Введение к работе
Актуальность. Высокая стоимость вольфрамового и кобальтового сырья и сокращение их запасов, появление новых труднобрабатываемых материалов в настоящее время обостряют проблему повышения работоспособности вольфрамсодержащих твёрдых сплавов (ВТС) – основного материала в производстве режущего инструмента (РИ) для металлообрабатывающей и горнодобывающей промышленности. Кроме того, наибольшее применение ВТС получили в условиях, чрезвычайно неблагоприятных для процесса резания, где существует постоянная необходимость повышения производительности обработки, а условия резания непрерывно ужесточаются. Основным недостатком РИ из ВТС является их низкая красностойкость, ограничивающая рабочую температуру эксплуатации до 740 С.
Одним из основных направлений повышения эффективности использования ВТС является его поверхностное упрочнение, а, следовательно, экономия вольфрам-содержащего сырья. В науке и технике в настоящее время известны многочисленные методы упрочнения поверхностей металлов и сплавов, каждый из которых имеет как преимущества, так и недостатки. В связи с этим за рубежом до 80 % инструмента из ВТС выпускается с покрытиями, получаемыми в основном газофазным осаждением, содержащими в поверхностном слое преимущественно Ti-Al-N. В этом направлении представляет интерес предложенный Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко метод электроискрового легирования (ЭИЛ), позволяющий наносить на металлические поверхности любые токопроводящие материалы и отличающийся низкой энергоёмкостью, экологической чистотой и безопасностью, простотой технологического процесса и малыми габаритами установок. Наибольшее количество известных исследований по созданию упрочняющих ЭИЛ-покрытий выполнено на сталях, титановых и других сплавах Б.Р. и Н.И. Лазаренко, Г.В. Самсоновым, Б.Н. Золотых, А.Д. Верхотуровым, И.А. Подчерняевой, А.Е. Гитлевичем, Ф. Х. Бурумкуловым и другими учёными. На твёрдом сплаве ВК6 впервые положительный эффект по созданию легированного слоя (ЛС) был отмечен в работах И.А. Подчерняевой (Киевский Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАНУ) электродом на основе TiCN-AlN. Однако отсутствуют систематические исследования формирования ЭИЛ-покрытий, направленные на повышение работоспособности ВТС. В литературе описываются различные варианты механизмов изнашивания и разрушения ВТС в процессе резания. В этом направлении известны работы Киффера Р., Бенезовского Ф., Шпилёва А.М., Фадеева В.С., Конакова А.В. и других, показавших значительное влияние различных механизмов, в том числе теплового разрушения ВТС в диапазоне рабочих температур РИ. Однако до сих пор практически не исследовано изменение структуры, состава и свойств ВТС групп ВК (WC-Co), ТК (WC-TiС-Co), ТТ (WC-TaС-TiС-Co) при нагревании и разрушении за счёт химического износа рабочих поверхностей РИ. Отсутствуют исследования по влиянию ЭИЛ-покрытий поверхностей РИ на конечные параметры качества деталей при резании. Научный и практический интерес представляет изучение возможности создания ЭИЛ-покрытий рабочих поверхностей ВТС соединениями переходных металлов IV-VI групп, превосходящими по твёрдости и температуре плавления карбид вольфрама. В связи с этим в данной работе проведены исследования формирования ЛС на рабочих поверхностей ВТС тугоплавкими металлами и соединениями методом ЭИЛ с целью повышения их работоспособности.
Связь работы с научными программами. Работа выполнялась в соответствии с научными планами Института материаловедения ХНЦ ДВО РАН “Разработка слоистых композиционных покрытий на поверхности твёрдых сплавов, полученных ЭИЛ” и лаборатории инструментальных материалов ЗАО “Дальневосточная технология” при поддержке РФФИ № 06-03-96001 и РФФИ-ДВО № 09-I-ОХНМ-01.
Цель работы – повышение работоспособности РИ из вольфрамсодержащих твёрдых сплавов за счёт создания на поверхности износо- и коррозионностойких покрытий на основе предложенной методологии ЭИЛ/ВТС, выбора электродных материалов и выявления закономерностей электромассопереноса, формирования состава, структуры, свойств покрытий, режимов нанесения ЛС и оценки режущей способности инструмента.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
– разработка и применение методологической схемы изучения процесса ЭИЛ для формирования поверхностного слоя с заданными свойствами на ВТС;
– разработка критериев эффективности формирования ЛС и его свойств;
– установление особенностей структурных и фазовых превращений ВТС в диапазоне рабочих температур, исследование их стойкости к окислению;
– исследование кинетики электромассопереноса модельных материалов на поверхность ВТС, структуры ЛС, его состава и свойств в процессе и после легирования;
– исследование фазового, химического, гранулометрического состава продуктов эрозии боридов IV-VI групп;
– получение на поверхности ВТС защитных ЭИЛ-покрытий из модельных материа-лов (металлы, бориды) и ЛС с боридо-нитридной и алюминооксидной керамикой;
– изучение свойств полученных покрытий, оценка режущей способности РИ из ВТС по параметрам конечного качества получаемых деталей: размера, относительного поворота, формы (РПФ).
