СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
METHOD FOR INCREASING WEAR RESISTANCE OF ARTICLES FROM HARD ALLOYS

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение износостойкости режущего, штампового инструмента, а также конструкционных изделий из твердого сплава за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев, и может быть использовано для увеличения стойкости изделий к механическому и коррозионно-механическому износам, что обеспечивает рост их эксплуатационного ресурса, а при использовании изделий из твердых сплавов в качестве инструмента - производительности и качества обработки давлением и резанием.
Известны способы повышения работоспособности инструмента за счет изменения состава и структуры его поверхностных слоев, осуществляемые путем диффузионного насыщения поверхности инструмента в процессе химико-термической обработки элементами внедрения (азотирования, нитроцементации и др.), наплавкой, напылением сплавами заданного состава: плазменно-дуговая наплавка, плазменное напыление, финишное плазменное напыление, а также физические и химические способы осаждения элементов из газовых, паровых, жидких и твердых фаз [Инструментальные материалы. Учебн. пособие / Г.А. Воробьева, Е.Е. Складнова, А.Ф. Леонов, В.К. Ерофеев. - СПб.: Политехника, 2005. 268 с.]. Недостатком технологий химико-термической обработки является то, что они в большинстве случаев повышают хрупкость инструмента. Наплавка и напыление не обеспечивают прочной связи покрытия с основой, а также характеризуются безвозвратными потерями наносимого на поверхность инструмента материала. Общими недостатками физических и химических способов осаждения являются: сложность технологического процесса, высокая стоимость технологического оборудования и технологические сложности формирования равномерных покрытий на всех поверхностях изделия.
2
Известен также способ получения диффузионного покрытия [А.С. 1145051 опуб. 15.03.85, бюл. №10], включающий титанирование при 1000…1030°C в порошкообразной засыпке при пониженном давлении в течение 0,5…1 ч. с последующим карбонитрированием, при этом карбонитрирование проводят в среде четыреххлористого углерода при давлении 270…300 Па, и осуществляют в атмосфере азота с добавлением четыреххлористого углерода в количестве 1…2 г на 1 м обрабатываемой поверхности. Недостатками данной технологии является то, что одновременная адсорбция из насыщающей среды титана и углерода приводит к образованию на поверхности изделия слоя карбида титана, диффузионно не связанного с основным материалом покрываемого изделия, что снижает прочность сцепления покрытия с основой. При этом само покрытие обладает очень высокой твердостью и хрупкостью. Кроме этого, использование четыреххлористого углерода в настоящее время запрещается вследствие его негативного влияния на озоновый слой земли и канцерогенности.
Известен также способ диффузионного насыщения титаном из среды легкоплавких растворов (Артемьев В.П., Чаевский М.И. Диффузионное титанирование в среде жидкометаллических расплавов. - В сб.: Адгезия расплавов и пайка материалов, - К.: Наукова думка, 1986. - С. 3-4.). Нанесение покрытий данным способом осуществляется путем выдержки стального изделия в легкоплавком свинцовом или свинцово-висмутовом расплаве, содержащем в растворенном состоянии титан. В результате выдержки стального изделия в расплаве происходит адсорбция титана на его поверхности, диффузия титана вглубь изделия. При этом, так как титан является сильным карбидообразующим элементом, он забирает углерод из цементита стали и образует собственные карбиды, которые выделяются на поверхности изделия. Карбиды титана обладают очень высокой твердостью, что обеспечивает изделию высокую износостойкость.
Недостатком данного способа является то, что при образовании карбидов титана происходит отток углерода из стали, приводящий к образованию под поверхностным, износостойким слоем обезуглероженного слоя, обладающего низкой твердостью и прочностью. В результате этого при наличии механического воздействия на поверхности происходит продавливание карбидного слоя, его деформация, растрескивание и выкрашивание. При этом твердые частицы покрытия могут приводить к еще более интенсивному износу трущихся поверхностей.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ повышения износостойкости стальных изделий [Пат. №2293792], включающий диффузионное насыщение поверхности стальных изделий карбидообразующими элементами, в частности, титаном путем выдержки стального изделия в легкоплавком свинцовом или свинцово-висмутовом расплаве, содержащем в растворенном состоянии титан. При этом для исключения образования под покрытием обезуглероженного слоя перед нанесением покрытий изделие подвергают кратковременной цементации длительностью 20-30 минут при температуре 950-1050°C.
