Карбидовольфрамовый твёрдый сплав с износостойким покрытием

Карбидовольфрамовые твёрдые сплавы (ВК8, ВК6) обычно используют при механической обработке труднообрабатываемых металлов и сплавов при низкой скорости резания, где влияние температуры исключено. При более высокой температуре карбидовольфрамовый инструмент изнашивается из-за адгезии между режущим и обрабатываемым материалом, поэтому при высоких скоростях резания применяют режущий инструмент на основе TiN [1, 2]. TiN отличается низкой растворимостью в Co по сравнению с WN и в меньшей степени склонен к диффузии, поэтому даже при высоких температурах затрудняется его сваривание со стальной движущейся стружкой. Вместе с тем существует мнение, что TiN снижает уровень внутренней связи элементов, что обусловливает снижение прочностных свойств при сжатии, изгибе, уменьшении вязкости твёрдого сплава в целом и самой режущей кромки [1].

Повышение работоспособности режущих инструментов – одна из главных проблем металлообрабатывающей промышленности. Одним из эффективных путей решения этой задачи является создание износостойких покрытий на непе-ретачиваемых режущих пластинах из твёрдых сплавов. Как показали результаты работ [3, 4], применение ионно-плазменных TiZrN покрытий на твёрдом сплаве ВК10КС, которым оснащают буровой горно-режущий инструмент, приводит к повышению поверхностной твёрдости в 2,5 раза.

Цель исследования: изучение структуры и свойств TiZrN ионно-плазменного покрытия (ИПП) на твёрдом сплаве ВК8.

По мнению [1, 5] присутствие Zr в составе покрытия TiZrN должен повышать теплостойкость, снижать хрупкость при одновременном

повышении твёрдости покрытия. Получение двухэлементного ионно-плазменного TiZrN покрытия возможно двумя способами: 1) используя раздельные катоды из Ti и Zr; 2) используя составные катоды [5]. В первом случае два катода из титанового сплава расположены в камере установки друг против друга, а катод из циркониевого сплава – между ними. Эти покрытия являются двухфазными, не наблюдается одного твёрдого раствора TiZrN постоянного состава, в нём присутствуют одновременно две ГЦК фазы, близкие по составу и соответствующие TiN и ZrN. Во втором случае двухэлементные покрытия, полученные из составных электродов, по своим структурным параметрам и механическим свойствам отличаются от аналогичных покрытий, полученных из раздельных катодов, в частности, покрытие на основе титана и циркония TiZrN, полученное из составных катодов, является однофазным [5].

Лучшим комплексом механических свойств обладают покрытия, которые нанесены из раздельных катодов. Так, например, более высокая микротвёрдость этих покрытий связана с действием двух механизмов упрочнения – твёрдорастворным и упрочнением микроструктурными барьерами. При конденсации покрытий из составных катодов имеет место однофазная структура и, следовательно, границы между микрослоями покрытий отсутствует. В этом случае протекает механизм только твёрдорастворного упрочнения материала покрытия. Повышение содержания Zr в покрытиях, полученных из составных катодов, несколько увеличивает коэффициент отслоения Ко, что свидетельствует о снижении прочности их сцепления с инструментальной основой. Повышение коэффициента отслоения покрытий связано с ростом микротвёрдости при увеличении Zr в покрытии. Меньшая величина коэффициента Ко для покрытий, полученных из раздельных катодов, объясняется наличием в них микрослоистости, которая, несмотря на высокую микротвёрдость данных покрытий, сдерживает в нём процессы трещинооб-разования и отслоения покрытий. Кроме того, образование и рост трещин сдерживается высоким уровнем сжимающих остаточных макронапряжений, характерном для двухэлементных покрытий [5].

