КИНЕТИКА ФОРМИРОВАНИЯ ДИФФУЗИОННЫХ ТИТАНОВЫХ ПОКРЫТИЙ НА ТВЕРДЫХ СПЛАВАХ ТИПА ТК И ВК

THE KINETICS OF FORMATION OF THE DIFFUSION TITANIUM COATINGS ON HARD ALLOYS TK AND VK TYPES

Aleksandr Sokolov

d.Sc. (Engineering), Associate Professor, Kuban State University,

Russia, Krasnodar

Eduard Bobylyov

ph.D. student, Kuban State University

Russia, Krasnodar

АННОТАЦИЯ

Исследована кинетика формирования диффузионных титановых покрытий на твердых сплавах. Исследована микроструктура получаемых покрытий, при этом выявлено, что она зависит от состава покрываемого материала и режимов нанесения покрытия.

ABSTRACT

The kinetics of formation the diffusion titanium coatings on hard alloys is investigated. The microstructure of the obtained coatings is investigated. The microstructure depends of the composition of the coated material and parameters of coating.

Ключевые слова: диффузионные титановые покрытия, твердые сплавы, кинетика формирования покрытий.

Keywords: diffusion titanium coat, hard alloy, the kinetics of coat organization.

Введение

Наиболее распространенным материалом, используемым в качестве режущего, являются твердые сплавы. Инструмент, изготовленный из твердых сплавов, обладает высокой твердостью, износостойкостью, теплостойкостью. Но несмотря на все достоинства твердосплавного инструмента, интенсификация производства, автоматизация процесса обработки, необходимость в обработке труднообрабатываемых материалов, предъявляют все более высокие требования к эксплуатационным свойствам режущего инструмента.

Эксплуатационные свойства режущих инструментов могут быть существенно улучшены нанесением на их поверхность покрытий. Для нанесения покрытий на твердосплавный инструмент в настоящее время наиболее широко используются три способа: первый - это метод химического осаждения покрытий, второй – метод физического осаждения, третий – химико-термическая обработка [1,2].

Наиболее эффективной технологией ХТО применительно к твердым сплавам является разработанный нами способ диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов [3]. Технология диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов обладает мировой новизной и в настоящее время применяется исключительно в РФ. Преимущества данной технологии по сравнению с PVD и CVD: высокая степень адгезии покрытия с покрываемым материалом, возможность покрывать изделия любой формы, простота оборудования, возможность получения многокомпонентных покрытий.

Покрытия, нанесенные при помощи данной технологии, обладают высокой износостойкостью. Их микротвердость может составлять до 30000 МПа без отсутствия хрупкости. При этом стойкость инструмента может повышаться до 7 раз, что подтверждается поведенными ранее исследованиями [5,6,7].

Целью данной работы является анализ кинетики формирования титановых покрытий, нанесенных на твердосплавной инструмент по технологии диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов.

Методика

Диффузионные титановые покрытия наносились на исходно не покрытые пластины, при этом использовались твердосплавные шестигранные пластины WNUM-080404, пятигранные пластины PNUM - 110408 из сплавов ВК8, Т5К10, Т15К6.

Покрытие наносилось путем их диффузионной металлизации с применением разработанной нами технологии [3] путем погружения твердосплавных пластин в ампулу с легкоплавким расплавом и их выдержки в изотермическом режиме в среде инертных газов.

Процесс диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов основан на явлении изотермического, селективного переноса элементов покрытия, растворенных в легкоплавком расплаве, на поверхность изделия с последующим диффузионным взаимодействием элементов покрытия с основным материалом изделия [7].

В качестве легкоплавкого расплава, осуществляющего доставку элемента к поверхности покрываемого изделия, использовался расплав эвтектического состава свинец-висмут-литий, в который в заданном количестве вводился титан.

Процесс нанесения покрытия проводился в разработанной, запатентованной и изготовленной нами установке для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов [4]. Данная установка обеспечивает возможность нанесения покрытий в открытой жидкометаллической ванне в циклическом режиме и совмещать процесс диффузионной металлизации с термической обработкой материала покрываемого изделия.

Перед нанесением покрытия пластины были подвергнуты кратковременной высокотемпературной цементации. Цементация служит для насыщения поверхности инструмента углеродом, за счет которого впоследствии формируется покрытие. Цементация проводилась с применением технологии вакуумной цементации в среде пропан-бутановой смеси.

Твердость пластин проверялась по методу Роквелла и методу микро-Виккерса. Твердость по Роквеллу определялась на твердомере ТК-2М по стандартной методике, по шкале «А». Металлографические исследования проводились на микрошлифах, подготовленных по стандартной методике. Исследования по определению толщины покрытий, их структуры и микротвердости проводились на микротвердомере ПМТ-3.

Анализ результатов исследований

В ходе исследований было установлено, что при диффузионном насыщении твердосплавного инструмента из среды легкоплавких жидкометаллических растворов титаном, на его поверхности формируется покрытие величиной 4-6 мкм. Микрофотография сплава Т15К6 с нанесенным диффузионным титановым покрытием представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Микроструктура твердого сплава Т15К6 с диффузионным титановым покрытием, х500

Определяющее влияние на кинетику формирования покрытий на твердых сплавах при титанировании оказывают температуры процесса, время выдержки покрываемых изделий в расплаве, состав твердого сплава (рис.2).

Температура нанесения покрытий оказывает влияние как на микротвердость покрытий, их структуру и толщину. Повышение температуры процесса нанесения покрытия оказывает существенную влияние на кинетику его формирования. При повышении температуры интенсифицируется процесс роста покрытий (рис. 2).