Недостатком данного способа является то, что он не может быть использован для титанирования изделий из твердых сплавов типа ВК, ТК, ТТК, испытывающих при эксплуатации высокие контактные напряжения, так как он не обеспечивают исключение образования под формирующимся покрытием на базе титана мягкого, относительно основы и покрытия, подслоя.
Задачей заявляемого изобретения является исключение образования под покрытием подслоя с пониженной твердостью при нанесении титана на изделия из твердых сплавов типа ВК, ТК, ТТК, вызывающего при механическом воздействия на покрытие его деформацию, растрескивание и выкрашивание, при одновременном сокращении длительности технологического процесса.
Технический результат - повышение износостойкости и эксплуатационного ресурса изделий из твердых сплавов ВК, ТК, ТТК в условиях воздействия на них высоких контактных напряжений, а также производительности технологического процесса.
Технический результат достигается тем, что в способе повышения износостойкости изделий из твердых сплавов, включающем проведение предварительной кратковременной, высокотемпературной цементации изделий и последующее диффузионное насыщение их поверхности в легкоплавком свинцово-висмутовом расплаве, содержащем в растворенном состоянии титан, при этом цементацию проводят при температуре 1150-1300°C в течение 10-20 мин, а в легкоплавкий расплав в порошковом или компактном виде вводится кобальт при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Свинец
38-48
Висмут
50-55
Титан
1-5
Кобальт
1-2
Благодаря дополнительному введению в легкоплавкий расплав в порошковом или компактном виде кобальта, мас. %: 1-2%, исключается снижение концентрации кобальта (элемента, связывающего между собой частицы карбидов WC, TiC и др. карбиды) в поверхностных слоях насыщаемого твердого сплава, так как тормозится процесс растворения кобальта твердого сплава в легкоплавком расплаве. При этом превышение концентрации кобальта в легкоплавком расплаве более 2% вызывает его адсорбцию под покрытием, что снижает твердость подслоя под титановым покрытием, а при концентрации кобальта в легкоплавком расплаве менее 1% не устраняет процесс растворения кобальта твердого сплава в легкоплавком расплаве. Кроме этого для исключения образования под титановым покрытием подслоя с пониженной твердостью, образующегося вследствие его обезуглероживания, требуется проводить предварительную цементацию изделий из твердых сплавов при температурах 1150-1300°C. В данном диапазоне температур значительно возрастает растворимость углерода в кобальте, что обеспечивает насыщение (обогащение) поверхностных слоев изделий из твердых сплавов углеродом. При этом растворимость углерода в кобальте резко возрастает с повышением температуры цементации и достигает максимума 4,3% при температуре образования эвтектики - 1319°C [Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. Банных О.А., Будберг П.Б., Алисова С.П. и др. Металлургия, 1986]. Таким образом, проведение цементации в интервале температур (1150-1300°C) близких, но несколько меньших эвтектической температуры (чтобы исключить образование жидкой фазы), обеспечивает увеличение концентрации в поверхностных слоях твердых сплавов несвязанного химическим соединением углерода. Этот дополнительно введенный в поверхностные слои твердого сплава углерод, а не углерод, находящийся в твердом сплаве, участвует в формировании карбидов титана, образующихся при диффузионном насыщении поверхности изделий титаном, что исключает образование под покрытием подслоя с пониженной твердостью. Кроме этого, высокие температуры цементации обеспечивают рост диффузионной подвижности углерода, что позволяет сократить длительность процесса цементации, а, следовательно, рост производительности технологического процесса, обеспечивающего повышение износостойкости изделий из твердых сплавов.
