Исследование влияния электроискрового покрытия на теплоотводящее свойство твердого сплава

В машиностроении, металлообработке, горном деле и других отраслях народного хозяйства наибольшее распространение в качестве режущих инструментов получили вольфрамсодержащие твердые сплавы (ВТС). Твердые сплавы на основе карбида вольфрама и карбида титана обладают уникальными физико-механическими свойствами, что делает их привлекательными для использования в качестве инструментального материала для обработки резанием [1]. Однако при высоких скоростях резания в области контакта инструмента с обрабатываемой деталью температура твердого сплава может достигать более 800 °С, что приводит к сниже- нию его твердости и износостойкости и, как следствие, к уменьшению периода стойкости [2]. Период стойкости режущего инструмента при обработке полимерных материалов зависит от разных факторов, в том числе от стойкости к износу и стойкости к химическому окислению на воздухе [3]. Анализ литературы показал, что значения температур в зоне резания превышают допустимые. Например, для твердого сплава ВК8 допустимые значения температуры в зоне резания равны 700-750 °C, однако температура в процессе резания полимерных материалов достигает 900-1100 °C [4]. В связи с этим необходимо создать условие для отвода температуры из зоны резания и ограничения доступа кислорода к основе твердого сплава, тем самым повысить жаростойкость вольфрамсодержащего твердого сплава. В данной работе это предлагается осуществить за счет создания материала на поверхности твердого сплава.

Методика

Для исследования теплопроводности твердых сплавов использовали переносной тепловизор марки Flir i3 и портативный компьютерный термограф ИРТИС – 2000. Тепловизор способен без расшифровки данных показать распределение тепловых полей, однако точность границ тепловых полей низкая из-за большого количества окружающих факторов. При помощи тепловизора определяли механизм распределения тепла между твердым сплавом с защитным покрытием и нагретым контртелом. Точку измерения значений температуры выбирали на доступном для чувствительности прибора расстоянии, равном 5 мм от места контакта с контртелом. В ходе исследования проводили многократное измерение температуры в нескольких точках, затем рассчитывали среднее значение, которое использовалось в дальнейшем. В результате установления материалов, влияющих на теплопроводность твердых сплавов, и механизма этого теплоотвода при помощи тепловизора требовалось уточнение зависимости температуры от времени и зависимости температуры и расстояния от места контакта с нагретым контртелом. Для уточнения этих зависимостей использовали термограф. Схематичное расположение исследуемого образца, контртела и измерительного прибора показано на рис. 1.

Рис. 1. Схемати чн ое представле ние эксперимен та по исследов ан ию отвода тепл а с пове рхнос ти твердого сплава при контак^те с нагре тым ко нтрт елом, вид с боку: 1 – ас бестовая под лож ка; 2 – н а^гр етое контрт ело; 3 – исследуемый образец (твердый сплав ВК8); 4 – измерительный прибор (тепловизор или термограф)

Fig. 1. Schematic representation of an experiment to study the removal of heat from the surface of a hard alloy in contact with a heated counterbody, side vi ew: 1 – asbestos subst rate; 2 – heated c ounterbody; 3 – test sample (VK8 har^d a lloy); 4 – m easuring devic e (^the rmal imager or therm^ogr aph)

Исследования, проводимые при помощи термографа, состоят из двух этапов. Первый этап – предварительные исследования. Второй – модельные исследования.

Предварительные исследования проводили для контроля равномерной передачи тепловой энергии и выявления факторов, влияющих на ее отклонение в момент контакта твердого сплава и нагретого контртела. Многократным проведением предварительных исследований установлено влияние различных факторов на погрешность в колебаниях температуры, при которой результаты исследований искажаются и вызывают сомнения. К факторам, влияющим на колебания температур, относится окалина контртела, неустойчивое положение твердого сплава и контртела, перегрев подложки, на которой находился материал, и др. Если колебания температур в разных точках измерения превышали разницу в 2 % от средней температуры контртела в момент контакта с твердым сплавом, то эксперимент повторяли с устранением факторов, влияющих на эти колебания. Таким образом достигалась равномерная, относительно одинаковая передача тепла на всей поверхности контакта между контртелом и твердым сплавом во всех экспериментах.

При проведении исследования в качестве подложки под нагретые материалы использовали асбестовую плиту и огнеупорные кирпичи для минимизации потери тепла в окружающую среду и установления теплообмена преимущественно между контртелом и твердым сплавом. После каждого эксперимента температуру подложки доводили до значения комнатной путем охлаждения в воде.

