Взаимная растворимость карбидов в многокомпонентных диффузионных слоях, образованных на твердом сплаве

без натяжения. При больших обжатиях А/г разница между значениями у в случае прокатки без натяжения и с натяжением больше, чем при малых обжатиях. Однако общим для обоих случаев остается то, что значения у при любых обжатиях всегда больше нуля. Из этого следует, что в рассмотренном интервале значений уширения АВ возможно совмещение периодической прокатки полос с изменяющейся по длине толщиной и процесса калибровки их ширины в неприводных роликах.

ВЫВОДЫ

1. Описан способ устранения уширения полосовых заготовок после каждого прохода в валках с изменяющимся зазором между ними.

2. Проведено решение для определения напряжения в случае волочения прокатываемой полосы в неприводных роликах.

3. Представлено решение для определения значений критического угла в случае прокатки полос переменной толщины с натяжением при неизменной величине обжатия А /? по длине, но с изменяющимся отношением Я/к.

ЛИТЕРАТУРА

1. Громов, И. П. Теория обработки металлов давлением / И. П. Громов. - М.: Металлургия, 1978. - 360 с.

2. Целиков, А. И. Теория продольной прокатки / А. И. Целиков, Г. С. Никитин, С. Е. Рокотян. - М,: Металлургия, 1980. — 319 с.

3. Перлин, И. Л. Теория волочения / И. Л. Перлин, М. 3. Ерманок. - М.: Металлургия, 1971. - 448 с.

4. Анурьев, В. И. Справочник конструктора машиностроителя / В. И. Анурьев. - М.: Машиностроение, 1980. -Т. 1.-728 с.

Поступила 22.02.2008

УДК 621.762.001, 621.793.18

ВЗАИМНАЯ РАСТВОРИМОСТЬ КАРБИДОВ В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ДИФФУЗИОННЫХ слоях, ОБРАЗОВАННЫХ НА ТВЕРДОМ СПЛАВЕ

Кандидаты техн. наук ШМАТОВ А. А., ПОБЕРЕЖНЫЙ С В.

Белорусский национальный технический университет, ГНУ «Институт порошковой металлургии»

Интерес к многокомпонентным карбидным покрытиям не случаен, поскольку сами карбиды обладают комплексом высоких физико-химических и механических свойств. Из практики применения карбидов известно, что чрезвычайно высокими свойствами обладают сложные карбидные системы, образованные при наличии взаимной растворимости карбидов или их изоморфной смесимости [1-3].

По определению Урусова, «изоморфизм -это свойство атомов различных химических элементов замещать друг друга в кристаллических структурах при условии близости размеров и характера химической связи, составляю-

щих кристалл единиц (атомов, ионов и их групп) [3]. Поэтому изоморфное замещение атомов является важным условием формирования «твердого раствора замещения» (ТРЗ). Термины «твердый раствор замещения» и «изоморфизм» очень близкие и отражают два подхода к тому же явлению - физико-химический и кристаллохимический.

Согласно классификации двойных карбидных систем по взаимной растворимости [1] и данным [2, 4, 5] двойные системы карбидов Тх, V, N1), Сг, Мо, Мп, Бе можно систематизировать следующим образом (табл. 1). Из табл. 1 видно, что определяющим условием благопри-

ятного изоморфного замещения атомов карбидов считается размерный фактор, который подчиняется «правилу 15 %» Юм-Розери и Гольд-шмидта [1, 4]. Однако в реальных условиях много исключений: возможен несовершенный изоморфизм, когда соотношение радиусов атомов (ионов) составляет 20-25 % и более; но нередки случаи невозможности изоморфного замещения разновалентных атомов, находящихся в различной координации даже при строгом соблюдении «правила 15 %» [5].

Таблица 1

Классификация систем карбидов по взаимной растворимости [1-5, 7]

В [6] показано, что растворимость в сложных карбидных системах можно также оценивать величиной энергии упругой деформации, возникающей при растворении в карбиде атомов другого металла. Эта энергии увеличивается по мере замещения одного вида атомов другим, достигая максимума, как правило, при соотношении исходных компонентов, близком к эквимолярному (ггС-УС, НЮ-УС).

