НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ДОЛГИХ ВОЛОДИМИР ЮРІЙОВИЧ

УДК 621.785.539

ФОРМУВАННЯ ДИФУЗІЙНИХ ПОКРИТТІВ НА ОСНОВІ ТИТАНУ, ВАНАДІЮ, ХРОМУ НА БЕЗВОЛЬФРАМОВИХ ТВЕРДИХ СПЛАВАХ ТН20 ТА КХН15

Спеціальність 05.16.01 Металознавство та термічна обробка металів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Київ 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут”, на кафедрі металознавства та термічної обробки

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Хижняк Віктор Гаврилович, Національний технічний Університет України „Київський політехнічний інститут”, професор кафедри металознавства та термічної обробки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Білоус Михайло В’ячеславович, Національний технічний Університет України „Київський політехнічний інститут”, професор кафедри фізики металів;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Захаров Сергій Михайлович, Інститут металофізики

ім. Г.В. Курдюмова НАН України, заст. зав. відділу “Дифузійних процесів”

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться 14.06.2004 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.26.002.12 в Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут” за адресою 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37, корпус №9, аудиторія № 203

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37.

Автореферат розісланий 12.05.2004 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К26.002.12 Л.М. Сиропоршнев

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Використання якісного та надійного інструмента є одною з важливих проблем на виробництві яка потребує особливої уваги. В сучасних умовах, коли переважна більшість продукції машинобудівних виробництв виготовляється на станках автоматах, автоматизованих лініях чи станках з ЧПК вимоги до інструментальних матеріалів постійно зростають. Відбувається збільшення швидкостей різання, з метою зменшення часу обробки, розроблені нові важко оброблювальні матеріали, підвищуються вимоги до якості обробленої поверхні, її шорсткості, точності. Ріжучий інструмент повинен працювати в екстремальних умовах тривалий час, тобто мати значний період стійкості. З іншого боку, при деяких видах механічної обробки, вартість інструменту якій використовують може досягати до 30% вартості обладнання. Тому вартість інструментального матеріалу має велике практичне значення.

В останній час швидко зростає використання безвольфрамових твердих сплавів (БВТС), які все більше витісняють традиційні сплави типу ТК на операціях чистової та напівчистової механічної обробки. Цьому сприяє майже однакові показники стійкості БВТС та сплавів ТК, а також значно нижча вартість перших. Кількість БВТС які використовують у США та Західній Європі сягає 3 – 5%, а у Японії 30 – 35% від усіх твердих сплавів.

Одночасно з цим, у світовій практиці спостерігається тенденція до суттєвого зменшення використання твердосплавного ріжучого інструменту без покриттів. Інструментальні фірми, які виробляють твердосплавний інструмент, включають в свій технологічний процес операції по нанесенню покриттів. Твердих сплавів без покриттів на світовому ринку практично не залишилось. Інструмент без покриттів використовують лише на чорнових операціях, при обробці, яка супроводжується динамічними навантаженнями. В той же час доля цих операцій постійно зменшується у загальному об’ємі технологічного циклу. Така тенденція у використанні інструменту з покриттями підтверджує думку про його значну ефективність.

Слід вважати, що розробка захисних покриттів з високими експлуатаційними властивостями для ріжучого інструменту на основі БВТС є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами.

Робота виконувалась на кафедрі металознавства та термічної обробки Національного Технічного університету України “КПІ” відповідно до теми №2524 „Багатокомпонентні покриття за участю хрому”, що розроблялась згідно завдання Міністерства освіти та науки України в 2002 – 2003 роках. Дисертант, працюючи по цій темі, виконував експериментальну частину по насиченню твердих сплавів хромом, титаном, ванадієм.

Мета роботи: отримання дифузійних шарів на безвольфрамових твердих сплавах з підвищеними експлуатаційними характеристиками, вивчення закономірностей процесу нанесення покриттів на основі титану, ванадію, хрому на БВТС ТН20 та КХН15, встановлення властивостей покриттів та експлуатаційних характеристик БВТС з покриттями.

Задачі дослідження -Відповідно до мети в роботі були вирішені наступні задачі:

1 Дослідження фізико-хімічних умов насичення сплавів ТН20, КХН15 титаном, ванадієм, хромом в закритому реакційному просторі за умов зниженого тиску в середовищі хлору.

2 Вивчення фазового та хімічного складів, мікроструктуру, кінетику росту багатошарових покриттів на безвольфрамових твердих сплавах на основі титану, ванадію, хрому.

3 Встановлення раціональних технологічних параметрів процесу насичення безвольфрамових твердих сплавів титаном, ванадієм, хромом.

4 Дослідження мікротвердості покриттів та впливу дифузійної металізації на межу міцності при згині, трибологічні характеристики, жаростійкість БВТС.

5 Встановлення експлуатаційних властивостей безвольфрамових твердих сплавів з покриттями на основі титану, ванадію, хрому,.

Об’ект дослідження: безвольфрамові тверді сплави з дифузійними покриттями на основі титану, ванадію, хрому.

Предмет дослідження: фазовий, хімічний склади, структура, механічні та експлуатаційні властивості дифузійних покриттів на безвольфрамових твердих сплавах на основі титану, ванадію, хрому

Методи досліджень: поставлені мета і задачі обумовили проведення експериментальних досліджень з використанням сучасних методів та устаткування. В роботі застосована рентгенівська дифрактометрія, металографія, дюрометричний аналіз, мікрорентгеноспектральний аналіз, вивчення жаростійкості покриттів, дослідження зносостійкості покриттів в умовах тертя ковзання без змащування.