Исследуемым материалом выбран твердый сплав ВК8, нагреваемым контртелом – сталь 45. Подготовка поверхности образцов к исследованию включала в себя очищение материалов от загрязнений и шлифовку их поверхности в месте контакта. Эксперимент проводили в статичной форме, то есть теплопередача от контртела к образцу не поддерживалась, а имела естественный ход. Цель такого эксперимента – сравнить количественные данные влияния электроискрового покрытия на теплоотводящее свойство твердого сплава. Для проведения исследований контртело разогревали в муфельной печи до температуры 850 °С, затем прикладывали его к твердому сплаву. Максимальная температура нагретого контртела составляла 815 °С, в точках контакта контртела с твердым сплавом максимальная температура равнялась 751 °С.

Для получения электроискрового покрытия использовали анодные электродные материалы – медь (Cu) и никель (Ni) с теплопроводностью выше, чем у основы, твердостью ниже, чем у электрода, формирующего верхний защитный слой. Такие материалы способствуют формированию подслоя и выполняют роль промежуточного слоя, релаксирующего внутренние напряжения покрытия [1]. Формировали многослойное покрытие на сменных многогранных твердосплавных пластинах токарных резцов электродами из технической меди, никеля и белого чугуна, легированного хромом и вольфрамом (табл. 1).

Покрытие на пластинах формировалось по передней поверхности, по задней поверхности и задней вспомогательной поверхности. Работы по формированию износостойкого покрытия проводили на установке Элитрон 14«а» согласно «инструкции по упрочнению режущих инструментов» от 31.08.1990. Свойства изделий с покрытиями соответствовали требованиям ГОСТ 3882-74 «Сплавы твердые спеченные» и требованиям ГОСТ Р 50-28-87 «Рекомендации формы заточки режущей части резцов для обработки пластмасс и условий их эксплуатации». Покрытие на твердом сплаве формировали от режущей кромки до середины передней – 136 –

Таблица 1. Выбранные электродные материалы

Table 1. Selected electrode materials

Название	Химический состав, масс. %
ВК8	W = 86.4, Co = 8.1, C = 5.65, O 2 ≤ 0.5, Fe ≤ 0.3
Ni (сплав)	Ni = 99.8, Co ≤ 0.15, С = 0.02, Si = 0.002, S= 0.0003, Fe = 0.04
Cu (сплав)	Cu = 99.90, O = 0.05, Fe = 0.005, Pb = 0.005, S = 0.005, Zn = 0.005
Легированный чугун	W = 7.5, Cr = 3.7; C = 4.3; Mn = 0.6; S = 0.4; P = 0.3; Si = 1.1; Fe = ост.

Таблица 2. Нумерация сплавов с защитными покрытиями

Table 2. The numbering of the alloys with protective coatings

Номер Пояснение Марка основы Порядок формирования слоев от твердого сплава к поверхности Сплав 1 Исходный сплав Вольфрамсодержащий Без покрытия Сплав 2 Сплав с покрытием твердый сплав ВК8 ВК8 – Cu – Ni – Легированный чугун поверхности (расстояние выбирали произвольно, но одно и то же для всех электродов). Для удобства интерпретации результатов, приведенных далее, твердым сплавам были присвоены порядковые номера (табл. 2).

Результаты

Исследование механизма распределения температуры по поверхности твердого сплава с покрытием и без покрытия, при контакте с нагретым контртелом проводили с использованием тепловизора, результаты представлены на рис. 2.

Исследование механизма теплоотвода из зоны контакта твердого сплава и контртела включает в себя определение момента времени достижения максимальной температуры на поверхности твердого сплава, определение длительности нагрева по времени, определение времени выдержки максимальной температуры в точке измерения на поверхности твердого сплава, определение времени начала снижения температуры. Наиболее вероятно, что теплоотвод в основу твердого сплава или в атмосферу осложнен несколькими факторами: однородностью твердого сплава, то есть его теплопроводность одинакова по всей площади; удаленностью очага нагрева от места контакта твердого сплава с материалами, имеющими отличную от твердого сплава теплопроводность, что не позволяет своевременно отводить температуру из зоны резания при обработке полимерных материалов.

Анализ приведенного графика (рис. 2 б ) показал, что независимо от наличия покрытия, у всех сплавов время достижения максимальной температуры в выбранной точке составляет 62 секунды. Установленная зависимость температуры от времени для сплава 2 показывает, что в начальный момент времени, с 1-й по 3-ю с, температура возрастает на 60 % от общей максимальной со скоростью 20 °С в секунду, затем темп роста замедляется, составляет 1 °С в секунду и далее уменьшается до начала остывания.