В [7] определены условия образования непрерывных твердых растворов замещения. К основным условиям относятся: одинаковый тип кристаллического строения с близкими значениями периодов решеток, одинаковый тип химической связи в этих соединениях, небольшое различие атомных радиусов, одинаковый стехиометрический состав. Г. В. Самсонов добавляет к ним еще два условия: одинаковый тип координации (4) близкие значения СВАСКч/5 металлических компонентов [2, 8]. Согласно теории конфигурационной локализации ва-

лентных электронов (КЛВЭ) способность карбидов металлов IV группы неограниченно растворять карбиды металлов V группы и многие карбиды металлов VI группы объясняется значительным «резервом» донорной способности атомов металлов IV группы, не позволяющим дестабилизировать sp3-конфигурации углерода. Поскольку донорная способность переходных металлов уменьшается по мере перехода от IV к VII группе периодической системы элементов, карбиды металлов V группы способны растворять меньшее количество карбидов, нежели карбиды металлов IV группы. Растворимость же карбидов металлов IV и V групп в карбидах металлов VIA и VIIA групп оказывается низкой или равной нулю из-за резкой стабилизации sp* -конфигураций углерода и соответствующей перестройки решетки.

Многокомпонентные диффузионные карбидные покрытия на твердых сплавах пока мало изучены. Причем двухкомпонентным диффузионным карбидным слоям посвящено наибольшее число работ [9-12], в то время как по трехкомпонентным карбидным покрытиям на твердых сплавах практически не проведено никаких исследований, за некоторым исключением [13-17]. Структурные аспекты взаимной растворимости карбидов, входящих в состав многокомпонентных диффузионных слоев, рассмотрены лишь в нескольких работах [16, 17].

В настоящей работе для получения двух-и трехкомпонентных диффузионных карбидных покрытий на твердых сплавах применили наиболее простой и недорогой метод химико-термической обработки (ХТО) с использованием герметичных контейнеров [18]. Этот метод позволяет сформировать на твердом сплаве диффузионные покрытия, состоящие из нескольких карбидов: переменного состава и сложнолегированных [16, 17]. Современные способы нанесения защитных покрытий (PVD и CVD процессы, магнетронный способ распыления и др.) позволяют получать многослойные и многокомпонентные карбидные покрытия на рабочей поверхности твердосплавного инструмента. Однако из-за технологических особенностей этих процессов можно осаждать одновременно карбиды только одного и редко двух типов, поэтому для изучения вопроса взаимной

Системы с полной растворимостью Системы с ограниченной растворимостью Системы с отсутствием растворимости

TiC-VC TiC-NbC VC-NbC VC-MoC (кубич) Cr23C6-Mn23C6 Cr7C3-Mn7C3 TiC-Cr3C2 TiC-MoC(Mo2C) VC-Cr3C2(Cr23C6) УС-МоС(некубич) NbC-Cr3C2(Cr23C6) VC-MnflC6 VC-Fe3C Cr3C2-MnaC6 CrflQ-Fe3C T\C-MnaCh TiC-Fe3C МоС(Мо2СЬ -MnaCb MoC(Mo2C)-Fe3C NbC-Fe3C NbC-MnflC6

Отношение атомных радиусов металлов

RMe!/RMe2 = = 1,0 ±0,1 RMe,/RMe2 = = 1,0 ±0,15 RMe!/RMe2 = = 1,0 ±0,30

растворимости двух и более карбидов указанные способы не совсем приемлемы [19].

В [17] проведен сравнительный анализ морфологии, кристаллической структуры, химического и фазового состава карбидных слоев, полученных при оптимальном диффузионном насыщении твердого сплава несколькими кар-бидообразующими элементами в системах на основе Сг-Ть-Мо и Сг-У-№>. Однако этих данных (только по двум карбидным системам) недостаточно, чтобы иметь более обобщенное суждение в вопросе взаимной растворимости карбидов в многокомпонентных диффузионных покрытиях.

В настоящей работе поставлены следующие задачи: оптимизировать процессы насыщения твердого сплава карбидообразующими металлами в системах: Сг-Ть-У, Сг-У-Мо, Сг-Ть-Мо и Сг-У-ЫЪ; провести сравнительный анализ кристаллохимической структуры, фазового и химического составов оптимизированных трех-компонентных диффузионных карбидных слоев; установить взаимосвязь между природой, характером взаимодействия карбидов диффузионного слоя и режущими свойствами твердых сплавов.

Из-за большого объема поставленных задач в данной работе ограничились исследованиями покрытий только на одном типе твердого сплава-Т15К6.