Наукова новизна отриманих результатів:

1 Вперше показана можливість отримання методом дифузійної металізації в закритому реакційному просторі при зниженому тиску дифузійних покриттів на безвольфрамових твердих сплавах на основі титану, ванадію, хрому.

2 Встановлено закономірності процесу формування дифузійних покриттів на основі титану, ванадію, хрому на безвольфрамових твердих сплавах, запропоновано схему утворення багатошарових покриттів.

3 Вперше встановлено властивості безвольфрамових твердих сплавів з багатошаровими покриттями.

4 Оптимізовано технологічні параметри процесу утворення багатошарових покриттів на безвольфрамових твердих сплавах з підвищеними експлуатаційними властивостями

Практичне значення отриманих результатів

На основі проведених досліджень запропоновані раціональні технологічні параметри процесу дифузійного насичення титаном, ванадієм, хромом, оптимальні види покриттів для обробки різанням сталевих та титанових сплавів, визначені раціональні режими різання, які забезпечують підвищення працездатності БВТС з покриттями в 2,0 – 3,0 рази в порівнянні з вихідними сплавами, та в 2,5 – 4,0 рази в порівнянні зі сплавами групи ТК.

Особистий внесок здобувача

Автору належить: дослідження складу, структури та механічних властивостей дифузійних покриттів на безвольфрамових твердих сплавах. Дослідження фазового складу виконані разом з к.ф.-м.н. Карпцем М.В., мікрорентгеноспектральні – разом з к.ф.-м.н. Добровольским В.Д.

Апробація результатів роботи

Робота виконана на кафедрі „Металознавства та термічної обробки” Інженерно-фізичного факультету Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”. Основні наукові положення дисертації доповідались і обговорювались на міжнародних конференціях: “Актуальные проблемы прочности”, Пуща Водиця, м. Київ, Україна, 2001 р.; симпозіум ОТТОМ-2: “Оборудование технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении”, м. Харьків, Україна, 2001 р.; міжнародна науково-технічна конференція "Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра", НТУУ "КПІ", Київ, Україна, 2002 р.; “Материалы и покрытия в экстремальных условиях” Понизовка, Автономна Республіка Крим, Україна, 2002 р.; друга всеукраїнська молодіжна науково-практична конференція “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво”, м. Суми, 2002р.; перша науково-практична конференція молодих вчених “Металознавство та обробка металів”, ФТІМС НАН України, Київ, Україна, 2003 р.;

Публікації

Результати дисертаційної роботи викладено в 5 статях та 5 тезах доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації

Дисертація складається зі вступу, шістьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел. Загальний обєм дисертації складає 165 сторінок, у тому числі 63 рисунки, 7 таблиць, 115 найменувань літературних джерел. Основна частина дисертації містить 147 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Вступ. Все ширше упроваджуються різні технології нанесення зносостійких покриттів на поверхню твердосплавного ріжучого інструменту. Для підвищення його працездатності. Нарівні з підвищенням зносостійкості, має місце й зміна умов різання: зменшуються сили різання, зменшуються температури в зоні різання, змінюється стан поверхневого шару оброблюваної деталі. Нанесення покриттів є ефективним, перспективним методом підвищення зносостійкості і потребує проведення подальших досліджень.

Перший розділ. В розділі проаналізовано літературні дані щодо методів підвищення експлуатаційних властивостей твердих сплавів. На даний час у світі існує багато різноманітних методів отримання покриттів на ріжучому інструменті, як на сталевому так і на твердосплавному. Кожний метод має свої переваги і недоліки. З метою отримання ефективних покриттів, до них були сформульовані основні вимоги: висока мікротвердість (15ГПа), теплостійкість (800оС) і густина (пористість 1 %), міцність зчеплення з основою, висока стійкість проти окислення, опір лункоутворенню

Експлуатаційні характеристики системи основа – покриття залежать від міцності зчеплення покриття й основи, хімічною, термохімічною, дифузійною, структурною сумісністю, які пов’язані з хімічним складом матеріалів, що використовують, і визначаються методом нанесення покриття.

В теперішній час в нашій країні і за кордоном зносостійкі покриття на сталевий та твердосплавний інструмент наносять наступними методами: осадженням із газової фази (CVD), фізичним вакуумним осадженням (PVD), хіміко – термічною обробкою (ХТО), та деякими іншими.

Метод, CVD заснований на осадженні певних сполук на поверхні зміцнюваних деталей. Це дозволяє отримати високотверді шари карбідів, нітридів, карбонітридів, боридів, силіцидів і оксидів. Покриття, отримані методом CVD, мають високу щільність, міцність зчеплення з основою.

Метод PVD знайшов використання, в основному, при обробці сталевого інструменту.

Насичення методами хіміко-термічної обробки має суттєву перевагу у порівнянні з іншими методами нанесення покриттів. В першу чергу тому, що міцність зв’язку покриття з основою значно перевищує міцність зв’язку інших типів покриттів за рахунок проникнення елементів, які наносять, в основний матеріал, а елементів основи в покриття.

В роботі, було запропоновано отримувати дифузійні покриття на основі титану, ванадію, хрому на безвольфрамових твердих сплавах марок ТН20 та КХН15 методом хіміко-термічної обробки, який розроблено на кафедрі металознавства та термічної обробки НТУУ „КПІ”. Метод відзначається високою якістю покриттів, простотою технологічного виконання, екологічною чистотою, незначною собівартістю продукйії.