а)

о Сплав 1         х Сплав 2

б)

Рис. 2. Исследование т епловизором рас пределения тепла по пов ерх ности сплава В _^ К8: а – схемат и чн ое изображение точек измерения температуры, вид сверху: 1 – твердый сплав, 2 – нагретое контртело, 3 – точка измер ения температу ры; б – график распр еделения тепла по по верхност и сп лава ВК8 при кон та ^ кт е с нагретым контртелом

Fig. 2. Study of the heat distribution on the surface of the VK8 alloy with a thermal imager: a – a schematic representation of temperature m easurem ent p oints , top view: 1 – hard alloy, 2 – heated cou nterbody, 3 – tempe rat ure mea sur eme nt poi nt; б – graph o f he at d istributio n o _^ ver t _^ he sur face of VK8 al loy in con _^ tact with a h e at ed counterbody

В приведенном графике для сплава 1 максимум температуры за 62 с достигает 103,45 °С. Максимальная температур а (наг ре в от 99 д о 10 3, 45 °С и остывание о т 103,45 °С до 99 °С) держится с 32-й по 92-ю с. Таким образом, выд ержка твердого плава без покрытия составляет 1 мин. Снижение т емпературы начинается с 97 -й с и далее про должает с нижать ся до комнатной те мп ерату^ры. Однако д ля сплава 2 максим ум температу ры за 62 с дост игает 59,8 °С, это на 42 % меньше по сравнению со сплавом 1 при одинаковых условиях нагрева. В таком случае отмечается работа покрытия у сплава 2 по механизму отвода тепла в основу, на это указывает снижение температуры поверхности твердого сплава.

Для определения разности температур между точкой измерения на границе контакта контртела и твердого сплава и самой дальней измеряемой точкой проводили исследования термографом (рис. 3). Результаты этого измерения позволяют уточнить механизм теплоотвода покрытия на твердом сплаве по сравнению со сплавом без покрытия.

Результаты измерений температуры в каждом из четырех рядов сравнивали друг с другом для определения значения колебания температур по всей исследуемой поверхности. Установлено, что в четырех рядах максимальные колебания температур не превышали 2 %, разница в температурах между каждой точкой одного сплава составляла 0,2–0,4 %. В связи с этим в дальнейшей работе использовали средние значения температур из четырех вертикальных рядов в точках P1 – P6 для каждого исследуемого сплава.

Однако в данном исследовании точка P1 не учитывалась, так как на распространение температуры через эту точку влияло контртело, а не основа твердого сплава. Для исследования распределения температуры через основу твердого сплава с покрытием и без покрытия сравнивали точку P2 и нижнюю точку P6. На рис. 3 а представлено схематическое изображение точек измерения температуры на поверхности твердого сплава. Начальная точка P1 расположена на расстоянии 0,28 мм от края сплава. Расстояние между каждой точкой от P1 до P6 установлено экспериментально и составляет 2 мм. Точки P2 – P5 использовали для – 138 –

а)

н Сплав 1 точка Р2 ж Сплав 2 точка Р2

▲ Сплав 1 точка Р6

• Сплав 2 точка Р6

б)

Рис. 3. И _^ сс ледование термо графом распре деления тепла п о повер хн ости сплава В _^ К8: а – с хемат и чн ое изображение точек измерения температуры, вид сверху: 1 – твердый сплав, 2 – нагретое контртело, P1-P6 – точки из мерения темпе ратуры ; б – измене ние температур ы от времени м еж ду точкой измере н ия P2 и нижней точкой P6

Fig. 3. Thermograph study of heat distribution over the surface of VK8 alloy: a – a schematic representation of temperature measuring points, to ^{^} p view: 1 – hard alloy, 2 – hea ^{^} ted co ^{^} unterbody ^{^} , P1-P6 – tem ^{^} perature measuring points; б – te _^ mperature chan _^ ge ove _^ r ti me b etween the me asuri ng p oint P2 a _^ nd the lo _^ wer po in _^ t P 6

установл е ния скорост и нагрева поверх н ос ти в опреде ленное врем я и подтверж де ния работы покрытия в виде отвода тепла внутрь твердого сплава (в этих точках значение температуры ниже, чем на сплаве без покрытия). Точка P6 находится на незащищенной поверхности твердого сплава, ниже покрытия. Измерение температуры в этой точке показало влияние покрытия на скорос ть распрос транения темп ер атуры о т вр емени по сравн ению с этой точко й на тверд ом с плаве без пок рытия.