Объекты и методика исследований. Одно-, двух- и трехкомпонентные карбидные покрытия в системах на основе карбидообразующих элементов Сг-Ть-У, Сг-У-Мо, Сг П-Мо и Сг-У-№> были получены на твердом сплаве Т15К6 (79 % Ч/С, 15 % ТЮ и 6 % Со) высокотемпературным методом ХТО. Твердосплавные образцы помещали в контейнер из жаропрочной, стали, заполненный специально приготовленной порошковой насыщающей смесью, которую герметично защищали плавким затвором. Затем контейнер с образцами был загружен в электрическую печь, разогретую до температуры 1100 °С, где выдерживали в течение 6 ч.

Насыщающую смесь получали методом алюминотермии путем восстановления оксидов металлов алюминием в порошковых смесях следующего состава, мае. %: 98 % (50 % А1203 + 35 % МсхОу + 15 % А1) + 1 % ШШ, где оксиды Ме^ = Сг203, ТЮ2, У205, МоОэ, №)205

являлись поставщиками карбидообразующих металлов. Предварительно восстановленную смесь размалывали и просеивали. Когда в нее дополнительно добавляли активатор (2 % М14С1), смесь для ХТО была готова к употреблению.

Структуру и фазовый состав карбидных покрытий изучали методами микроструктурного, дюрометрического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов. Испытания на износостойкость твердосплавных режущих пластин Т15К6 с карбидными покрытиями проводили путем токарной обработки низколегированной конструкционной стали 40Х (0,4 % С, 1 % Сг) при следующих условиях резания: скорость резания - 100 м/мин, подача - 0,2 мм/об, глубина резания - 1 мм. Показатель относительной износостойкости карбидных покрытий определяли по формуле = = где ¿1 - время работы твердосплавных режущих пластин без покрытий при критериальном значении лунки износа 0,8 мм; ¿2 - то же пластин с покрытиями при критериальном значении лунки износа 0,5 мм.

Оптимизацию составов насыщающих смесей по износостойкости твердых сплавов осуществляли методом математического симплекс-планирования на основании 19 экспериментальных опытов в каждой из четырех систем Сг-Ть-У, Сг-У-Мо, Сг-П-Мо и Сг-У-ТЧЬ для твердого сплава Т15К6 [20]. На основании рассчитанных с помощью ЭВМ математических моделей были построены диаграммы «состав -свойство» для исследуемых карбидных систем.

Результаты исследований» ХТО твердого сплава Т15К6 в алюминотермических порошковых средах из оксидов металлов проводили в соответствии матрицей планирования, составленной при оптимизации карбидных слоев по износостойкости в трехкомпонентных системах на основе Сг-Ть-У, Сг-У-Мо, Сг-Тг-Мо и Сг У-]МЪ [20]. Сравнительные данные по износостойкости, микротвердости и толщине карбидных покрытий, полученных на твердом сплаве Т15К6 в соответствии с матрицей планирования в указанных четырех системах, представлены в табл. 2, 3. Согласно примененному методу симплекс-планирования параметром оптимизации у являлась износостойкость карбидных слоев, а в качестве независимых переменных взяты оксиды карбидообразую-

щих элементов, например Сг203 (хО, ТЮ2 (х2), У205 (х3), для Сг-Ть-У системы и т. д. Причем сумма оксидов металлов МехОу в порошковой смеси, содержащей 98 % (50 % А12Оэ + + 35 % МехОу + 15 % А1) + 2 % Ш4С1, была по-

стоянной, например сумма Сг203 + ТЮ2 + У205 в Сг-Ть-У системе равна 100 % (или 1 в долевом соотношении). Геометрическая интерпретация полученных данных (табл. 2, 3) представлена на рис. 1,2.

Таблица 2

Результаты исследования толщины и свойств диффузионных карбидных слоев на твердом сплаве Т15К6 для Сг-ТЬ-У и Сг-У-Мо систем

Состав активной части смеси, доли единицы Микротвердость слоя Яц, МПа Относительная износостойкость СЛОЯ Куу Толщина карбидной зоны, мкм

