СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ КАРБИДОВОЛЬФРАМОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ (ОБЗОР)

Представлен обзор работ отечественных и зарубежных исследователей по поверхностному упрочнению карбидовольфрамовых твердых сплавов с целью повышения износостойкости. Большой резерв повышения износостойкости и эксплуатационной стойкости твердосплавных изделий заключается в применении поверхностных методов упрочнения с использованием различных покрытий, а также покрытия с основными структурными составляющими до 100  нм. Наиболее распространенными на карбидовольфрамовых твердых сплавах являются покрытия из карбида и нитрида титана TiC и TiN, которые обладают высокой энергией связи решетки, высокой температурой плавления и твердостью. Применение карбида и нитрида титана в качестве поверхностных слоев на твердосплавном инструменте дает снижение коэффициента трения в паре со сталью в 1,5 – 2,0 раза, а использование ионно-плазменного покрытия состава TiN + ZrN снижает коэффициент трения в 5,9 раз по сравнению с исходным состоянием. В настоящее время широкое распространение нашли многослойные покрытия. Чаще всего используются покрытия составов TiN + TiC и Al2 O3 + TiC, их износ прямо пропорционален толщине покрытия. Описанные выше комбинированные многослойные покрытия не являются окончательным решением вопроса повышения износостойкости твердых сплавов. У нас в стране проводятся работы, которые основываются на теоретических возможностях получения градиентной прочности твердого сплава от вязкой и высокопрочной сердцевины до износостойкой поверхности. В ФГУП ВНИИТС разработан способ получения сплавов с переменным содержанием кобальта по толщине пластин. Благодаря этому представляется возможным по толщине образца изменять состав сплавов от ВК20 до ВК2, вследствие чего рабочая часть пластин имеет износостойкость, равноценную сплаву ВК2, а основа способна выдерживать значительные напряжения изгиба. В последнее время в нашей стране и за рубежом стали применять всевозможный режущий инструмент с алмазным покрытием на твердых сплавах. Для увеличения долговечности твердосплавных пластин группы ВК применяют методы упрочнения с использованием концентрированных потоков энергии, среди которых обработка поверхности твердых сплавов γ-квантами, ионными пучками, лазерным лучом, электровзрывное легирование, электроэрозионное упрочнение легированием и т.д. 

1. Панов В.С., Чувилин А.М., Фальковский В.А. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. – М.: МИСиС, 2004. – 464 с.

2. 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.

3. Shourong L., Jianmin H., Lianging C., Junting S. Dynamic roentgenophased analysis of hard-facing alloy,s WC – Co boronizing with rare-earth metals // Zhongguo xitu xuebao. J. Chin. Rare Earth Soc. 2002. Vol. 20. No. 1. P. 26 – 29.

4. Shourong L., Jianmin H., Lianging C., Junting S. Mechanism of hard-facing alloy‘s WC-Co boronizing with rare-earth metals // Xiyou jinshu cailiao ya gongcheng. Rare Metal. Mater. and Eng. 2003. Vol. 32. No. 4. P. 305 – 308.

5. Shourong L., Jianmin H., Lianging C., Junting S. Phase analysis of cemented carbide WC-Co boronised with yttrium // J. Chin. Rare Earths Soc. 2002. Vol. 40. No. 4. P. 287 – 290.

6. 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.

7. Табаков В.П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. – М.: Машиностроение, 2008. – 311 с.

8. Верещака А.С. Некоторые методологические принципы создания функциональных покрытий для режущих инструментов. – В кн.: «Современные технологии в машиностроении». – Харьков: изд. Харьковского политехнического института, 2007. С. 210 – 231.

9. Oskolkova T.N. Wear resistant coating on hard alloy // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 788. Р. 281 – 285.

10. Осколкова Т.Н. Карбидовольфрамовый твердый сплав с износостойким покрытием // Известия Самарского научного центра РАН. 2013. Т. 15. № 4 (2). С. 473 – 475.

11. Пантелеев И.Б., Владимирова М.Д., Шаврова О.И., Орданьян С.С. Твердые сплавы на основе карбида вольфрама и сложного карбонитрида титана (вольфрама) // Цветные металлы. 2004. № 8. С. 100 – 105.

