blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-5-351-356blackmet-1900Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEВлияние импульсно-плазменного модифицирования титаном и бором поверхности твердого сплава ВК10КС на его структуру и свойстваInfluence of pulse-plasma modification of VK10KS solid alloy surface by titanium and boron on its structure and propertiesОсколковаТ. Н.OskolkovaT. N.

д.т.н., профессор кафедры «Обработка металлов давлением и металловедения. ЕВРАЗ ЗСМК»

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair «Metal Forming and Metal Science. EVRAZ ZSMK»

Novokuznetsk, Kemerovo Region

oskolkova@kuz.ruСимачевА. С.SimachevA. S.

к.т.н., доцент кафедры «Обработка металлов давлением и металловедения. ЕВРАЗ ЗСМК»

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair « tal Forming and Metal Science. EVRAZ ZSMK», Deputy Director of the Center for Collective Use “Materials Science”

Novokuznetsk, Kemerovo Region

simachev_as@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation202001072020635351356Copyright © Осколкова Т.Н., Симачев А.С., 20202020Осколкова Т.Н., Симачев А.С.Oskolkova T.N., Simachev A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1900

Рассмотрено модифицирование поверхности твердого сплава ВК10КС титаном совместно с бором способом импульсно-плазменного воздействия (электровзрывного легирования). При этом формируется сверхтвердый (нанотвердость 27 500 МПа) слой толщиной 2,0 – 2,5 мкм с низким (µ = 0,10) коэффициентом трения по сравнению с коэффициентом трения твердого сплава в спеченном состоянии (µ = 0,41). Этот слой состоит из мелкодисперсных высокотвердых фаз TiB2, (Ti, W)C, W2C (по данным растровой, просвечивающей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа). Ниже располагается упрочненный (с нанотвердостью 17 000 МПа) приповерхностный слой (зона термического влияния) толщиной 10 – 15 мкм, идентифицированный карбидами W2C и WC и легированный кобальтовой связующей. Этот слой плавно переходит в основу. Профилометрическими исследованиями установлено, что после электровзрывного легирования титаном с бором шероховатость увеличивается (Rа = 2,00 мкм) по сравнению с исходной (Rа = 1,32 мкм), но сохраняется в пределах технических требований (Rа = 2,50 мкм). Исследованиями выявлены изменения, возникающие в поверхностной карбидной и приповерхностной кобальтовой фазах при электровзрывном легировании. В карбидной фазе выявлены скопления дислокаций. В кобальтовой связующей выявлены деформационные полосы (полосы скольжения), единичные дислокации, а также мелкодисперсные выделения карбидов вольфрама). Указанное изменение можно объяснить стабилизацией кубической модификации кобальта, кристаллическая решетка которого обладает большим числом плоскостей скольжения при деформации и большей способностью к упрочнению по сравнению с гексагональной модификацией кобальта. Дополнительное легирование кобальтовой связующей положительно повлияет на эксплуатационную стойкость карбидовольфрамовых твердых сплавов в целом из-за своей стабилизации.

Modification of the surface of VK10KS solid alloy with titanium alongside with boron by the method of pulse-plasma exposure (electro-explosive alloying) is considered. In this case, a superhard (27,500 MPa nanohardness) layer is formed with a thickness of 2.0 – 2.5 μm and a low (μ = 0.10) friction coefficient compared to the friction coefficient of a hard alloy in the sintered state (μ = 0.41). This layer consists of finely dispersed high-hard phases TiB2, (Ti, W)C, W2C (according to scanning, transmission electron microscopy and X-ray phase analysis). Below is a hardened (with a nanohardness of 17,000 MPa) surface layer (heat affected zone) 10 – 15 μm thick, identified by W2C and WC carbides and alloyed with a cobalt binder. This layer smoothly passes into the base. By profilometric studies it was established that after electroexplosive alloying with titanium and boron, the roughness increases (Ra = 2.00 μm) compared to the initial one (Ra = 1.32 μm), but remains within the specifications (Ra = 2.50 μm). The authors have revealed changes that occur in the surface carbide and near-surface cobalt phases during electroexplosive alloying. In the carbide phase, accumulations of dislocations were indicated. In the cobalt binder, deformation bands (slip bands), single dislocations, and also finely dispersed tungsten carbide precipitates were found. This change can be explained by stabilization of the cubic modification of cobalt, the crystal lattice of which has a large number of slip planes during deformation and a greater ability to harden compared to the hexagonal modification of cobalt. Additional alloying with a cobalt binder will positively affect the operational stability of tungsten carbide alloys as a whole due to their stabilization.