Сг203 ТЮ2 v2o5

1 0 0 15000 2,0 10

3/4 1/4 0 18100 2,2 8

1/2 1/2 0 21400 2,6 5

1/4 3/4 0 19000 2,0 7

0 1 0 14000 2,2 7*

0 3/4 1/4 20600 2,8 6

0 1/2 1/2 23000 3,1 5

0 1/4 3/4 20600 3,0 4

0 0 I 17000 2,8 5

1/4 0 3/4 19000 2,6 6

1/2 0 1/2 21400 2,7 4

3/4 0 1/4 19000 2,3 7

1/2 1/4 1/4 29000 2,7 7

1/4 1/2 1/4 31000 4,4 4

1/4 1/4 1/2 30000 3,4 5

1/3 1/3 1/3 32000 4,0 5

3/4 1/8 1/8 18000 1,7 10

1/8 3/4 1/8 18000 2,8 5

1/8 1/8 3/4 18000 2,8 7

Состав активной час- Микро- Относитель- Толщина

ти смеси, доли еди- твердость ная износо- карбид-

ницы слоя Яц, стойкость ной зоны,

Сг20? v2o5, М0О3 МПа слоя Кн/ мкм

1 0 0 15000 2,0 10

3/4 1/4 0 19000 2,3 7

1/2 1/2 0 21400 2,7 4

1/4 3/4 0 19000 2,6 6

0 1 0 17000 2,8 5

0 3/4 1/4 17400 2,8 5

0 1/2 1/2 15300 2,0 4

0 1/4 3/4 13200 1,2 6

0 0 I - 1,0 —#*

1/4 0 3/4 15000 2,0 4

1/2 0 1/2 17400 2,6 4

3/4 0 1/4 19200 2,4 7

1/2 1/4 1/4 28000 5,0 6

1/4 1/2 1/4 32500 6,6 4

1/4 1/4 1/2 33000 6,5 3

1/3 1/3 1/3 32000 6,5 4

3/4 1/8 1/8 15000 2,0 10

1/8 3/4 1/8 18000 2,0 6

1/8 1/8 3/4 11000 1,2 7

Таблица 3

Результаты исследования толщины и свойств диффузионных карбидных слоев на твердом сплаве Т15К6 для Сг-Ть-Мо и Сг-У-1ЧЬ систем

Состав активной Микро- Относитель- Толщина

части смеси, доли твердость ная износо- карбид-

единицы слоя Яц, МПа стойкость ной зоны,

Сг203 ТЮ2 Мо03 слоя К^ мкм

1 0 0 15000 2,0 10

3/4 1/4 0 18100 2,2 8

1/2 1/2 0 21400 2,6 5

1/4 3/4 0 19000 2,0 7

0 1 0 14000 2,2 7*

0 3/4 1/4 17400 2,4 7

0 1/2 1/2 18300 1,5 5

0 1/4 3/4 13200 1,2 4

0 0 I - 1,0 —**

1/4 0 3/4 15000 2,0 4

1/2 0 1/2 17400 2,6 4

3/4 0 1/4 19200 2,4 7

1/2 1/4 1/4 28000 3,0 8

1/4 1/2 1/4 32500 6,2 5

1/4 1/4 1/2 33000 6,2 4

1/3 1/3 1/3 33000 5,1 4

3/4 1/8 1/8 17000 1,5 10

1/8 3/4 1/8 19000 3,1 5

1/8 1/8 3/4 14000 3,0 6

Состав активной час- Микро- Относитель- Толщина

ти смеси, доли еди- твердость ная износо- карбидной

ницы слоя Яц, МПа стойкость зоны, мкм

Сг203 У205 Nb205 слоя Ку^

1 0 0 15000 2,0 10

3/4 1/4 0 19000 2,3 7

1/2 1/2 0 21400 2,7 4

1/4 3/4 0 19000 2,6 6

0 1 0 17000 2,8 5

0 3/4 1/4 23600 2,4 8

0 1/2 1/2 22000 3,0 4

0 1/4 3/4 20000 2,6 6

0 0 I 16500 2,3 7

1/4 0 3/4 21000 2,4 7

1/2 0 1/2 20000 2,7 8

3/4 0 1/4 19000 2,3 10

1/2 1/4 1/4 23600 3,4 5

1/4 1/2 1/4 32000 5,5 4

1/4 1/4 1/2 32500 5,5 4

1/3 1/3 1/3 32000 5,0 4

3/4 1/8 1/8 18000 1,8 10

1/8 3/4 1/8 18000 2,2 7

1/8 1/8 3/4 22500 2,0 7

* Формируется диффузионный слой из интерметаллида Т1А13 с включениями ТЮ.