12. Чеховой А.Н., Прокопова Т.И., Бычков В.М. Квазиаморфный металлокерамический инструмент нового поколения // Конструкции из композиционных материалов. 1999. № 3. С. 13 – 19.

13. Андрюшин С.Г., Касаткин А.В., Кучумова В.М. Механические характеристики адгезионных соединений буферных тонкопленочных покрытий с твердосплавными подложками // Материаловедение. 2003. № 6. С. 43 – 51.

14. Круглов А.И., Сенчило И.А., Фомичев А.М. Разработка структуры и состава модифицированного слоя рабочих поверхностей маталлокерамических твердосплавных режущих инструментов // Инструмент и технологии. 2004. № 17-18. С. 100 – 103.

15. Пат. 2010888 РФ. Режущая пластина на основе спеченного твердого сплава с покрытием / Кристофер Четфилд, Ян Линдстрем, Мате Сьестранд, Марианна Коллинз; заявл. 15.06.1990; опубл.15.04.1994.

16. Patent 1531187 EPV. Coated cutting tool insert for machining of cast irons / Larsson Andreas, Zackrisson Jenni; SECO TOOLS AB S – 73782 Fagersta; заявл. 15.03.2004; опубл. 18.05.2005.

17. Пат. 2211879 РФ. Способ получения твердосплавного инструмента / В.С. Фадеев, Ю.Н. Чигрин, Б.Я. Мокрицкий, А.В. Конаков; заявл. 29.12.2000; опубл. 10.09.2003. Бюл. № 25.

18. Patent 6756111 USA. Coated carbide material / Okada Yoshin, Moriguchi Hideki, Ikegaya Akihiko; Sumitomo Electric Ind. Ltd. Заявл. 15.06.2000; опубл. 29.06.2004.

19. Patent 10342364 Germany. Hard metal or cermet body and method for producing the same / Lengauer Walter, Ucakar Vera, Dreyer Klaus, Kassel Dieter, Daub Hans; Заявл. 12.09.2003; опубл. 14.04. 2005.

20. Пат. 2302925 РФ. Способ изготовления сменных многогранных пластин / В.Н. Аникин, Н.Н. Золотарева, Н.И. Казанцев, А.А. Тамбовцева, А.Д. Пельц, А.В. Ермолаев, В.С. Фадеев, И.В. Блинков; заявл. 01.12.2005; опубл. 20.07.2007. Бюл. № 20.

21. Пат. 2401720 РФ. Способ получения изделия из многослойного твердого сплава на основе карбида вольфрама / Т.Н. Осколкова. Заявл. 24.02.2009; опубл. 20.10.2010. Бюл. № 29.

22. Oskolkova T.N. A new technology for producing carbide alloys with gradient structurе // Applied Mechanics and Materials IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 91. P. 012019.

23. Пат. 2167262 РФ. Наплавка твердым сплавом с покрытыми алмазными частицами (варианты), присадочный пруток для наплавки твердым сплавом, способ наплавки твердым сплавом (варианты), коническое шарошечное долото для вращательного бурения (варианты), коническая шарошка / Ленгфорд Джеймс В. Мл., Дельвиче Роберт; заявл. 29.07. 1996; опубл.20.05.2001. Бюл. № 14.

24. Patent 6358624 USA. Polycrystalline diamond tool / Yo-shida Katsuhito, Shiraishi Junichi, Nakai Tetsuo; заявл. 18.05.1999; опубл. 19.03. 2002.

25. Фальковский В.А., Клячко Л.И., Смирнов В.А. Нанокристаллические и ультрадисперсные порошки вольфрама, карбида вольфрама и волфрамокобальтовые твердые сплавы на их основе. – М.: ФГУПС ВНИИТС, 2004.

26. Андриевский Р.А. Сверхтвердые наноструктурные материалы на основе тугоплавких соединений // Журнал функциональных материалов. 2007. Т. 1. № 4. С. 129 – 133.

27. Панов В.С. Нанотехнологии в производстве твердых сплавов (обзор) // Изв. вуз. Цветная металлургия. 2007. № 2. С. 63 – 68.

