blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-12-870-876blackmet-2216Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEПоверхностное упрочнение твердосплавного инструмента на основе карбида вольфрама концентрированными потоками энергииSurface hardening of carbide tools based on tungsten carbide by concentrated energy flowshttps://orcid.org/0000-0003-1310-1284ОсколковаТ. Н.OskolkovaT. N.

Татьяна Николаевна Осколкова, д.т.н., профессор кафедры «Обработка металлов давлением и металловедение. ЕВРАЗ ЗСМК»

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

Tat’yana N. Oskolkova, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair “Metal Forming and Metal Science. “EVRAZ ZSMK”

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007

oskolkova@kuz.ruГлезерА. М.GlezerA. M.

Александр Маркович Глезер, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник; директор научного центра «Металловедение и физика материалов»

119049, Москва, Ленинский пр., 4

105005, Москва, ул. Радио, 23/9, стр. 2

Aleksandr M. Glezer, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Chief Researcher; Director of the Scientific Center “Metal Science and Physics of Materials”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049

23/9, bld. 2 Radio Str., Moscow 105005

a.glezer@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9712-3757СимачевА. С.SimachevA. S.

Артем Сергеевич Симачев, к.т.н., доцент кафедры «Обработка металлов давлением и металловедение. ЕВРАЗ ЗСМК»

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

Artem S. Simachev, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Metal Forming and Metal Science. “EVRAZ ZSMK”

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007

simachev_as@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»; Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. БардинаРоссияNational University of Science and Technology “MISIS” (MISIS); I.P. Bardin Central Research Institute for Ferrous MetallurgyRussian Federation2021240120226412870876Copyright © Осколкова Т.Н., Глезер А.М., Симачев А.С., 20222022Осколкова Т.Н., Глезер А.М., Симачев А.С.Oskolkova T.N., Glezer A.M., 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/2216

Представлены результаты проведенного с использованием концентрированных потоков энергии поверхностного упрочнения карбидовольфрамовых твердых сплавов. На твердый сплав ВК10КС способом электроискровой обработки наносится сплав ВК6­ОМ толщиной 20 мкм. При этом получается поверхностный упрочненный слой, состоящий из W2C. Твердость получаемого слоя составляет 22 000 МПа, коэффициент трения 0,23 (по сравнению с коэффициентом трения исходного твердого сплава 0,41), сохраняется прочная, но недостаточно износостойкая основа. В работе способом однокомпонентного электровзрывного легирования титаном был получен поверхностный слой на твердом сплаве ВК10КС толщиной 40 мкм, фазовый состав TiC, W2C. Нанотвердость данного слоя 25 000 МПа, коэффициент трения 0,14. На твердом сплаве ВК10КС способом многокомпонентного электровзрывного легирования титаном совмест­ но с бором получен поверхностный слой толщиной 3 – 4 мкм фазовым составом TiB2 , TiC, W2C. Нанотвердость упрочненного слоя 27 500 МПа, коэффициент трения 0,10. Применяя методику раздельных катодов, на поверхность твердого сплава ВК10КС было нанесено ионно­плазменное TiN + ZrN покрытие (50 % Ti + 50 % Zr) толщиной 20 мкм. В качестве реакционного газа использовался азот. Нано­твердость упрочненного таким способом поверхностного слоя составляет 38 500 МПа, коэффициент трения 0,07. Ионно­плазменное TiN + ZrN покрытие обладает хорошей адгезией с основой. Использование предлагаемых способов поверхностного упрочнения твердого сплава ВК10КС дает возможность выбора одного из методов упрочнения исходя из условий эксплуатации твердосплавного инструмента, продлить его эксплуатационный срок; сэкономить дефицитные материалы (вольфрам и кобальт).

The article presents the results of surface hardening of tungsten­carbide hard alloys carried out using concentrated energy flows. The VK6­OM alloy with a thickness of 20 μm is applied to the hard alloy VK10KS by the method of electric spark treatment. In this case, a surface hardened layer consisting of W2C is obtained. The hardness of the resulting layer is 22,000 MPa and the friction coefficient is 0.23 (compared to the friction coefficient of the original hard alloy of 0.41); strong but insufficiently wear­resistant base is preserved. In the work, a surface layer on a hard alloy VK10KS with a thickness of 40 μm and phase composition of TiC and W2C was obtained by the method of single­component electro­explosive alloying with titanium. The nanohardness of this layer is 25,000 MPa and the friction coefficient is 0.14. A surface layer with thickness of 3 – 4 μm and phase composition of TiB2 , TiC, W2C was obtained on the hard alloy VK10KS by the method of multicomponent electro­explosive alloying with titanium and boron. The nanohardness of the hardened layer is 27,500 MPa and the friction coefficient is 0.10. Applying the technique of separate cathodes, an ion­plasma TiN + ZrN coating (50 % Ti + 50 % Zr) with a thickness of 20 μm was applied to the surface of the VK10KS hard alloy. Nitrogen was used as the reaction gas. The nanohardness of the surface layer hardened in this way is 38,500 MPa and the friction coefficient of is 0.07. Ion­plasma TiN + ZrN coating has good adhesion to the substrate. The use of the proposed methods of surface hardening of VK10KS hard alloy makes it possible to choose one of the hardening methods, based on operating conditions of the carbide tool, to extend its operational life, as well as to save scarce materials (tungsten and cobalt).