импульсная плазменная обработкатвердые сплавынанотвердостьизносостойкостьвзрываемый проводникмикроструктуракобальтовая связующаяpulse-plasma treatmenthard alloysnanohardnesswear resistanceexploding conductormicrostructurecobalt binderАвторы выражают благодарность д.т.н., профессору кафедры естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля Е.А. Будовских за предоставленную возможность в проведении эксперимента.The authors are grateful to Budovskikh E.A. Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair of Science named after V.M. Finkel for the opportunity to conduct an experiment.ReferencesВерещака А.С., Верещака А.А. Повышение эффективности инструмента путем управления составом, структурой и свойствами покрытий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. № 9. С. 9 – 18.Vereshchaka A.S., Vereshchaka A.A. Improvement of the tool effectiveness by controlling the composition, structure and properties of coatings. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2005, no. 9, pp. 9–18. (In Russ.).Табаков В.П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. – М.: Машиностроение, 2008. – 311 с.Tabakov V.P. Formirovanie iznosostoikikh ionno-plazmennykh pokrytii rezhushchego instrumenta [Formation of wear-resistant ion-plasma coatings of the cutting tool]. Moscow: Mashinostroenie, 2008, 311 p. (In Russ.).Liu Y., Vid Q., Li Y. Synthesis and tribological behavior of electroless Ni-P-WC nanocomposite coatings // Surface and Coatings Technology. 2007. Vol. 201. No. 16-17. P. 7246 – 7251.Liu Y., Vid Q., Li Y. Synthesis and tribological behavior of electroless Ni-P-WC nanocomposite coatings. Surface and Coatings Technology. 2007, vol. 201, no. 16-17, pp. 7246–7251.Oskolkova T.N. Wear resistant coating on hard alloy // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 788. Р. 281 – 285.Oskolkova T.N. Wear resistant coating on hard alloy. Applied Mechanics and Materials. 2015, vol. 788, pp. 281–285.Veprek S., Veprek-Hejman M.G.J, Kavrankova P., Prohazka J. Different approaches to superhard coatings and nanocomposition // Thin Solid Films. 2005. Vol. 476. P. 1 – 29.Veprek S., Veprek-Hejman M.G.J, Kavrankova P., Prohazka J. Different approaches to superhard coatings and nanocomposition. Thin Solid Films. 2005, vol. 476, pp. 1–29.Ramkumar J., Aravindan S., Malhotra S.K., Krishnamurthy R. Enhancing the metallurgical properties of WC insert (K-20) cutting tool through microwave treatment // Material Letters. 2002. Vol. 53. No. 3. Р. 200 – 204.Ramkumar J., Aravindan S., Malhotra S.K., Krishnamurthy R. Enhancing the metallurgical properties of WC insert (K-20) cutting tool through microwave treatment. Material Letters. 2002, vol. 53, no. 3, pp. 200–204.Осколкова Т.Н., Глезер А.М. Современное состояние научной проблемы поверхностного упрочнения карбидовольфрамовых твердых сплавов (обзор) // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 12. С. 980 – 991.Oskolkova T.N., Glezer A.M. Current state of the scientific problem of WC-Co hard alloys surface hardening (Review). Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, vol. 47, no. 12, pp. 980–991. (In Russ.).Тюрин Ю.Н., Кульков С.Н., Колисниченко О.В. Импульсноплазменное модифицирование поверхности изделия из сплава WC + 20 % Co // Физ. инженерия поверхности. 2009. Т. 7. № 3. С. 262 – 267.Tyurin Yu.N., Kul’kov S.N., Kolisnichenko O.V. Pulse-plasma modification of surface of product from WC + 20 % Co alloy. Fizicheskaya inzheneriya poverkhnosti. 2009, vol. 7, no. 3, pp. 262–267. (In Russ.).Богодухов С.И., Козик Е.С., Свиденко Е.В., Игнатюк В.Д. Термическая обработка неперетачиваемых пластин из твердого сплава Т15К6 непрерывным лазерным излучением // Упрочняющие технологии и покрытия. 2019. Т. 15. № 1 (169). С. 26 – 30.Bogodukhov S.I., Kozik E.S., Svidenko E.V., Ignatyuk V.D. Heat treatment of T15K6 solid carbide non-turning plates by continuous laser radiation. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2019, vol. 15, no. 1 (169), pp. 26–30. (In Russ.).Богодухов С.И., Козик Е.С., Свиденко Е.В. Исследование влияния температурных полей нагрева при непрерывной лазерной обработке на эксплуатационные свойства пластин твердого сплава Т15К6 // Изв. вуз. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2018. № 2. С. 76 – 84.Bogodukhov S.I., Kozik E.S., Svidenko E.V. Influence of temperature fields of heating during continuous laser processing on the operational properties of T15K6 alloy plates. Izv. vuz. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya. 2018, no. 2, pp. 76–84. (In Russ.).Tyurin Yu.N., Kulʹkov S.N., Kolisnichenko O.V. Improving the wear resistance of hard-alloy rolling disk by pulsed-plasma treatment // Steel in Translation. 2009. Vol. 39. No. 10. Р. 948 – 951.Tyurin Yu.N., Kulʹkov S.N., Kolisnichenko O.V. Improving the wear resistance of hard-alloy rolling disk by pulsed-plasma treatment. Steel in Translation. 2009, vol. 39, no. 10, pp. 948–951.Kozakov A.T., Yaresko S.I. Using auger electron spectroscopy for studying the composition of the surface of multicomponent alloys under the effect of pulsed laser irradiation // Inorganic Materials: Applied Research. 2011. Vol. 2. No. 3. P. 254 – 260.Kozakov A.T., Yaresko S.I. Using auger electron spectroscopy for studying the composition of the surface of multicomponent alloys under the effect of pulsed laser irradiation. Inorganic Materials: Applied Research. 2011, vol. 2, no. 3, pp. 254–260.Oskolkova T.N., Glezer A.M. Wear-Resistant Coatings on WC–Co Hard Alloys Synthesized by Concentrated Energy Flows // Inorganic Materials: Applied Research. 2019. Vol. 10. No. 1. Р. 146 – 154.Oskolkova T.N., Glezer A.M. Wear-resistant coatings on WC–Co hard alloys synthesized by concentrated energy flows. Inorganic Materials: Applied Research. 2019, vol. 10, no. 1, pp. 146–154.Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов / А.Я. Багаутдинов, Е.А. Будовских, Ю.Ф. Иванов, В.Е. Громов. – Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2007. – 301 с.Bagautdinov A.Ya., Budovskikh E.A., Ivanov Yu.F., Gromov V.E. Fizicheskie osnovy elektrovzryvnogo legirovaniya metallov i splavov [Physical fundamentals of electric explosive alloying of metals and alloys]. Novokuznetsk: izd. SibGIU, 2007, 301 p. (In Russ.).Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Реакции неорганических веществ: справочник. – М.: Дрофа, 2007. – 637 с.Lidin R.A., Molochko V.A., Andreeva L.L. Reaktsii neorganicheskikh veshchestv: spravochnik [Reactions of inorganic substances: Guide]. Moscow: Drofa, 2007, 637 p. (In Russ.).Oskolkova T.N., Budovskikh E.A., Goryushkin V.F. Features of structure formation of the surface layer in the course of electroexplosive alloying tungsten carbide hard alloy // Non-Ferrous Metals. 2014. Vol. 55. No. 2. Р. 196 – 200.Oskolkova T.N., Budovskikh E.A., Goryushkin V.F. Features of structure formation of the surface layer in the course of electroexplosive alloying tungsten carbide hard alloy. Non-Ferrous Metals. 2014, vol. 55, no. 2, pp. 196–200.Shourong L., Jianmin Н., Lianging С., Junting S. Mechanism of hard-facing alloy‘s WC-Co boronizing with rare-earth metals // Rare Metal Materials and Engineering. 2003. Vol. 32. No. 4. P. 305 – 308.Shourong L., Jianmin Н., Lianging С., Junting S. Mechanism of hard-facing alloy‘s WC-Co boronizing with rare-earth metals. Rare Metal Materials and Engineering. 2003, vol. 32, no. 4, pp. 305–308.Хижняк В.Г., Долгих В.Ю., Король В.И. Строение и некоторые свойства диффузионных покрытий титана, ванадия, хрома и бора на твердых сплавах // Научные вести национ. техн. ун-та Украины «Киевский политехнический институт». 2002. № 1. С. 74 – 79.Khizhnyak V.G., Dolgikh V.Yu., Korol’ V.I. Structure and some properties of diffusion coatings of titanium, vanadium, chromium and boron on hard alloys. Nauchnye vesti natsion. tekhn. un-ta Ukrainy “Kievskii politekhnicheskii institut”. 2002, no. 1, pp. 74–79. (In Russ.).Панов В.С., Чувилин А.М., Фальковский В.А. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. – М.: МИСиС, 2004. – 464 с.Panov V.S., Chuvilin A.M., Fal’kovskii V.A. Tekhnologiya i svoistva spechennykh tverdykh splavov i izdelii iz nikh [Technology and properties of sintered hard alloys and products from them]. Moscow: MISiS, 2004, 464 p. (In Russ.).Yaresko S.I. The influence of the composition of cobalt phase of hard alloys on tool wear upon laser hardening // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2009. Vol. 50. No. 5. С. 556 – 562.Yaresko S.I. The influence of the composition of cobalt phase of hard alloys on tool wear upon laser hardening. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2009, vol. 50, no. 5, pp. 556–562.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.