28. Bock A., Zeiler B. Production and characterization of ultrafine WC powders // Int. J. Refrac. Met. Hard Mater. 2002. Vol. 20. P. 23 – 30.

29. Блинков И.В., Манухин А.В. Нанодисперсные и гранулированные материалы, полученные в импульсной плазме. – М.: МИСиС, 2004. – 367 с.

30. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г., Сычев А.Е. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез как новейший технологический процесс получения нанопорошков // Конструкции из композиционных материалов. 2006. № 4. С. 17 – 19.

31. Klyachko L.I. Fine and ultra fine hardmetals at Plansee // Metal. Powder Report. 2001. Vol. 56. No. 11. P. 24.

32. Liu Y., Vid Q., Li Y. Synthesis and tribological of electroless Ni-P-WC nanocomposite coatings // Surface and Coatings Technology. 2007. Vol. 201. No. 16-17. P. 7246 – 7251.

33. Самохин А.В., Алексеев Н.В., Цветков Ю.В. Плазмохимические процессы создания нанодисперсных порошковых материалов // Химия высоких энергий. 2006. № 2. С. 120 – 125.

34. Ban Z.-G., Shaw L.L. Synthesis and processing of nanostructured WC-Co materials // J. Mater. Sci. 2002. Vol. 37. No. 16. С. 3397 – 3403.

35. Коротаев А.Д., Мошков В.Ю., Овчинников С.В., Пинжин Ю.П., Савостиков В.М., Тюменцев А.Н. Наноструктурные и нанокомпозитные сверхтвердые покрытия // Физическая мезомеханика. 2005. Т. 8. № 3. С. 103 – 116.

36. Veprek S., Veprek-Hejman M.G.J, Kavrankova P., Prohazka J. Different approaches to superhard coatings and nanocomposite // Thin Solid Films. 2005. Vol. 476. P. 1 – 29.

37. Musil J., Hruby H., Zeeman P. Hard and superhard nanocomposite Al–Co–N films prepared by magnetron sputtering // Surf. and Coats. 1999. Vol. 155. Р. 32 – 37.

38. Holubar P., Jilek M., Sima M. Nanocomposite nc-TiAlSiN and ncTiN-BN coatings: their applications on substrates made of cemented carbide and results of cutting tests // Surf. and Coatings Technol. 1999. Vol. 120-121. P. 184 – 188.

39. Vaz F., Rebouta L., Goudea Ph. Residual stress in sputtered Ti1-xSix Ny films // Thin Solid Films. 2002. Vol. 402. P. 195 – 202.

40. Jedrzejonski P., Klemberg-Sapieha 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.

41. Mayrhofer 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. P. 151 – 159.

42. Пинахин И.А., Копченков В.Г. Повышение работоспособности металлорежущего иструмента из твердых сплавов методом импульсной лазерной обработки // Вестник Сев.- Кавк. ГТУ. 2010. № 4. C. 90.

43. Григорьянц А.Г., Яресько С.И. Исследование напряженного состояния карбидной фазы твердого сплава ВК6 при импульсной лазерной обработке // Сверхтвердые материалы. 1991. № 1. С. 49 – 56.

44. Яресько С.И., Кобелева Т.К. Изменение тонкой структуры карбидной фазы твердых сплавов системы WC-Co при лазерной обработке // Сверхтвердые материалы. 1996. № 1. С. 52 – 57.

45. Исхакова Г.А., Синдеев В.И. Исследование высокоскоростной деформации карбида вольфрама // Сверхтвердые материалы. 1983. № 5. С. 49 – 54.

46. Гуреев Д.М., Лалетин А.П., Чулкин В.Н., Яресько С.И. О состоянии тонкой структуры карбидов в твердом сплаве ВК8 в зоне импульсной лазерной обработки // Физика и химия обработки материалов. 1987. № 6. С. 36 – 40.

47. Нестеренко В.П., Арефьев К.П., Кондратюк А.А., Меркулов В.И., Сурков А.С. Электрическая прочность полиоксидных структур, сформированных на поверхности композиционных материалов при нагревании после предварительной лазерной обработки // Физика и химия обработки материалов. 2002. № 5. С. 9 – 13.