Так, при температуре 1100°С и длительностью выдержки в расплаве 60 минут, на поверхности пластин, изготовленных из твердого сплава марки Т15К6, образуется диффузионное покрытие толщиной 5,3 мкм (рис.2а). При использовании аналогичных режимов для нанесения покрытий на пластины, изготовленные из сплава ВК8, на их поверхности формируется покрытие толщиной 5 мкм (рис.2б). Увеличение толщины покрытий при увеличении температуры их нанесения объясняется интенсификацией адсорбционных и диффузионных процессов при повышении температуры, что ведет к образованию покрытия большей толщины при высоких температурах, чем при низких, при одинаковой длительности процесса.

Время выдержки изделий в расплаве также играет значительную роль при формировании покрытий. Так, при выдержке в легкоплавком расплаве пластин из сплава ВК8 при температуре 1100°С в течении 60 минут приводит к формированию покрытия толщиной 5 мкм, а при выдержке 30 минут 3,2 мкм (рис. 2б). Однако, при диффузионном насыщении твердых сплавов карбидообразующими элементами нецелесообразно применение длительной выдержки покрываемого изделия в расплаве, т.к. покрытия формируются за счет диффузии углерода к покрытию и блокировки диффузии карбидообразующих элементов вглубь покрываемого изделия, что приводит к снижению интенсивности формированию покрытия и торможению его роста [7].

Также, немаловажное влияние на процесс формирования покрытия оказывает состав покрываемого твердого сплава. Сравнение кинетики формирования покрытий на сплавах типа ТК и ВК показывает, что температурные режимы, при которых формируется покрытие, оказывают различное влияние на кинетику формирования покрытия (рис. 2, 3).

а)                                                               б)

Рисунок 2. Зависимость толщины покрытий от температуры диффузионного насыщения и времени выдержки пластин в расплаве, формирующихся на твердом сплаве марки: а) Т15К6; б) ВК8

а)                                                     б)

Рисунок 3. Зависимость толщины покрытий от времени выдержки пластин Т15К и ВК8 в расплаве, при температурах: а) 1000°С; б)1100°С

При температуре процесса 1000°С и времени выдержки 30 минут различие в кинетике роста покрытий наиболее высоко, и составляет 1,6 мкм (рис. 3а). С увеличением температуры увеличивается скорость роста толщины покрытия. Однако, при увлечении длительности процесса титанирования наблюдается затухание процесса роста толщины покрытия, при этом график, характеризующий рост покрытия приобретает форму экспоненты (рис.2,3). Снижение интенсивности роста толщины покрытия объясняется блокирующим действием карбидов титана на диффузию элементов вглубь покрываемого материала [7]. Также, можно выделить более низкую твердость покрытий и переходной зоны, меньшую протяженность переходной зоны покрытий на сплавах ВК, по сравнению с покрытиями, нанесенными на сплавы ТК в аналогичных режимах.

Различие в кинетике формирования покрытия можно объяснить тем, что в сплаве ВК8 большая концентрация вольфрама и кобальта, чем в сплаве Т15К6. При цементации твердого сплава элементом, который можно насытить углеродом, является кобальт. Однако при увеличении концентрации углерода в кобальте эффект блокирования диффузии элементов покрытия вглубь основного материала усиливается, что приводит к меньшей интенсивности роста покрытия [7].

Выводы

1. С увеличением температуры диффузионной металлизации и времени выдержки изделий в расплаве увеличивается твердость покрытия и переходной зоны, а также их толщина. Однако, применение длительных выдержек нецелесообразно из-за блокировки диффузии карбидообразующих элементов вглубь покрываемого изделия.

2. Элементный состав покрываемого твердого сплава оказывает значительное влияние на кинетику формирования покрытий. Так, наиболее интенсивный рост покрытий, наибольшая величина переходной зоны, наибольшая твердость покрытий наблюдается на твердых сплавах с меньшей концентрацией кобальта.

Список литературы:

1. Ильин А.А., Строганов Г.Б., Скворцова С.В. Покрытия различного назначения для металлических материалов: Учебное пособие. - М.: Альфа-М: НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 144 с.
2. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. Учебное пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1985. - 256с.
3. Патент №2451108 РФ, МПК С23 C 10/26 (2006.01). Способ обработки инструмента из стали или твердого сплава/ А.Г. Соколов (РФ), Мансиа Салахалдин (РФ) – Заявлено 04.10.2010; опубл. 20.05.2012, Бюл. №14.
4. Патент № 2521187, МПК С23 С 10/18; С23С 2/04 (2006.01) Устройство для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов / А.Г. Соколов РФ – заявлено25.10.12; опуб. 27.06.2014, бюл. №18.
5. Соколов А.Г., Бобылев Э.Э. Оценка влияния процесса диффузионного титанирования твердых сплавов из среды легкоплавких жидкометаллических растворов на работоспособность режущего инструмента //Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика. 17 Международная научно-практическая конференция 14-17 апреля 2015г. – СПБ:, Часть 2. – С. 446-451
6. Соколов А.Г., Бобылёв Э.Э. Увеличение периода стойкости режущего твердосплавного инструмента за счёт диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов// Международный союз ученых «Наука.Технологии.Производство». Ежемесячный научный журнал №1 (17)/2016, с.22-25.
7. Соколов А.Г. Разработка теоретических и технологических основ повышения стойкости режущего и штампового инструмента за счет диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов: Дис. д-ра техн. наук: 05.01.02. – Краснодар, 2008. – 369 с.