Пластины обрабатывались по трем технологическим вариантам:
1-й вариант - пластины подвергались диффузионному насыщению в легкоплавком расплаве без предварительной цементации;
2-й вариант - пластины подвергались диффузионному насыщению после цементации, выполненной по режимам прототипа, в легкоплавком расплаве (Pb+Bi+Ti), не содержащем кобальт;
3-й вариант - пластины подвергались диффузионному насыщению в легкоплавком свинцово-висмутовом расплаве по технологии заявляемого способа. При этом выбирались предельные значения диапазона температуры и длительности процесса цементации и оптимальная концентрация кобальта в легкоплавком расплаве.
Пример 1. Проводилось диффузионное насыщение изделия в легкоплавком расплаве, содержащем 38% свинца, 55% висмута, 5% титана и 2% кобальта, твердосплавных пластин марки Т5К10 (исходная твердость 88,5 HRA) при температуре 1150-1300°C длительностью 10-20 минут.
Пример 2. Пример 1. Проводилось диффузионное насыщение изделия в легкоплавком расплаве, содержащем 43% свинца, 52,5% висмута, 3% титана и 1,5% кобальта, твердосплавных пластин марки Т5К10 (исходная твердость 88,5 HRA) при температуре 1150-1300°C длительностью 10-20 минут.
Пример 3. Проводилось диффузионное насыщение изделия в легкоплавком расплаве, содержащем 48% свинца, 50% висмута, 1% титана и 1% кобальта, твердосплавных пластин марки Т5К10 (исходная твердость 88,5 HRA) при температуре 1150-1300°C длительностью 10-20 минут.
50
э
Сравнительная оценка эффективности заявляемого способа повышения износостойкости изделий из твердых сплавов проводилась на основании анализа изменения твердости пластин по Роквеллу HRA и микротвердости их поверхности Н, а также периода стойкости. Период стойкости определялся путем точения прутков из стали Х12МФ твердостью 40…42 HRC, при скорости резания 100 м/мин, глубине резания 2,5 мм, подаче 0,2 мм/об Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Как следует из результатов исследований, представленных в таблице 1, предварительная цементация и введение в легкоплавкий расплав кобальта являются необходимыми операциями технологического процесса, обеспечивающими повышение стойкости твердосплавного инструмента. При отсутствии кобальта в легкоплавком расплаве, а также предварительной цементации твердосплавных пластин диффузионное титанирование приводит к снижению стойкости режущего инструмента относительно исходного состояния (влияние обезуглероженного подслоя и снижения концентрации кобальта).
Введение в расплав кобальта и проведение перед диффузионным титанированием цементации обеспечивают повышение износостойкости твердосплавных пластин. При этом наибольшее повышение их стойкости обеспечивает проведение процесса в легкоплавком расплаве заявляемого состава, в соответствии с рекомендуемыми режимами. Так, по сравнению с исходным состоянием, стойкость твердосплавных режущих пластин возросла более чем в 3 раза, а по сравнению с прототипом - более чем в 2 раза, при этом наблюдается значительное повышение твердости поверхностных слоев инструмента до 32000 МПа, что обеспечивает возможность обрабатывать материалы с высокой твердостью. Цементация, выполненная по режимам прототипа, не устраняет образование под покрытием подслоя с пониженной твердостью, что подтверждается снижением твердости по Роквеллу относительно исходного состояния твердого сплава.
Аналогичные результаты были получены при использовании заявляемого способа для повышения износостойкости твердосплавных пластин, изготовленных из сплава ВК8.
Таким образом, предложенный способ, включающий проведение диффузионного титанирования изделий из твердых сплавов в легкоплавком расплаве, содержащем кобальт, и предварительную высокотемпературную цементацию, позволяет значительно повысить износостойкость этих изделий, в частности, инструмента, за счет исключения образования под твердым карбидным титановым покрытием мягкого подслоя, а также повысить производительность технологического процесса.