Инновационный способ упрочнения поверхности карбидовольфрамового твёрдого сплава

Цель настоящей работы: получение с помощью ЭВЛ на поверхности твёрдого сплава ВК10КС упрочнённого слоя, дополнительно легированного карбидом кремния, и исследование особенностей его структурного состояния и свойств.

В работах [4, 5] подробно описана работа плазменного ускорителя для ЭВЛ. Способ ЭВЛ вольфрамокобальтового твёрдосплавного инструмента включает нагрев поверхности и насыщение её продуктами взрыва с последующей самозакалкой путём отвода тепла в глубь материала и окружающую среду. Инструментом теплового воздействия на поверхность и источником легирующих элементов при ЭВЛ является многофазная струя, сформированная из материала взрываемого проводника. В настоящей работе в качестве проводника использовали алюминиевую фольгу. Выбор материала взрываемого проводника был обусловлен тем, что при его использовании возможно образование химических соединений интерметаллидного типа, образующихся при высоких температурах и имеющих высокую твёрдость. Режим обработки задавали величиной зарядного напряжения накопителя энергии установки, диаметрами внутреннего электрода и канала сопла ускорителя, расстояния от его среза до образца. Одновременно легирование поверхности твёрдого сплава осуществляли с помощью порошка карбида кремния SiC со средним размером частиц 60-80 нм. Данный порошок при формировании струи увлекался ею, частично превращался в плазменное состояние, а частично в конденсированном состоянии переносился на облучаемую поверхность. Использование SiC как легирующей добавки при ЭВЛ обусловлено тем, что его твёрдость уступает лишь твёрдости алмаза и нитрида бора. Облучение проводили в высокоэнергетическом режиме при интенсивности воздействия 6,0 ГВт/м2, который обеспечивал оплавление поверхности и интенсивное конвективное перемешивание расплава, прежде всего, из-за неоднородного давления, оказываемого плазменной струей на облучаемую поверхность [4].

Микрогеометрию поверхности после упрочнения изучали методом профилометрии на установке «Micro Measure 3D station». Глубину зоны плазменного воздействия, содержание легирующих элементов и особенности структуры определяли с использованием сканирующего электронного микроскопа Philips SEM 515, оснащённого микроанализатором EDAX Genesis. Изменение фазового состава поверхностных слоёв определяли с использованием рентгеновского дифрактометра ДРОН 2,0 в железном К α -излучении. Наноиндентирование твёрдого сплава производили на приборе “Nano Hardness Tester”.

б)

Рис. 1. Микроструктура сплава ВК10КС во вторичных электронах:

а) – после обработки электровзрывом алюминиевой фольги; б) – после обработки электровзрывом алюминиевой фольги с карбидом кремния

Профилометрия показала, что ЭВЛ с дополнительным легированием поверхности твёрдого сплава карбидом кремния приводит к незначительному увеличению шероховатости поверхности, сохраняя её в пределах технических требований. Шероховатость поверхности исходного образца составляет Ra=1,32 мкм. При этом для готовых изделий, таких как буровые коронки и комбайновые резцы, оснащённых твёрдосплавными пластинами, допускается чистота обработки твёрдого сплава Ra=2,5 мкм. После электровзрывной обработки шероховатость составляет 1,73 мкм. При электровзрывной обработке и дополнительного легирования поверхности порошком из карбида кремния шероховатость Ra=2,42 мкм. Увеличение шероховатости можно связывать с тем, что на облучаемой поверхности формируется покрытие, образованное конденсированными частицами продуктов взрыва и карбида кремния [3]. При конденсации на поверхности отдельных капель продуктов взрыва из тыла струи они деформируются и растекаются на ней, формируя новый рельеф.

Сканирующая электронная микроскопия поперечных шлифов (рис. 1, б) показала, что при обработке твёрдосплавных пластин электровзрывом алюминиевых фольг с частицами SiC поверхностный слой плавно переходит в материал основы без образования микротрещин. Выявлено, что обработанная поверхность в высокоэнергетическом режиме с дополнительным легированием карбидом кремния образует мелкодисперсную структуру, включающую измельчённые частицы карбида вольфрама. Глубина изменённого слоя поверхности твёрдого сплава составляет 25-30 мкм.

Рентгеноструктурные исследования показали, что обработка ЭВЛ поверхности твёрдого сплава в высокоэнергетическом режиме приводит к изменению его фазового состава по сравнению с исходным состоянием (рис. 2, а). Помимо имеющегося в исходном состоянии монокарбида вольфрама WC в поверхностном слое формируется полукарбид W 2 C с большей твёрдостью, чем WC. Дополнительное легирование поверхности карбидом кремния при ЭВЛ с той же интенсивностью воздействия на поверхность также приводит к формированию полукарбида W 2 C. При этом на поверхности фиксируется небольшое количество SiC (из-за конденсированной составляющей многофазной струи), промежуточного политипа SiC (6Н) [6], а также интерметаллида W(SiAl) 2 .

Изучение химического состава поверхностного слоя на твёрдосплавной пластине после ЭВЛ и дополнительного легирования SiC со стороны облучённой поверхности с помощью растровой электронной микроскопией также показало наличие углерода в поверхностном слое в количестве 37,27 вес.%, кремния – 6,60 вес.%, вольфрама – 48,54 вес.%, алюминия – 1,19 вес.% и 6,40 вес.% кобальта. Кобальтовая связующая на расстоянии 3-5 мкм от поверхности представляет собой пересыщенный твёрдый раствор вольфрама и углерода в кобальте, поскольку отмечено повышение в ней данных элементов по сравнению с исходным спечённым состоянием. В частности, связующая фаза дополнительно легируется вольфрамом и углеродом в количестве 48,85 и 32,32 вес.%, соответственно. Согласно работе [7] с повышением содержания вольфрама и углерода в связке растёт её твёрдость, а также увеличивается временное сопротивление при растяжении и предел текучести, всё это способствует получению твёрдого сплава с необходимой прочностью и позволяет усиливать удар при бурении. Измеренная со стороны облучённой поверхности нанотвёрдость показала увеличение до значений Hμ = 20000 МПа, а после обработки ЭВЛ с карбидом кремния – до Hμ = 24500 МПа. При этом полученные значения превосходят нанотвёрдость образцов в исходном состоянии в 2,0-2,5 раза.

----till---1   ♦ ■  * t i I i---ь e.rpu. 60    55    50    45    40    35    30    25    20    15    10

• а)

  

О. град 60    55    50    45    40    35     30    25    20     15     10

• б)

Рис. 2. Фрагменты дифрактограмм поверхности сплава ВК10КС:

• а) – после обработки электровзрывом алюминиевой фольги; б) – после обработки электровзрывом алюминиевой фольги с карбидом кремния

  Выводы: исследование поверхности твёрдого сплава ВК10КС показало, что электро-взрывная обработка с карбидом кремния незначительно увеличивает шероховатость поверхности по сравнению с исходной, сохраняя её в пределах технических требований, и упрочняет её на глубине до 25-30 мкм до H μ = 24500 МПа.

Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 гг., государственный контракт П 332.