Другий розділ. В розділі описані матеріалаи і експериментальні методи дослідження, установка для нанесення покриттів. Захисні покриття наносили на поверхню безвольфрамових твердих сплавів ТН20 та КХН15. Насичення перехідними металами титаном, ванадієм, хромом здійснювали в закритому реакційному просторі за умов зниженого тиску. В якості вихідних компонентів використовували порошки, титану, ванадію, хрому, чотирихлористий вуглець та деревне вугілля. Покриття наносили в інтервалі температур 1223 – 1323 К і часу витримки 1 – 6 годин.

Для аналізу фазового складу, структури та мікротвердості покриттів на основі титану, ванадію та хрому на БВТС застосовували рентгеноструктурний, мікрорентгеноспектральний, металографічний, дюрометричний аналізи з використанням приладів ДРОН – УМ1 (мідне монохроматизоване випромінювання), ПМТ-3, NEOPHOT 21.

Для визначення хімічного складу покриттів в роботі був застосований мікрорентгеноспектральний аналіз, який проводили використовуючи електронний растровий мікроскоп-аналізатор Camebax MS-46 фірми „Cameca” при прискорюю чому напруженні 20кВ, силі струму 18мА, діаметрі зонду 1 10-6 м з чутливістю за масою 10-2 % і точністю 1%. В якості еталонів використовували технічно чисті хром, титан, нікель, ванадій, кобальт. Концентрацію титану, ванадію, хрому, нікелю визначали за відомими співвідношеннями, враховуючи поправки на атомний номер, поглинання і флуоресценцію.

При визначенні жаростійкості покриттів використовували диференціальний термічний аналіз на дериватографі марки Q – 1500D. Застосовуваний метод базується на порівнянні термічних властивостей покриття, що досліджується і термічно інертної речовини, в якості якої використовували оксид алюмінію Al2O3. Реєструючим параметром була різниця їх температур, яка вимірювалась при нагріванні чи охолодженні зразків, що досліджували, з постійною швидкістю.

Як метод випробування на зносостійкість, була використана методика “зворотнього обертання шпинделя”, яка полягає в імітації реальних умов різання, шляхом виключення безпосередньо, самого процесу різання, і заміни його тертям, за рахунок зміни напряму обертання шпинделя. Таким чином, передбачалось максимально наблизити умови проведення експерименту до умов різання. Експеримент проводився на установці, основою якої, був токарно-гвинторізний верстат 16К20. На ньому було встановлене спеціальне пристосування, що дозволяє реалізувати даний метод випробувань.

Третій розділ. Для обґрунтування вибору технологічних параметрів нанесення захисних покриттів в роботі проведено аналіз фізико-хімічних умов насичення, який оснований на термодинамічному підході й направлений на теоретичне визначення рівноважного стану закритого реакційного середовища.

В результаті теоретичних досліджень фізико-хімічних умов нанесення покриттів були вирішені наступні питання: визначений при вибраних умовах рівноважний стан реакційного середовища з врахуванням утворених різних речовин в газовій фазі та конденсованому станах; оцінений вплив компонентів оброблювального сплаву, кисню й азоту повітря на склад реакційного середовища.

Рівновагу оцінювали в інтервалі температур 300 – 1500 К для систем, до складу яких входили насичуючи метали (титан, ванадій, хром), хлор, вуглець – як вихідні компоненти, кисень та азот – як компоненти повітря, нікель та молібден – як компоненти оброблювальних матеріалів.

На оcнові аналізу даних термодинамічного аналізу, було показано, що парціальний тиск хлоридів нікелю в системах за участю двох металів Ti-Ni, V-Ni, Cr-Ni залишається в широкому інтервалі температур набагато нижчим за парціальний тиск відповідно хлоридів титану, ванадію, хрому. Таким чином, можна зробити висновок, що вірогідність відводу нікелю від оброблюваної поверхні сплавів ТН20 та КХН15 з утворенням хлоридів в газовій або конденсованій фазах є незначною. В той же час, при ванадіюванні, хромуванні сплавів, які вміщують титан (ТН20), як показав аналіз систем Ti-V, Ti-Cr, можливе утворення хлоридів титану з парціальним тиском вищіх за парціальний тиск відповідно хлоридів насичуючих металів – ванадію та хрому. Вміст в системі карбіду титана залишається для цього випадку практично незмінним.

Раціональний вміст вихідних компонентів (деревне вугілля, чотирихлорситий вуглець) було встановлено експериментально. Показано, що покриття максимальної товщини на сплавах ТН20, КХН15 утворюються при вмісті в реакційному просторі деревного вугілля та чотирихлористого вуглецю відповідно 1500 г/м3 та 1000 мл/м3.

Четвертий розділ. В розділі наведені результати досліджень фазового та хімічного складів, структури покриттів за участю титану, ванадію, хром на сплавах ТН20 та КХН15. Рентгеноструктурним аналізом показано, що при титануванні безвольфрамового твердого сплаву ТН20, в залежності від температурно-часових характеристик, утворюється багатошарове покриття, яке може складатись з шарів наступних фаз: карбіду титану TiC, та інтерметалідів Ni3Ti та NiTi. Дифрактограми сплаву ТН20 після титанування за різними режимами приведені на рисунку 1.