Для исследования в настоящей работе использованы твёрдосплавные пластины из сплава ВК8 производства ОАО «Кировоградский завод твёрдых сплавов» (Россия), выпускаемые по ГОСТ 3882-74, на которые были нанесены ИПП TiZrN. Микрогеометрию поверхности с покрытием изучали методом профилометрии на установке «Micro Measure 3D station». Изучение особенностей структуры и толщины покрытия осуществляли с помощью оптического микроскопа OLIMPUS – GX 50. Фазовый анализ изучаемых твёрдых сплавов с покрытием проводили рентгеноструктурным методом на спечённых образцах с использованием рентгеновского дифрактометра ДРОН 2,0 в железном К α -излучении со скоростью движения счётчика 2 град./мин. Наноиндентирование твёрдого сплава с покрытием производили на приборе “Nano Hardness Tester” фирмы CSEM. Трибологические испытания исходного образца и с ИПП проводили на установке «PC-Operated High Temperature Tribo-meter» при комнатной температуре. Износ образцов с покрытием определяли путем измерения глубины и площади трека после испытаний, образованного в результате действия неподвижного алмазного индентора на вращающийся образец при нагрузке 3 Н, числе оборотов 12000, линейной скорости движения 2,5 см/с. Для сравнения аналогичные испытания проводили на исходных образцах при таких же параметрах, однако, количество оборотов было 4000 (меньше в 3 раза).

В настоящей работе ионно-плазменное TiZrN покрытие на поверхности твёрдого сплава ВК8 было получено из раздельных катодов, изготовленных из титанового и циркониевого сплавов. Подтверждением этого послужили результаты рентгеноструктурного анализа (рис. 1). Согласно этим результатам выявлены две фазы TiN и ZrN с ГЦК решётками, близкие по составу соответственно нитриду титана и нитриду циркония.

Металлографические исследования поперечных шлифов (рис. 2) показали, что нанесение TiZrN ИПП на твёрдосплавные пластины не приводят к образованию микротрещин на границе зоны покрытия с основой сплава. Толщина покрытия составляет 10-15 мкм.

Рис. 1. Фрагмент дифрактограммы сплава ВК8 с ионно-плазменным TiZrN покрытием

Рис. 2. Микроструктура сплава ВК8 с ИПП TiZrN х500

В результате наноиндентирования твёрдого сплава с ионно-плазменным TiZrN покрытием установлено, что данное покрытие является сверхтвёрдым с нанотвёрдостью 38000 МПа. Износ образцов с покрытием показал (рис. 3), что глубина трека составляет 97 нм, а у исходного образца – 58 мкм. Площадь сечения трека изношенных образцов с покрытием и без него составляет 4,4 мкм2 и 12921 мкм2 соответственно.

Высокую износостойкость ионноплазменного TiZrN покрытия можно объяснить с позиции атомно-энергетической концепции В.Ф. Моисеева, согласно которой меньшую интенсивность износа обеспечивают нитриды металлов IV группы таблицы Д.И. Менделеева из-за того, что химические соединения с максимальной энергией связи между атомами (максимум твёрдости и теплотой атоматизации) должны обеспечить и максимальную износостойкость [1]. Ионно-плазменное напыление является финишной операцией, и ни в каких действиях по доводке покрытие не нуждается. После напыления деталь можно сразу пускать в эксплуатацию, поэтому очень важным показателем качества обработанной поверхности является шероховатость. Профилометрия показала, что ИПП не ухудшает качество поверхности образцов. Ше- роховатость поверхности исходного образца составляет Ra=1,32 мкм. После нанесения ионноплазменного TiZrN покрытия на твёрдый сплав

ВК8 шероховатость поверхности образца со ставляет R a =0,9 мкм.

б

Рис. 3. Профили треков износа исходного образца (а) и с ионно-плазменным TiZrN покрытием (б). Серым показана площадь сечения трека

Выводы:      использование ионно-   2.

плазменного TiZrN покрытия на карбидоволь-фрамовом твёрдом сплаве ВК8 приводит к по- ₃ вышению поверхностной твёрдости в 2,5-3,0 ра-    ^.

за и износостойкости, что позволит увеличить скорость резания при механической обработке.