Поверхностное упрочнение твердосплавного инструмента на основе карбида вольфрама концентрированными потоками энергии

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).

1. Табаков В.П. Формирование износостойких ионно­плазменных покрытий режущего инструмента. М.: Машиностроение, 2008. 311 с.

2. Богодухов С.И., Козик Е.С., Свиденко Е.В. Упрочнение твердых сплавов (обзор) // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. Т. 131. № 11. С. 3–11.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.2007.01.035

9. Veprek 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.2004.10.053

10. Jedrzejowski 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)00028-2

11. 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. No. 1­2. P. 151–159. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(02)00511-4

12. Oskolkova 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/91/1/012019

13. Тюрин 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.

14. 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/S1067821214020138

15. Oskolkova 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/S2075113319010258

16. Oskolkova T.N., Budovskikh E.A. Pulse plasma treatment of the surface of alloy VK10KS // Metal Science and Heat Treatment. 2012. Vol. 53. No. 11–12. P. 608–610. https://doi.org/10.1007/s11041-012-9443-1

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

18. 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.

19. 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.

20. 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.