48. Ramkumar J., Aravindan S., Malhotra S.K., Krishnamurthy R. Enhancing the metallurgical properties of WC insert (K-20) cutting tool through microwave treatment // Mater. Lett. 2002. Vol. 53. No. 3. Р. 200 – 204.

49. Иванов А.Н., Коршунов А.Б., Яковцова М.М. Влияние скоростной термообработки на тонкую структуру карбида вольфрама в твердом сплаве ВК8. – В кн.: Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий. Сб. науч. тр. 6 межгосуд. семинара. – Обнинск, 2001. С. 21.

50. Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н., Бобой А.О., Иванов Ю.Ф. Изменение трибологических свойств металлокерамических твердых сплавов ионно-плазменной и ионно-лучевой обработкой // Физика и химия обработки материалов. 2002. № 2. С. 5 – 8.

51. Бобой А.О., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н. и др. Комплексная модификация твердосплавных режущих инструментов с использованием ионных пучков высокой удельной мощности. – В кн.: Материалы и технологии 21-го века. Cб. науч. тр. Ч. 1. – Пенза: Изд-во Приволж. Дом знаний, 2001. С. 87 – 89.

52. Ремнев Г.Е., Семухин Б.С., Струц В.К. и др. Исследование структуры твердого сплава на основе карбидов вольфрама и титана, подвергнутого мощному импульсному ионному облучению // Физика и химия обработки материалов. 1998. № 5. С. 19 – 22.

53. 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.

54. Тарбоков В.А., Ремнев Г.Е., Кузнецов П.В. Модифицирование твердосплавных пластин на основе карбида вольфрама мощным импульсным ионным пучком // Физика и химия обработки материалов. 2004. № 3. С. 11 – 17.

55. Петренко П.В., Грицкевич А.Л., Кулиш Н.П., Мельникова Н.А., Рожковский А.Н. Влияние радиационных дефектов на структурно-фазовые превращения в твердых сплавах WC-Co. – В кн.: Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий: Сб. науч. тр. 6 Межгосуд. семинара. – Обнинск, 2001. С. 85.

56. Петренко П.В., Грабовский Ю.Е., Грицкевич А.Л., Кулиш Н.П. Структурно-фазовые превращения в твердых сплавах WC-Co при облучении низкопотоковым электронным пучком // Физика и химия обработки материалов. 2003. № 3. С. 29 – 39.

57. Пат. 2092282 РФ. Способ упрочнения твердосплавного инструмента / А.П. Мамонтов, И.П. Чернов, С.Я. Рябчиков; заявл. 12.03.1996; опубл. 10.10.1997.

58. Пат. 93057445 РФ. Способ обработки пластин из твердых сплавов / А.Б. Коршунов, Б.В. Шамаев, А.М. Шорин, С.А. Шестериков, Д.В. Пикунов, В.В. Щуркова, С.Л. Данилов; заявл. 28.12.1993; опубл. 20.09.1996. 27.03.1997.

59. Тимошников Ю.А., Клопотов А.А, Иванов Ю.Ф. Изменение структурно-фазового состояния сплава ВК8 под воздействием потока гамма-квантов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2001. № 4. С. 40 – 43.

60. Пат. 1707997 РФ. Способ ионно-лучевой обработки режущего инструмента из твердых сплавов / Л.Н. Пучкарева, К.П. Полещенко, М.Ф. Полетика; заявл. 08.01.1990; опубл. 20.01.1997.

61. 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.

62. Oskolkova T.N., Budovskikh E.A. Pulse plasma treatment of the surface of alloy VK10KS // Metal Science and Heat Treatment. 2012. Vol. 53. No. 11. Р. 608 – 610.

63. Oskolkova T.N., Budovskikh E.A. Electric explosion alloying of the surface of hard alloy VK10KS with titanium and silicon carbide // Metal Science and Heat Treatment. 2013. Vol. 55. No. 1-2. Р. 96 – 99.

64. Осколкова Т.Н., Будовских Е.А. Изменение структуры поверхности сплава ВК10КС после электровзрывной обработки с бором // Технология металлов. 2012. № 3. С. 13 – 18.