поверхностная обработкасплавмикроструктурананотвердостьизноскоэффициент трениятрек износафазыsurface treatmentalloymicrostructurenanohardnesswearfriction coefficientwear trackphasesReferencesТабаков В.П. Формирование износостойких ионно­плазменных покрытий режущего инструмента. М.: Машиностроение, 2008. 311 с.Tabakov V.P. Formation of Wear­Resistant Ion­Plasma Coatings of Cutting Tools. Moscow: Mashinostroenie, 2008, 311 p. (In Russ.).Богодухов С.И., Козик Е.С., Свиденко Е.В. Упрочнение твердых сплавов (обзор) // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. Т. 131. № 11. С. 3–11.Bogodukhov S.I., Kozik E.S., Svidenko E.V. Hardening of hard alloys (Review). Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2015, vol. 131, no. 11, pp. 3–1. (In Russ.).Иванов А.Н., Хмелевская В.С., Антошина И.А., Коршунов А.Б. Структурные изменения в твердом сплаве ВК8 при ионном облучении // Перспективные материалы. 2003. № 1. С. 89–92.Ivanov A.N., Khmelevskaya V.S., Antoshina I.A., Korshunov A.B. Structural changes in hard alloy VK8 under ion irradiation. Perspektivnye materialy. 2003, no. 1, pp. 89–92. (In Russ.).Петренко П.В., Грабовский Ю.Е., Грицкевич А.Л., Кулиш Н.П. Структурно­фазовые превращения в твeрдых сплавах WC–Co при облучении низкопотоковым электронным пучком // Физика и химия обработки материалов. 2003. № 3. С. 29–39.Petrenko P.V., Grabovskii Yu.E., Gritskevich A.L., Kulish N.P. Structural­phase transformations in WC–Co hard alloys under irradiation with a low-current electron beam. Fizika i khimiya obrabotki materialov. 2003, no. 3, pp. 29–39. (In Russ.).Тимошников Ю.А., Клопотов А.А., Иванов Ю.Ф. Изменение структурно­фазового состояния сплава ВК8 под воздействием потока гамма­квантов // Известия вузов. Черная металлургия. 2001. № 4. С. 40–43.Timoshnikov Yu.A., Klopotov A.A., Ivanov Yu.F. Variation of structure­phase state of VK8 alloy under action of gamma quanta. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2001, no. 4, pp. 40–43. (In Russ.).Liu S.R., Hao J.M., Chu L.G., Song J.T. Mechanism of hard­facing alloys WC–Co boronizing with rare­earth metals // Xiyou Jinshu Cailiao Yu Gongcheng. Rare Metal Materials and Engineering. 2003. Vol. 32. No. 4. P. 305–308.Liu S.R., Hao J.M., Chu L.G., Song J.T. Mechanism of hard­facing alloys WC­Co boronizing with rare­earth metals. Xiyou Jinshu Cai­ liao Yu Gongcheng. Rare Metal Materials and Engineering. 2003, vol. 32, no. 4, pp. 305–308.Liu S.R., Hao J.M., Chu L.G., Song J.T. Phase analysis of cemented carbide WC–Co boronised with yttrium // Journal of Rare Earths. 2002. Vol. 40. No. 4. P. 287–290.Liu S.R., Hao J.M., Chu L.G., Song J.T. Phase analysis of cemented carbide WC–Co boronised with yttrium. Journal of Rare Earths. 2002, vol. 40, no. 4, pp. 287–290.Liu Y., Vid Q., Li Y. Synthesis and tribological behavior of electroless Ni–P–WC nanocomposite coatings // Surface & Coatings Technology. 2007. Vol. 201. No. 16–17. P. 7246–7251. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.01.035Liu Y., Vid Q., Li Y. Synthesis and tribological behavior of electroless Ni–P–WC nanocomposite coatings. Surface & Coatings Technology. 2007, vol. 201, no. 16–17, pp. 7246–7251. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.01.035Veprek S., Veprek­Hejman M.G.J., Kavrankova P., Prohazka J. Different approaches to superhard coatings and nanocomposition // Thin Solid Films. 2005. Vol. 476. P. 1–29. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2004.10.053Veprek S., Veprek­Hejman M.G.J., Kavrankova P., Prohazka J. Different approaches to superhard coatings and nanocomposition. Thin Solid Films. 2005, vol. 476, pp. 1–29. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2004.10.053Jedrzejowski P., Klemberg­Sapieha J.E., Martinu L. Relationship between the mechanical properties and the microstructure of nanocomposite, TiN/SiNi3 coatings prepared by low temperature plasma enhanced chemical vapor deposition // Thin Solid Films. 2003. Vol. 426. P. 150–159. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(03)00028-2Jedrzejowski P., Klemberg­Sapieha J.E., Martinu L. Relationship between the mechanical properties and the microstructure of nanocomposite, TiN/SiNi3 coatings prepared by low temperature plasma enhanced chemical vapor deposition. Thin Solid Films. 