Твёрдый сплав на основе карбида вольфрама с ионно-плазменным TiZrN покрытием

Карбидовольфрамовые твёрдые сплавы остаются основным материалом при производстве бурового и горно-режущего инструмента. Одной из причин образования дефектов, возникающих в рабочем слое вставки из твёрдого сплава, является абразивный износ поверхности. Для повышения долговечности этого инструмента, уменьшения коэффициента трения, увеличения трещиностойкости на твёрдосплавных пластинах используют новые виды покрытий. При этом стоимость пластин из твёрдого сплава с покрытием возрастает на 15-20%, в то время как стойкость инструмента повышается в 2-9 раз. В нашей стране, а также за рубежом ведутся исследования по созданию таких износостойких покрытий, в частности, в США около 35% инструмента, изготовленного из твёрдого сплава, выпускается с покрытиями [1].

К твёрдосплавному инструменту применяют следующие методы нанесения покрытий: газофазный, термодиффузионный, детонационный, электронно-лучевой, способ конденсации вещества в вакууме из плазменного потока с ионной бомбардировкой, электронноплазменное осаждение, ионное азотирование [2– 5]. Вместе с тем, как показал анализ литературных данных, крайне мало работ, посвящённых изучению свойств данных покрытий.

Целью настоящего исследования явилось изучение структуры и свойств TiZrN ионно-плазменного покрытия на твёрдом сплаве ВК10КС.

Для исследования использованы твёрдосплавные пластины из сплава ВК10КС производства ОАО «Кировоградский завод твёрдых сплавов» (Россия), выпускаемые по техническим условиям ТУ 48-19-367-83), на которые были нанесены ионно-плазменные покрытия TiZrN.

Авторами работы [6-8] изучены свойства твёрдых сплавов с покрытием нитрид титана и оценена возможность увеличения срока работы

изделий из упрочнённых твёрдых сплавов марки ВК. Покрытие TiN, напылённое слоем 15-20 мкм и обладающее более высоким комплексом физикомеханических свойств, может уменьшить склонность к коррозионному разрушению, упрочнить поверхность и, тем самым, продлить срок службы изделия. Введение циркония в состав ионноплазменного покрытия (по отношению к покрытию из нитрида титана) снижает хрупкость этого покрытия при одновременном повышении твёрдости [1].

Микрогеометрию поверхности с покрытием изучали методом профилометрии на установке «Micro Measure 3D station». Толщину ионноплазменного покрытия, содержание легирующих элементов и особенности структуры определяли с использованием сканирующего электронного микроскопа Philips SEM 515, оснащённого микроанализатором EDAX Genesis. Наноиндентирова-ние твёрдого сплава с ионно-плазменным покрытием TiZrN производили на приборе «Nano Hardness Tester» фирмы CSEM.

Профилометрия показала, что ЭВЛ не ухудшает качество поверхности образцов. Шероховатость поверхности исходного образца составляет R a =1,32 мкм (рис. 1, таблица). При этом для готовых изделий, (например, буровые коронки и комбайновые резцы), оснащённых твёрдосплавными пластинами, допускается чистота обработки твёрдого сплава R a =2,5 мкм. После нанесения ионно-плазменного покрытия TiZrN на твёрдый сплав ВК10КС шероховатость поверхности образца составляет 0,973 мкм.

Сканирующая электронная микроскопия поперечных шлифов (рис. 2) показала, что нанесение TiZrN ионно-плазменных покрытий на твёрдосплавные пластины не приводит к образованию микротрещин на границе зоны покрытия с основой сплава. Толщина покрытия составляет 10-15 мкм. Распределение элементов в сплаве ВК10КС с покрытием TiZrN представлено на рис. 3. Можно отчётливо видеть достаточно интенсивный массо-перенос титана из покрытия в основу, слабо выраженный – у циркония. Это должно способствовать увеличению адгезионного взаимодействия покрытия и подложки.

О 0.2     0.4    0.6    0.8      1      1.2     1.4    1.6     1.8     2     2.2    2.4    2.6     2.8     3 mm

а)

О 0.2     0.4    0.6    0.8      1      1.2    1.4     1.6    1.8     2     2.2    2.4    2.6     2.8    3 mm

б)

Рис. 1. Микрогеометрия сплава ВК10КС с покрытием TiZrN: а – исходный образец; б – образец с покрытием TiZrN

Таблица. Результаты микрогеометрии поверхности покрытия

Состояние поверхности	Значение шероховатости R a , мкм
исходное (без покрытия)	1,32
с покрытием TiZrN	0,973

Рис. 2. Микроструктура сплава ВК10КС с ионно-плазменным покрытием TiZrN во вторичных электронах

Результатом наноиндентирования твёрдого сплава с ионно-плазменным покрытием TiZrN, представленного на рис. 4, является увеличение поверхностной твёрдости по сравнению с исходным сплавом в 2,5-3,0 раза до значений Н µ =34447-38499 и, как следствие, повышение эксплуатационной стойкости бурового и горнорежущего инструмента.

а

б

Рис. 3. Микроструктура сплава ВК10КС с ионно-плазменным покрытием TiZrN в характеристических рентгеновских излучениях (х 1000):

а – в излучении титана; б – в излучении циркония

Рис. 4. Кривые нагрузки – разгрузки наноинден-тирования ионно-плазменного покрытия TiZrN на сплаве ВК10КС

Выводы: Создание твёрдых сплавов на основе карбида вольфрама с ионно-плазменным покрытием TiZrN, которыми оснащают буровой и горно-режущий инструмент, можно рассмат-    ^6.

ривать как новое направление их поверхностного упрочнения, поскольку поверхностная твёрдость сплава ВК10КС с покрытием повышается в 2,5-3,0 раза относительно образца без него.

Работа выполнена при финансовой поддерж-    _7.

ке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г., государственный контракт П-332.