Шар, якій примикає до основи, є карбід титану TiC. Період кристалічної гратки фази карбіду титану, який утворився в покритті, становить 0,4284-0,4289 нм і виявляється нижчим за період гратки карбіду титану, який входить до основи сплаву. Це може бути повязано в першу чергу з дефіцитом в карбіді титану покриття вуглецю. Наступні два шари, які мають місце при насиченні титаном при температурі 1273 К і часі витримки чотири години відповідають інтерметалідам Ni3Ti і NiTi. Наступним за шаром карбіду титану буде шар на основі інтерметаліду Ni3Ti. На зовнішній стороні покриття, розташована зона, яка була ідентифікована як фаза NiTi.

Дифрактограма сплаву КХН15 після титанування приведена на рисунку 2. Встановлено, що на сплаві КХН15, в залежності від температурно-часових характеристик процесу, утворюються багатошарові покриття, які складаються з наступних фаз: карбіду хрому Cr7C3, карбіду титану TiC, та інтерметаліду NiTi. Загальним для покриттів за участю титану на сплавах ТН20 та КХН15 є те, що при певних температурно-часових умовах насичення зона, яка відповідає фазі карбіду титану TiC, зникає.

Це пов’язано з розчиненням цієї фази в інтерметаліді Ni3Ti та нікелевій зв’язці основи. До особливостей титанування сплаву КХН15 слід віднести те, що при титануванні відбувається утворення шару карбіду хрому Cr7C3, в той час як основу сплаву складає карбід хрому Cr3C2.

При хромуванні сплавів КХН, як і при титануванні та ванадіюванні, має місце формування багатошарових покриттів за участю фаз Cr7C3, Cr3Ni-2. Скоріш за все, на перших етапах взаємодії хрому з карбідом основи Cr3C2 відбувається утворення карбіду Cr7C3. Слід зазначити, що на зовнішній стороні сплаву КХН розташована фаза, на основі хрому Cr3Ni-2, а також можливе формування зони твердого розчину на основі хрому.

Встановлено, що в залежності від температурно-часових умов насичення на поверхні сплаву ТН20 утворюються багатошарові покриття типу:

– карбід насичуючого металу, інтерметаліди нікелю;

– інтерметаліди нікелю;

на сплаві КХН15:

– карбід насичуючого металу, карбід Cr7C3, інтерметаліди нікелю;

– інтерметаліди нікелю;

– інтерметаліди нікелю, твердий розчин насичуючого металу (при хромуванні)

Розподіл хімічних елементів по товщині покриття, що утворювалось після дифузійної металізації безвольфрамових твердих сплавів ТН20 та КХН15 титаном, ванадієм, хромом було вивчено мікрорентгеноспектральним аналізом. Хімічний склад покриттів за участю титану на сплавах ТН20 приведені на рисунку 3. Встановлено, що метал основи нікель проникає в усі типи покриттів, і як було показано рентгеноструктурним аналізом, утворює відповідні фази інтерметалідів. Слід також відзначити, що в усіх випадках дифузійної металізації, насичуючий елемент проникає в основу твердого сплаву.

Характерні мікроструктури сплавів представлені на рисунках 4, 5. Після дифузійної металізації сплаву ТН20 титаном, ванадієм, хромом поверхня складається зі світлих, щільних шарів. Це зона карбідів насичуючого металу, що примикає до основного сплаву, і зовні зона інтерметалідів на основі насичуючого металу та нікелю. На рисунку 4 зображені мікроструктури сплаву ТН20 після титанування за різними технологічними режимами. В структурі можна розрізнити декілька зон які утворились після проведення процесу насичення: шари інтерметалідів та карбідний шар. На певній відстані від покриттів в матриці виявляється зона темно-сірого кольору, яка має підвищену пористість. Вона утворилась у процесі насичення за рахунок дифузії металу основи нікелю, в покриття, (на рисунку ця зона позначена цифрою 4).

Після дифузійної металізації сплаву КХН15 титаном поверхня складається із зони карбідів насичуючого металу, який примикає до основного сплаву, і зони інтерметалідів на основі насичуючого металу та нікелю.

На рисунку 5 зображені мікроструктури сплаву КХН15 після титанування за різними технологічними режимами. Можна виділити в покритті декілька зон, які утворились після проведення процесу насичення: шар інтерметаліду, карбідні шари TiC та Cr7C3. Карбід Cr7C3 утворився при дисоціації карбіда основи Cr3C2.

При дифузійній металізації ванадієм структури покриттів майже не відрізняються від вище наведених. Слід зазначити, що при ванадіюванні зона підвищеної пористості має не такий розвинений характер, як при титануванні сплаву ТН20. Це може бути повязано з тим, що кількість нікелю, який дифундує в покриття в даному випадку менша ніж при титануванні.

Фрактограми зламів сплаву ТН20 після дифузійної металізації представлені на рисунку 6. Для всіх досліджених покриттів характерний крихкий транс- або міжкрісталітний злами. Зона інтерметалідів, яка розташована на зовнішній стороні покриття має характерний стовбчастий характер, або не визначений внаслідок транскристалічного зламу. Слід зазначити, що поперековий розмір стовбчастих зерен інтерметалідів за участю титану та нікелю на сплаві ТН20 становить 1,5 – 2,5 мкм (рис.6.).

