых сплавах являются карбиды переходных металлов IV-VI групп и сплавы на их основе, однако в литературе отсутствуют данные по исследованию таких покрытий. Поэтому, исследование закономерностей формирования поверхностного слоя при воздействии электрических разрядов в воздушной среде на поверхность WC-Co и WC-TiC-Co сплавов с использованием электродных материалов из карбидов переходных металлов и сплавов на их основе является актуальной задачей.
Целью работы является исследование формирования поверхностных слоев, образованных на WC-Сo сплавах методом электроискрового легировании при использовании электродов из карбидов переходных металлов IV-VI групп и твердых сплавов на основе WC и TiC.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
исследовать основные закономерности переноса вещества с анода (карбиды металлов IV-VI групп и сплавы на их основе) на катод (WC-Сo сплавы) в зависимости от состава электродов, энергии разрядов, общей продолжительности электроискрового воздействия;
-
изучить изменение кристаллической структуры, химического и фазового составов поверхностных слоев вольфрамсодержащих твердых сплавов при электроискровом легировании карбидами переходных металлов IV-VI групп и сплавами на их основе;
-
исследовать структурообразование электроискровых покрытий на WC-Co и WC-TiC-Co подложках в зависимости от температуры их нагрева;
-
установить влияние параметров электроискрового воздействия и состава электродных материалов на микротвердость и износостойкость поверхностных слоев, сформированных на вольфрамсодержащих твердых сплавах на основе карбидов WC и TiC.
Научная новизна.
-
Впервые исследованы кинетика переноса карбидов переходных металлов IV-VI групп на вольфрамсодержащие твердые сплавы при электроискровом воздействии и физико-механические свойства сформированных покрытий, при этом установлено, что использование TiC в качестве электродного материала более предпочтительно по сравнению с другими карбидами.
-
Показано, что толщина и дефектность слоев, образованных на WC-Co и WC-TiC-Co твердых сплавах при электроискровом легировании материалом, аналогичным по составу подложке, находятся в прямой зависимости от содержания кобальта в электродных материалах.
-
На основе рентгеноструктурных измерений параметров кристаллической ячейки карбида вольфрама установлено, что во всех электроискровых покрытиях объем ячейки уменьшается на 0,8-0,9 %.
-
Выявлено, что предварительный нагрев подложки до 100 С при электроискровом легировании вольфрамсодержащими твердыми сплавами способствует повышению однородности покрытия.
Практическая значимость.
Результаты диссертационной работы по установлению влияния параметров электроискровой обработки, электродного материала на структуру, состав и свойства модифицированных слоев WC-Co и WC-TiC-Co сплавов могут быть использованы при разработке технологии нанесения методом ЭИЛ покрытий на поверхность металлорежущего твердосплавного инструмента для повышения его износостойкости.
Основные защищаемые положения.
1. Четыре типа кинетических зависимостей массопереноса материала легирующего электрода на катод в зависимости от параметров электроискровой обработки, состава и структуры электродных материалов, предварительного нагрева катода при электроискровом легировании WC-Co и WC-TiC-Co твердых сплавов: 1-непрерывное повышение массы катода; 2-кривая с максимумом привеса по массе; 3-непрерывное уменьшение массы катода;4-уменьшение массы в начале легирования и увеличение при последующей обработке.
2. Оценка эффективности процесса формирования легированного слоя и оптимального выбора материала анода с целью получения легированного слоя с высокой сплошностью, толщиной, твердостью, износостойкостью и меньшей шероховатостью поверхности предполагает многофакторный анализ структурных, субструктурных, прочностных и кинетических характеристик. При электроискровом легировании сплава WC-8%Co карбидами переходных металлов IV-VI групп и твердыми сплавами на основе TiC предпочтителен TiC в качестве материала анода, при этом необходимо учитывать, что добавки в виде Cr и FeCr приводят к уменьшению твердости образуемых покрытий на WC-8%Co.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на конференциях: VII региональной научной конференции «Физика: Фундаментальные и прикладные исследования, образование», г.Владивосток, 2007; X краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов «Наука – хабаровскому краю», г.Хабаровск, 2008; VII региональной научной конференции «Физика: Фундаментальные и прикладные исследования, образование», г.Благовещенск, 2009; Joint Chine-Russia symposium on advanced materials and processing technology: Harbin, Chine, 2008; международной конференции по химической технологии «ХТ-07», г.Москва, 2007; международной конференции «Материаловедение тугоплавких соединений: достижения и проблемы», Украина, г.Киев, 2008; межрегиональной конференции молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, г.Владивосток, 2009; международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов», Комсомольск-на-Амуре, 2009.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 144 наименований. Работа изложена на 152 страницах, содержит 65 рисунков и 17 таблиц.