Научная новизна.
1. Предложены методология и критерии выбора электродных материалов для ЭИЛ/ВТС с учётом высокой твёрдости, температуры плавления, жаростойкости, пластичности и учитывающие процесс формирования ЛС, его свойств, эффективность процесса ЭИЛ.
2. Установлены особенности окисления трёх групп ВТС (ВК, ТК, ТТ) в диапазоне рабочих температур (Т1000 С), заключающиеся в образовании в окалине легколетучих оксидов и хрупких шпинелей низкой твёрдости, способствующих разрушению рабочей поверхности РИ. Показано увеличение стойкости к окислению ВТС с ростом содержания в них TiC, а также необходимость упрочнения и защиты рабочих поверхностей ВТС.
3. Установлены закономерности формирования ЛС, его состава, структуры, свойств при ЭИЛ/ВТС металлами IV-VI групп. Эффективность процесса формирования ЛС наибольшая для металлов, образующих неограниченные твёрдые растворы с элементами состава основы (W) – Cr, Mo, Ta; (Co) – Ni, а также для Al из III группы. В связи с этим в качестве пластических добавок рекомендованы Cr, Ni, Mo, Al.
4. Исследован процесс формирования ЛС при ЭИЛ/ВТС боридами металлов IV-VI групп. Показана низкая эффективность процесса формирования за счёт хрупкого разрушения. Лучший эффект у ZrB2, CrB2, TiB2. В связи с этим предложено использовать при ЭИЛ/ВТС электродные материалы на основе TiB2, ZrB2 с Ni-Cr-Al связкой.
5. На основе изучения фазового, химического, гранулометрического, состава продуктов эрозии установлен термомеханический характер эрозии боридных электродов.
6. Установлены основные закономерности формирования ЛС и его состава, структуры, свойств при ЭИЛ/ВТС композиционной керамикой с пластической связкой на основе ZrB2 (ЦЛАБ) и TiB2 (ТВС), а также CrTaB, зависимые от взаимной растворимости материалов анода и катода, температуры перехода в хрупкое состояние, а также положительные значения привеса катода, возрастание стойкости ВТС к температурному окислению и износостойкости.
7. Установлены особенности трибологического поведения ЭИЛ-покрытий на ВТС и их влияние на конечные параметры качества получаемых деталей.
Практическое значение полученных результатов.
Даны рекомендации по применению ЭИЛ-покрытий для повышения эксплуатационных свойств ВТС. Для значительного повышения жаростойкости ВТС рекомендованы покрытия электродными материалами из алюминия, титана, хрома; для повышения трибологических свойств – Ti и керамикой на основе TiB2 и ZrB2 с пластической связкой Ni-Cr-Al. Работа апробирована и выполнялась по рекомендации ЗАО “ДВ-Технология”, г. Комсомольска-на-Амуре.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на: Междунар. симпоз. Принципы и процессы создания неорганических материалов (Третьи Самсоновские чтения): Хабаровск, 12-15 апр. 2006; Междунар. Китайско-Российском симпоз.: JCRSAMPT2006 Joint China-Russia Symposium on advanced materials processing technology. August 21-22, 2006 (Harbin, P.R. China. Harbin Institute of Technology, China Pacific National University); Междунар. конф. Материаловедение тугоплавких соединений: достижения и проблемы, посвящённой 90-летию Г.В. Самсонова (г. Киев, Украина, 27-29 мая 2008); Междунар. конф. по химич. технологии ХТ’07, посвящённой 100-летию со дня рождения академика Н.М. Жаворонкова (г. Москва, 17-23 июня 2007 г.); Междунар. науч. конф. Проблемы комплексного освоения георесурсов: ДВО РАН ХНЦ (г. Хабаровск, 11-12 сентября 2007); IV Евразийском симпоз. по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата EURASTRENCOLD-2008 (г. Якутск, 23-27 июня 2008); Всеросс. науч.- практич. конф.: Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока (г. Комсомольск-на-Амуре, 15-19 окт., 2007); VI региональной науч. конф.: Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование – Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 26-28 сентября 2006 г.; III межрегиональной науч.-практич. конф. с международным участием: Автомобильный транспорт Дальнего Востока – 2006, 25-28 сент., ТОГУ, г. Хабаровск; VI межрегиональной науч.-практич. конф.: Автомобильный транспорт Дальнего Востока – 2008, 23-26 сент., ТОГУ, г. Хабаровск.
Публикации. Содержание диссертационной работы отражено в 31 публикациях, в том числе 18 статьях, из них 11 рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованных источников из 187 наименований. Работа изложена на 216 страницах, включая 89 рисунков и 26 таблиц.