На основі даних пошарового рентгеноструктурного, мікроструктурного та дюрометричного аналізів була визначена кінетика росту покриттів при прийнятих умовах. На рисунках 7,8 представлені отримані залежності товщини покриттів за участю титану, ванадію, хрому на сплаві ТН20 від температури та часу витримки. Аналіз отриманих даних показав, що залежність товщини усіх видів покриттів від часу має складний характер.

Особливістю кінетики росту покриттів на БВТС на основі титану, ванадію, хрому є практично повне зникнення при значних температурно-часових умовах насичення дифузійних шарів на основі TiC, VC, Cr7C3 відповідно.

На основі аналізу фазового та хімічного складів, структури, мікротвердості та кінетики росту захисних шарів, запропоновані раціональні температурно-часові умови нанесення покриттів:

– при титануванні сплаву ТН20 – температура 1273 К, час насичення 2 години; сплаву КХН15 – 1273 К, час 3 години;

– при ванадію ванні сплаву ТН20 – температура 1273 К, час насичення 3 години; сплаву КХН15 – 1273 К, час 3 години;

– при хромуванні сплаву ТН20 – температура 1323 К, час насичення 2 години; сплаву КХН15 – 1323 К, час 3 години.

За даними фазового, мікроструктурного та хімічного аналізів була запропонована схема утворення покриттів на безвольфрамових твердих сплавах ТН20 та КХН15. Процес формування покриття протікає шляхом взаємної дифузії елементу, яким насичують, в глибину сплаву, та дифузії елементів сплаву в покриття. Так, наприклад, при титануванні сплаву ТН20 на першому етапі утворюється шар карбіду титану TiC. Далі починає утворюватись шар інтерметаліду титану Ni3Ti. Якщо процес насичення продовжується, на поверхні починає рости шар інтерметаліду NiTi. При збільшенні часу насичення шар карбіду титану поступово розчиняється. При титануванні сплаву КХН на початку утворюються шари карбіду хрому Cr7C3 та шар карбіду титану. На наступному етапі формування інтерметалід NiTi. При значних часах витримки, шар карбіду титану розчинюється в шарі інтерметалід та основі.

П’ятий розділ присвячено дослідженню властивостей сплавів ТН20 та КХН15 з покриттями. Хіміко-термічна обробка має суттєвий вплив на механічні властивості твердих сплавів. Максимальна мікротвердість встановлена для шару фази ТіС – 24,0 ГПа; для шару зони інтерметаліду NіТі – 12,5 ГПа (табл. 1). Таблиця 1.

Мікротвердість дифузійних шарів на безвольфрамових твердих сплавах ТН20 та КХН15

вид насичення | шар покриття | Значення мікротвердості, ГПа | МАРКА СПЛАВУ | ТН20 | КХН15 | титанування | TiC | 18,5 – 24,0 | 20,5 – 24,0 | Ni3Ti | 5,5 – 11,5– | NiTi | 8,5 – 12,5 | 6,0 – 8,0 | Cr7C3 – | 10,5 – 11,0 | ванадіювання | VC | 14,0 – 17,0 | 17,0 – 19,0 | NiV | 4,0 – 6,5– | NiV3 | 7,0 – 10,5– | Ni3V– | 5,0 – 8,0 | хромування | Cr7C3 | 10,5 – 13,5 | 10,5 – 12,0 | Cr3Ni2 | 8,0 – 13,0 | 8,0 – 13,5 | твердий розчин нікелю в хромі | 7,5 – 9,0 | 8,0 – 10,0 | Ni2Cr – | 10,0 – 11,0 |

Мікротвердість інтерметалідів в покритті виявилась вище за твердість відому з літературних джерел, що повязано скоріше за все зі складом і структурою покриттів. Крім того, в зоні інтерметалідів можливе розчинення карбідних фаз насичуючих металів. Що зумовлюється зникненням шару карбідів при великих температурах та часах процесу. Певним чином це підтверджується, наприклад, зростанням твердості покриття фази Nі3Ті, яка була отримана при температурі насичення 1273 К.

В роботі була досліджена міцність на згин твердих сплавів після хіміко-термічної обробки. Результати досліджень показали, що межа міцності при поперечному згині твердих сплавів після нанесення захисних покриттів зменшується і становить для сплаву ТН20 після титанування при температурі 1273 К становить 0,8ГПа, зменшенням коефіцієнта варіації значень межі міцності твердих сплавів з покриттями.

Була визначена жаростійкість безвольфрамових твердих сплавів з покриттями. Усі тверді сплави з покриттями на основі титану, ванадію показали підвищення жаростійкості в порівнянні з вихідними. Так, жаростійкість сплаву ТН20 з покриттям на основі титану підвищилась майже вдвічі. Встановлено, що на сплаві без покриття температура початку окислення становить 660 К, а на сплаві з титановим покриттям – 1073 К.

Шостий розділ. З метою визначення роботоздатності БВТС з покриттями були проведені дослідження експлуатаційних властивостей в умовах різання. Стійкість БВТС визначали по величині відносного зносу, який розраховували по відношенню розмірів фаски зносу задньої поверхні до шляху різання.

Типовим для встановлених залежностей відносного зносу від швидкості різання є зміщення швидкості різання, при якій спостерігається мінімальний відносний знос, до більш високих. При цьому відносний знос БВТС з покриттями зменшується в 3 рази у порівнянні з вихідними. Найкращу працездатність покриттів на БВТС спостерігали при обробці сталі 45 при швидкостях різання 250 м/хвил.