2003, vol. 426, pp. 150–159. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(03)00028-2Mayrhofer P.H., Kunc F., Musil J., Mitterer C. A comparative study on reactive and non-reactive unbalanced magnetron sputter deposition of TiN coatings // Thin Solid Films. 2002. Vol. 415. No. 1­2. P. 151–159. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(02)00511-4Mayrhofer P.H., Kunc F., Musil J., Mitterer C. A comparative study on reactive and non-reactive unbalanced magnetron sputter deposition of TiN coatings. Thin Solid Films. 2002, vol. 415, no. 1­2, pp. 151–159. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(02)00511-4Oskolkova T.N. A new technology for producing carbide alloys with gradient structure // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 91. No. 1. Article 012019. https://doi.org/10.1088/1757-899X/91/1/012019Oskolkova T.N. A new technology for producing carbide alloys with gradient structure. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015, vol. 91, no. 1, article 012019. https://doi.org/10.1088/1757-899X/91/1/012019Тюрин Ю.Н., Кульков С.Н., Колисниченко О.В., Дуда И.М. Импульсно­плазменное модифицирование поверхности изделия из сплава WC + 20 % Co // Физическая инженерия поверхности. 2009. Т. 7. № 3. С. 262–267.Tyurin Yu.N., Kul’kov S.N., Kolisnichenko O.V., Duda I.M. Pulsed plasma modification of the surface of a WC + 20 % Co alloy pro­ duct. Fizicheskaya inzheneriya poverkhnosti. 2009, vol. 7, no. 3, pp. 262–267. (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 // Russian Journal of Non­Ferrous Metals. 2014. Vol. 55. No. 2. P. 196–200. https://doi.org/10.3103/S1067821214020138Oskolkova 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. Russian Journal of Non­Ferrous Metals. 2014, vol. 55, no. 2, pp. 196–200. https://doi.org/10.3103/S1067821214020138Oskolkova T.N., Glezer A.M. Wear­resistant coatings on WC–Co hard alloys synthesized by concentrated energy flows // Inorganic Materials: Applied Research. 2019. Vol. 10. No. 1. P. 146–154. https://doi.org/10.1134/S2075113319010258Oskolkova T.N., Glezer A.M. Wear­resistant coatings on WC–Co hard alloys synthesized by concentrated energy flows. Inorganic Materials: Applied Research. 2019, vol. 10, no. 1, pp. 146–154. https://doi.org/10.1134/S2075113319010258Oskolkova T.N., Budovskikh E.A. Pulse plasma treatment of the surface of alloy VK10KS // Metal Science and Heat Treatment. 2012. Vol. 53. No. 11–12. P. 608–610. https://doi.org/10.1007/s11041-012-9443-1Oskolkova T.N., Budovskikh E.A. Pulse plasma treatment of the surface of alloy VK10KS. Metal Science and Heat Treatment. 2012, vol. 53, no. 11–12, pp. 608–610. https://doi.org/10.1007/s11041-012-9443-1Панов В.С., Чувилин А.М., Фальковский В.А. Технология и свойства спечённых твердых сплавов и изделий из них. М.: МИСиС, 2004. 464 с.Panov V.S., Chuvilin A.M., Fal’kovskii V.A. Technology and Pro­ perties of Special Hard Alloys and Products from Them. Moscow: MISiS, 2004, 464 p. (In Russ.).Верещака 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. Improving the tool efficiency by controlling the composition, structure and properties of coatings. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2005, no. 9, pp. 9–18. (In Russ.).Яценко А.С., Марчук С.И. Изучение коррозионной стойкости твeрдых сплавов с покрытием нитрид титана. В кн.: Металловедение черных и цветных сплавов. Сб. науч. тр. Вып. 9. Донецк: Донецкий нац. техн. ун­т, 2003. С. 29–33.Yatsenko A.S., Marchuk S.I. Study of corrosion resistance of hard alloys coated with titanium nitride. In: Metal Science of Ferrous and Non­Ferrous Alloys. Transactions. Issue 9. Donetsk: Donetskii nats. tekhn. un­t, 2003, pp. 29–33. (In Russ.).Патент № 2270270 РФ, МПК С 23 С 14/06, C 23 С 14/48. Режущий инструмент с многослойным покрытием / В.П. Табаков, А.В. Циркин, А.В. Чихранов. Заявл. 25.05.2004; опубл. 20.02.2006. Бюл. № 5.Tabakov V.P., Tsirkin A.V., Chikhranov A.V. Cutting tool with multilayer coating. Patent RF no. 2270270. Bulleten’ izobretenii. 2006, no. 5. (In Russ.).

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