Приведенный график (рис. 3 б ) демонстрирует время нагрева твердого сплава в точке P2 и P6 и мо м ент начала сн ижени я темпе ратуры в этих точках. Это время отража ет ск орост ь нагрева до достижения максимальной температуры и ее дальнейшего снижения. Анализ данных сплава 1 показал, что максимальная температура на поверхности в точке P2 достигала 256 °С за 42 с и сохранялась до 57 с, а в точке P6 максимум температуры в 225 °С наблюдался тольк^{^}о на 57-й с. Таким образ ом, дл я п ро хождения мак сим ума те мпературы через режущую кро мку и ч ерез всю по верхност ь у твердого сп лав а без пок рытия пот ребуется 57 с. В сплаве 2 с механизмом теплоотвода внутрь основы максимальная температура в точке P2 достигла 2 21 °С за 12 с и сох ран я лась до 27 с, а в о вс ех остал ьн ых точках мак симум температуры образо вывал ся за 42 с. И_^так, сплав 2 п о в сей защищае мой повер хности н агрелся на 15 с (н а 27 %) быстрее, п ри этом максим альн ая т емп ерат ура нагр ева была на 13 % ни же, чем у сплава 1. В данном случае быстрый нагрев способствовал быстрому остыванию, в точке P2 макс има льн ая т емп ература спла ва 2 стала снижать ся на 30 с рань ш е (на 53 % б ыст р ее), снижение нача лось через 27 с, при этом у сп лава 1 сн ижение макси м альной темпера^туры н а-чалось через 57 с. Таким образом, установлено, что изменение распределения температуры на поверх ности твердог о сплав а за с чет формир уемо го теплоотв одящег о по крытия зак лю-чается в уменьшении значения температуры и увеличении скорости остывания поверхности в точке P2 за счет отведения тепла в основу твердого сплава согласно механизму работы покрытия.

♦ Pl __■ P2 A P3 X P4 О P5 ° P6

а)

Рис. 4. И ^ с следование рас ^ пределения тем пературы чере ^ з всю пов ерхность тве ^ рдого спл ^ ава, в т оч ках P1-P6: а – измерения температуры поверхности сплава 1; б – измерения температуры поверхности сплава 2

Fig. 4. The study of the temperature distribution across the entire surface of the carbide, at points P1-P6: a – measuring the surface temperature of the alloy 1; б – measurin g the su rf^ace temperature of the alloy 2

При помощи термографа по точкам P1 – P6 измеряли и сравнивали: время, требующееся на нагрев поверхности, температуру остывания исследуемого образца и время достижения максимальной температуры по всей поверхности твердого сплава (рис. 4).

На приведенном графике рис. 4 заметно отличие значения температур между точкой P1 и остальными точками. При этом точка P1 находится на расстоянии 0,28 мм от режущей кромки, а точка P2 – на расстоянии 2,28 мм от края сплава – этим объясняется различие температур между точками. Такая скорость изменения температур, зависящая от расстояния, связана с более низкой теплопроводностью твердого сплава по сравнению с контртелом. Наиболее вероятно, что тепло, передаваемое от нагретого стального контртела, задерживается (накапливается) в точке контакта твердого сплава и контртела и затем постепенно передается в основу твердого сплава. Разница в значениях температур для сплава 1 (рис. 4 а ) между P1 и P2 составляет 100 °С, что способствует возникновению термомеханических напряжений и ведет к разрушению режущей кромки. Эмпирически установлено, что если отклонение значений температуры в точках P1 и P2 больше 20 %, то показания в остальных точках измерения температуры значительно искажаются; это ведет к необходимости повторения эксперимента с устранением факторов, влияющих на отклонения значений температуры.

Установлено, что разница температур между точкой P1 и P2 в сплаве 1 через 2 с после контакта с нагретым контртелом составила 103 °С, но через 10 с эта разница уменьшилась на 11 °С и составила 92 °С. При этом отмечается отсутствие разницы в перепадах температур у сплава 2. Так, разница между точками P1 и P2 через 2 и через 10 с составила 79 °С. Перепад температур способствует возникновению термомеханических напряжений в поверхностном слое инструментального материала из твердого сплава. Под действием таких напряжений при обработке полимерных материалов период стойкости твердосплавного инструмента значительно снижается. Работа покрытия заключается в отводе тепла из зоны нагрева твердого сплава, таким образом снижается перепад температур и уменьшается вероятность возникновения напряжений в поверхностном слое.