В роботі були проведені виробничі випробування зносостійкості безвольфрамових твердих сплавів з покриттями. Підвищення стійкості сплаву ТН20 з покриттям на основі титану при обробці сталі 45ХГМА становить 4,5 рази в порівнянні зі сплавом Т15К6; ТН20 з покриттям на основі ванадію – 3,0 рази; ТН20 з покриттям на основі хрому – 2,5 рази. При обробці титанового сплаву ВТ1 найкращі результати показав сплав ТН20 з покриттям на основі хрому.

висновки

1 Встановлені фізико-хімічні умови отримання дифузійних покриттів, в закритому реакційному просторі при зниженому тиску, в залежності від температурно-часових умов та вихідних реагентів, в якості яких використовували титан, ванадій, хром, вуглець, CCl4.

2 Встановлено, що в залежності від температурно-часових умов насичення на поверхні сплаву ТН20 утворюються багатошарові покриття типу:

– карбід насичуючого металу – інтерметаліди за участю нікелю;

– інтерметаліди нікелю;

на поверхні сплаву КХН15:

– карбід насичуючого металу, карбід Cr7C3, інтерметаліди за участю нікелю;

– інтерметаліди за участю нікелю;

– інтерметаліди за участю нікелю, твердий розчин насичуючого металу (при хромуванні)

2.1 Товщина покриттів на БВТС складає 5-30мкм для прийнятих умов насичення. Залежність товщини покриттів від температрно-часових умов обробки має складний характер. Показано, що при певних температурно-часових умовах насичення, відбувається розчинення карбідних шарів, які утворювались на перших етапах процесу дифузійного насичення, в шарах інтерметалідів та в основі.

2.2 Встановлено проникнення металів, якими насичують, в безвольфрамові тверді сплави, а елементів основи, в першу чергу нікелю, в покриття.

2.3 Встановлено, що покриття виявляється у вигляді світлих, щільних багатошарових зон, які міцно зв’язані з основою. Розмір зерен складає 1,5 – 3,0 мкм. В деяких випадках форма зерен стовбчата. Показано наявність для певних температурно-часових умов насичення зони підвищеної пористості в матеріалі основи.

2.4 Встановлені раціональні режими насичення: температура процесу 1273 К, час 2 – 4 години.

2.5 Запропоновано схему формування дифузійних покриттів на основі титану, ванадію, хрому за прийнятих умов насичення.

3 Встановлені властивості та експлуатаційні характеристики покриттів на безвольфрамових твердих сплавах.

3.1 Мікротвердість окремих складових покриттів на сплавах ТН20 та КХН15 складає: карбідів TiC, VC, Cr7C3 , відповідно 18,5 – 24,0ГПа, 14,0 – 19,0ГПа, 10,5 – 17,5ГПа; інтерметалідів нікелю за участю: титану Ni3Ti, NiTi, відповідно 5,5 – 11,5ГПа, 8,5 – 12,5ГПа; ванадію NiV, NiV3, Ni3V відповідно 4,0 – 6,5 ГПа, 7,0 – 10,5 ГПа, 5,0 – 8,0 ГПа; хрому Cr3Ni2, Ni2Cr , відповідно 8,0 – 13,0 ГПа, 10,0 – 11,0 ГПа; твердого розчину нікелю в хромі 8,0 – 10,0 ГПа;

3.2 Коефіцієнт варіації міцності на згин БВТС з покриттями в порівнянні з вихідними зменшується при деякому зниженні значень цієї характеристики. Межа міцності на згин становить 0,8ГПа, для сплаву ТН20 з покриттям на основі титану.

3.3 Жаростійкість безвольфрамових твердих сплавів з покриттями на основі титану, ванадію, хрому, в порівнянні з вихідними сплавами без покриттів підвищилась і становить, для сплаву ТН20 без покриття 663 К, з покриттям на основі титану 1073 К; з покриттям на основі ванадію 873 К; з покриттям на основі хрому 1123 К. Жаростійкість сплаву КХН15 без покриття склала 713 К; з покриттям на основі титану 1093 К; з покриттям на основі ванадію 903 К; з покриттям на основі хрому 1173 К.

3.4 Зносостійкість в умовах тертя ковзання без змащування твердого сплаву ТН20 з покриттям на основі титану в три рази вища за стійкість сплаву ТН20 без покриття та в вісім разів вища ніж стійкість сплаву Т15К6.

4 Встановлено, що використання ріжучого інструменту з покриттями дозволяє підвищити режими різання, при збільшенні працездатності БВТС. При обробці сталі 45ХГМА стійкість безвольфрамового твердого сплаву ТН20 з покриттям на основі титану більше ніж стійкість сплаву Т15К6 в 2,5 – 4,0 разів. При обробці титанового сплаву ВТ1 стійкість безвольфрамового твердого сплаву ТН20 з покриттям на основі хрому підвищилась в 2,0 рази.

Перелік праць, що опубліковані за темою дисертації

1. Хижняк В.Г., Долгих В.Ю., Король В.І, Бойко П.А. Структура та деякі властивості дифузійних покриттів на основі титану, ванадію, хрому та бору на твердих сплавах // Наукові вісті НТУУ “КПІ” 2002. - №1 – С. 74-80

Досліджено склад та структуру дифузійних покриттів на твердих сплавах. Визначено оптимальні технологічні параметри насичення. Визначено товщини та мікротвердість покриттів на основі титану, ванадію, хрому та бору на твердих сплавах.