Изменение скорости распространения температуры по всей поверхности твердого сплава в зависимости от покрытия определялось временем ее максимума в каждой измеряемой точке. В ходе исследования нас интересовало распространение тепла через все покрытие от точки P2 – 140 – до точки P5, а также распространение тепла по участку после покрытия. При этом подтверждение механизма работы покрытия отражается в точке 6 ниже покрытия в виде снижения температуры, в то время как у сплава 1 в этой точке температура будет изменяться одинаково со всей поверхностью. Температура в точке P6 не возросла, как в других сплавах, что указывает на вывод теплоты в основу твердого сплава. Элементный состав покрытия на сплаве 2 показал наличие хрома, который в соединении с другими металлами обладает более низкой теплопроводностью по сравнению с твердыми сплавами. В связи с этим предполагается, что покрытие обладает теплосопротивлением, это способствует отражению тепловой энергии в материал, где теплопроводность выше. Для подтверждения отвода тепла из зоны нагрева проводили визуальное исследование распределения тепловых полей (рис. 5).

На рис. 5 а, б представлены: нагретое контртело (сверху), твердый сплав (снизу) без покрытия (сплав 1) и твердый сплав с покрытием из комбинации анодных материалов – медь, никель, белый чугун с добавкой хрома и вольфрама (сплав 2). Съемка термограммы проводилась через 60 с после контакта нагретого контртела и твердого сплава. Выбор данного времени обусловлен тем, что за 60 с достигается максимальная температура на всей исследуемой поверхности твердого сплава без покрытия. Сравнение двух изображений на рис. 5 а, б показывает совпадающие условия передачи температуры от контртела к твердому сплаву. Механизм работы покрытия в виде отвода тепла от поверхности в основу на сплаве 2 подтверждается исследованием изменения температуры (рис. 5 в, г ) в точках перед покрытием

б) сплав 2

в) сплав 1

Рис. 5. Р ас пределение темп ературы на по вер хности тверд ого сплава (вид св ерху ^ ): а, б – т ер мо г рамма распределения тепловых полей за 60 с; в, г – измерения температуры в точках контакта с контртелом (P1) и ниже покрытия (P6)

♦ Pl            ОРб

г) сплав 2

Fig. 5. Temper a^{^}ture distributio n on th e surfa ce of the ca rbide (top view): a, б – a thermogram of the distribution of therm al fields in 60 sec onds; в, г – t em ^ pera ^ ture mea su rem ents at po ints of conta ct w ith t he counterbod ^ y ( P1) and below the cover (P6)

(P1) и после покрытия (P6). Для сплава 1 без покрытия характерно равномерное изменение температуры с ее уменьшением по мере удаления от источника нагрева, покрытие на сплаве 2 способствует отражению тепла во внутрь твердого сплава, поэтому в начальный момент времени контакта с нагретым контртелом наблюдается меньшее значение температуры, а затем резкое ее снижение по сравнению со сплавом 1. Сравнения температур в точке P6 показывают нагрев на 100 °С меньше для сплава 2 в точке контакта с контртелом и на 50 °С меньше в точке ниже участка с покрытием. При одинаковых условиях проведения эксперимента наиболее вероятно, что передаваемое тепло отражается от покрытия в основу твердого сплава. Таким образом, доказан и подтвержден механизм теплоотвода у покрытия при контакте с нагретым контртелом. Исследование микроструктуры покрытия после его контакта с источником тепла и выдержки до полного остывания показало, что микротрещины не появляются, структура остается сплошной, без видимых дефектов.

Заключение

Анализ элементного состава покрытия сплава 2 выявил наличие хрома в количестве 8,73 %, который в соединении с металлами Fe, Ni и др. обладает более низкой теплопроводностью по сравнению с твердыми сплавами, что способствует отражению тепловой энергии в материал, где теплопроводность выше. Это определяет механизм теплоотвода в основу защищаемого материала и снижает максимальную температуру нагрева на всей поверхности режущего инструмента.

Тепловизионные исследования показали неравномерное распределение температурных полей у подложки ВК8 с многослойным покрытием по сравнению с подложкой без покрытия. Многослойное покрытие, содержащее в себе Ni, Cu, Fe, Cr, W, по сравнению с подложкой ВК8 без покрытия остывает в 2 раза быстрее и нагревается в точке контакта с контртелом на 40 % ниже, при этом температура от места нагрева распространяется по всей подложке, не накапливаясь в режущей кромке.