2. Хижняк В.Г., Долгих В.Ю., Король В.І. Склад, структура та властивості карбідних покриттів на сталях та твердих сплавах //Наукові вісті СумДУ.- 2002.-№ 3.-С.161-169

На основі термодинамічного аналізу реакційного середовища встановлено характерні хімічні реакції які протікають в закритому реакційному просторі за умов зниженого тиску. Визначено оптимальні співвідношення вихідних реагентів при нанесенні дифузійних покриттів на основі титану, ванадію та хрому на тверді сплави.

3. Хижняк В.Г., Долгих В.Ю., Король В.І, Нанесение карбидных покрытий на безвольфрамовые твердые сплавы // Известия ВУЗов. Черная металлургия.- 2002.- № 1.- С. 75-76

Досліджено особливості та закономірності нанесення дифузійних покриттів на основі титану, ванадію та хрому на безвольфрамові тверді сплави. Визначено механічні характеристики безвольфрамових твердих сплавів з покриттями.

4. Долгих В.Ю., Криворучко Д.В. Исследование влияния покрытия на основе титана на износостойкость твердого сплава ТН20 // Наукові вісті СумДУ 2003, №2, - С. 44-49

Досліджено вплив дифузійних покриттів на основі титану на зносостійкість безвольфрамового твердого сплаву ТН20. Проведені триботехнічні випробування на зносостійкість. Визначено показники стійкості безвольфрамових твердих сплавів з покриттями на основі титану. Встановлені залежності значення зношування від контактного навантаження.

5. Хижняк В.Г., Долгих В.Ю., Карпець М.В. Структура и свойства покрытий на безвольфрамових твердых сплавах // Порошковая металлургия., 2003, № 9/10. С.- 118 – 123

Досліджено фазовий склад покриттів, що утворюються на основі титану, ванадію, хрому на безвольфрамових твердих сплавах. Визначено значення мікротвердості та товщини дифузійних покриттів. Проведено механічні випробування безвольфрамових твердих сплавів з покриттями. Визначено показники стійкості твердих сплавів в умовах різання. Показано підвищення стійкості безвольфрамових твердих сплавів з покриттями в порівнянні з вихідними сплавами.

6. Хижняк В.Г., Долгих В.Ю., Король В.І. Структура та властивості карбідних покриттів на сталях та твердих сплавах // Материалы международного XXXVII семинара “Актуальные проблемы прочности”, ІПМ НАНУ Пуща Водиця, м. Київ, Україна, 2001 р., с.136

Проведено класифікацію методів хіміко-термічної обробки сталей та твердих сплавів. Досліджено вплив хіміко-термічної обробки на структуру, властивості твердих сплавів. Визначено мікротвердість, товщина покриттів на основі титану, ванадію, хрому на твердих сплавах.

7. Hizhnjak V.G., Dolgykh, Carpets M. V. Structure and properties of diffusion coatings on wolframless firm alloys // Second international conference “Materials and coatings for extreme performance: investigations, applications, ecologically safe technologies for their production and utilization”/ - Katsiveli-town, crimea, Ukraine, 2002, p. 446 – 447

Досліджено фазовий та хімічний склад покриттів на безвольфрамових твердих сплавах. Встановлені залежності зміни властивостей твердих сплавів з покриттями від структури та складу покриттів. Визначено раціональні умови отримання покриттів на безвольфрамових твердих сплавах на основі титану, ванадію, хрому.

8. Хижняк В.Г., Долгих В.Ю., Король В.І. Технология нанесения и свойства карбидных покрытий на основе металлов переходных групп // Материалы симпозиума ОТТОМ-2: “Оборудование технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении”, м. Харьків, Україна, 2001 р., с.99-103

Визначено оптимальні умови насичення титаном, ванадієм, хромом сталей та твердих сплавів методами хіміко-термічної обробки. Досліджено структуру отриманих покриттів, товщини, мікротвердість, та зносостійкості покриттів твердих сплавів з покриттями отриманими за раціональними режимами насичення.

9. Долгих В.Ю. Нанесення захисних покриттів на тверді сплави // Матеріали міжнародної науково-технічна конференції "Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра", НТУУ "КПІ", Київ, Україна, 2002 р., с.123-126

Досліджено мікротвердість, товщина покриттів на основі титану, ванадію, хрому на безвольфрамових твердих сплавах. Встановлено оптимальне співвідношення компонентів реакційного середовища. Запропоновано раціональні умови насичення безвольфрамових твердих сплавів титаном, ванадієм та хромом.

10. Долгих В.Ю., Криворучко Д.В., Теницкий О.М. Дослідження впливу покриття на основі титану на зносостійкість твердого сплаву ТН20 // Тези доповідей. Друга всеукраїнська молодіжна науково-практична конференція “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво”, м. Суми, Україна 2002р, с. 30-32

Проведено триботехнічні випробування безвольфрамових твердих сплавів з покриттям на основі титану. Встановлені показники стійкості твердих сплавів з покриттями в умовах тертя ковзання без змащування. Визначено коєффіціент підвищення стійкості безвольфрамових твердих сплавів з покриттями в порівнянні з традиційними твердими сплавами. Запропоновані оптимальні режими різання для сплавів що досліджували.

АНОТАЦІЯ

Долгих В.Ю. Формування дифузійних покриттів на основі титану, ванадію, хрому на безвольфрамових твердих сплавах ТН20 та КХН15. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.01 - металознавство та термічна обробка. Національний технічний Університет України „Київський політехнічний інститут”, м. Київ, 2004.

Робота складається зі вступу, шістьох розділів, загальних висновків, додатків та переліку використаних джерел.

Метою роботи є отримання дифузійних шарів на БВТС з підвищеними експлуатаційними характеристиками, вивчення закономірностей процесу нанесення покриттів на основі титану, ванадію, хрому на БВТС ТН20 та КХН15, встановлення властивостей покриттів та експлуатаційних характеристик БВТС з покриттями. В роботі досліджено фізико-хімічні умови насичення сплавів ТН20, КХН15 титаном, ванадієм, хромом в закритому реакційному просторі за умов зниженого тиску в середовищі хлору. Вивчено фазовий та хімічний склади, мікроструктуру, кінетику росту багатошарових покриттів на безвольфрамових твердих сплавах на основі титану, ванадію, хрому. Вибір технологічних параметрів процесу насичення БВТС титаном, ванадієм, хромом. Досліджено мікротвердість покриттів та вплив дифузійної металізації на межу міцності при згині, трибологічні характеристики, жаростійкість. Встановлено вплив дифузійних покриттів на основі титану, ванадію, хрому, на експлуатаційні властивості БВТС. Апробація розроблених покриттів на безвольфрамових твердих сплавах проведена в умовах виробництва.

Ключові слова: безвольфрамовий твердий сплав, дифузійне покриття, ріжучий інструмент, інтерметаліди.

АННОТАЦИЯ

Долгих В.Ю. Формирование диффузионных покрытий на основе титана, ванадия, хрома на безвольфрамовых твердых сплавах ТН20 и КХН15. Рукопись. Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - металловедение и термическая обработка. Национальный технический Университет Украины „Киевский политехнический институт”, г. Киев, 2004.

Работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов, дополнений и перечня использованных литературных источников.

Целью работы является получение диффузионных покрытий на безвольфрамовых твердых сплавах (БВТС) с повышенными эксплуатационными характеристиками, изучение закономерностей процесса нанесения покрытий на основе титана, ванадия, хрома на БВТС ТН20 и КХН15, определение свойств покрытий и эксплуатационных характеристик БВТС с покрытиями. В работе исследованы физико-химические условия насыщения сплавов ТН20, КХН15 титаном, ванадием, хромом в закрытом реакционном пространстве в условиях сниженного давления в среде хлора. Изучены фазовый и химический составы, микроструктура, кинетика роста многослойных покрытий на безвольфрамових твердых сплавах на основе титана, ванадия, хрома. Произведен выбор технологических параметров процесса насыщения БВТС титаном, ванадием, хромом. Исследована микротвердость покрытий и влияние диффузионной металлизации на предел прочности при изгибе, трибологические характеристики, жаростойкость. Установлено влияние диффузионных покрытий на основе титана, ванадия, хрома, на эксплуатационные свойства БВТС. Апробация разработанных покрытий на безвольфрамових твердых сплавах проведена в условиях производства.

В работе впервые показана возможность получения методом диффузионной металлизации в закрытом реакционном пространстве при сниженном давлении диффузионных покрытий на БВТС на основе титана, ванадия, хрома. Установлены закономерности процесса формирования диффузионных покрытий на основе титана, ванадия, хрома на БВТС, предложен механизм образования многослойных покрытий. Впервые установлены свойства БВТС с многослойными покрытиями. Оптимизированы технологические параметры процесса образования многослойных покрытий на БВТС с повышенными эксплуатационными свойствами. На основе проведенных исследований предложены рациональные технологические параметры процесса диффузионного насыщения, оптимальные виды покрытий для обработки резанием стальных и титановых сплавов, определены рациональные режимы резания, которые обеспечивают повышение работоспособности БВТС с покрытиями в 2,5 – 4 раза по сравнению с исходными сплавами, и в 1,5 – 5 раз по сравнению со сплавами группы ТК. Таким образом, по работе можно сделать следующие выводы:

1 Установлены физико-химические условия получения диффузионных покрытий, в замкнутом реакционном пространстве при сниженном давлении, в зависимости от температурно-часовых характеристик и исходных компонентов, в качестве которых использовали титан, ванадий, хром, четыреххлористый углерод, CCl4.

2 Методами послойного рентгеноструктурного анализа. Установлено, что в процессе насыщения происходит формирование многослойных покрытий, которые состоят из карбидов насыщающих металлов и интерметаллидов на основе насыщающего металла и никеля. При титанировании безвольфрамового твердого сплава ТН20 происходит образование композиции TiC, Nі3Ті, NiTi. При титанировании безвольфрамового твердого сплава КХН15 может происходит образование композиции Cr7C3, TiC, NiTi. При ванадировании ТН20 происходит образование композиции VC, NіV, NiV3. При ванадиюванни безвольфрамового твердого сплава КХН15 может происходит образование композиции VC, Cr7C3, Ni3V. При хромировании безвольфрамового твердого сплава ТН20 происходит образование композиции Cr7C3, Cr3Ni2, твердого раствора никеля в хроме. При хромировании безвольфрамового твердого сплава КХН15 происходит образование композиции Cr7C3, Ni2Cr, Cr3Ni2.

Методом микрорентгеноспектрального анализа определен химический состав покрытий. Установлено присутствие металла основы никеля во всех