** При молибденировании зона карбидов в диффузионном слое отсутствует.

ТЮ,

Сг А 80 60 40 20 V А

Сг203, % -

т

Сг2Оэ 80 60 40 20 Мо03, % Сг2Оэ, % «-

Рис. 1. Зависимость относительной износостойкости карбидных слоев на твердом сплаве Т15К6 от состава насыщающей смеси в системах на основе: а - Сг-Ть-У; б - Сг-У-Мо

а

ТЮ,

Сг203 80 60 40 20 Мо03 Сг203, % --

б

уа

Сг2Оз 80 60 40 20 №>А Сг203, % «-

Рис. 2. Зависимость относительной износостойкости карбидных слоев на твердом сплаве Т15К6 от состава насыщающей смеси в системах на основе: а - Сг-Ть-Мо; б - Сг-У-№>

В результате оптимизации в каждой из исследуемых карбидных систем выявлена одна область оптимальных составов активных компонентов порошковых сред, ХТО в которой твердого сплава Т15К6 повышает его износостойкость в 4,4-6,6 раза, а микротвердость -выше 32000 МПа (рис. 1, 2). Для изучения вопроса, связанного с взаимной растворимостью карбидов, входящих в состав трехкомпонент-ных Сг-Тл-У, Сг-У-Мо, Сг-Тл-Мо и Сг-У-ИЬ диффузионных слоев, выбраны четыре оптимизированных по износостойкости покрытия. Они получены при соотношении оксидов в смеси: 50 % ТЮ2 + 25 % У205 + 25 % Сг203,50 % У205 + + 25 % Мо03 + 25 % Сг203, 50 % ТЮ2 + + 25 % Мо03 + 25 % Сг203, 50 % У205 + + 25 % КЪА + 25 % Сг2Оэ.

Данные по химическому, фазовому составам указанных карбидных покрытий и измене-

ния параметров решетки образуемых карбидных фаз приведены в табл. 4.

Микроструктуры оптимизированных Сг-Тл-У, Сг-У-Мо, Сг-Ть-Мо и Сг-У-Мэ карбидных диффузионных слоев представлены на рис. 3.

Как видно из табл. 2-4 и рис. 3, максимальные показатели износостойкости твердого сплава Т15К6 достигаются при формировании сплошных Сг-Тг-У, Сг-У-Мо, Сг-Т1-Мо и Сг-У-М) диффузионных слоев с гетерогенной структурой на основе карбидов одного, двух или трех насыщаемых металлов, а оптимальная толщина карбидных слоев составляет 4-5 мкм.

Причем в оптимизированных диффузионных слоях преобладают (более 50 %) сложноле-гированные карбиды титана, ниобия и хрома (карбиды металлов IV-VI групп), высокое содержание которых в покрытиях не всегда соответствует большему содержанию оксидов этих металлов в насыщающей смеси.

Научный интерес представляют результаты исследованных карбидных покрытий, полученных микрорентгеноспектрального анализа (рис. 4-6) в оптимальных составах насыщающих смесей.

Таблица 4

Структурный, химический и фазовый анализы оптимизированных трехкомпонентных карбидных слоев,

полученных на твердом сплаве Т15К6

Химический состав покрытия, % Фаза Параметры решетки, нм Состав фазы

Сг Т1 У а Ъ с

опыт. табл. опыт. табл. опыт. табл.

Насыщение Сг + Т\ + V

7 72 8 ТЮ 0,43095 0,4328 - - - - [Т194(Сг,Мо)6]С

Сг23С6 1,06710 1,0660 - - - - [Сг99Ту23С6

Сг3С2 0,55765 0,5545 0,28287 0,2830 1,1486 1,1470 [Сг98(Т1,У)2]3С2

Сг V Мо а Ъ с

опыт. табл. опыт. табл. опьгг. табл.

Насыщение Сг + V + Мо

75 17 3 УС 0,41437 0,41655 - - - - УС0,78

Мо2С 0,29346 0,30120 - - 0,48639 -0,47360 [Мо70(Сг,У)30]2С

Сг23С6 1,05733 1,0660 - - - - Сь3С586

Сг3С2 0,54824 0,5545 0,29752 0,2830 1,15907 1,1470 [Сг81(У,Мо)19]3С2

Сг Ъ Мо а Ъ с

опыт. табл. опыт. табл. опыт. табл.

Насыщение Сг + Л + Мо

7 81 6 ТЮ 0,43168 0,4328 - - - - [Т196(Сг,Мо)4]С

МоС 0,2856 0,3010 - - 1,3724 1,4630 [Мот/П^С

Сг23С6 1,06367 1,0660 - - - - СГ23С594

Сг3С2 0,55441 0,5545 0,28341 0,2830 1,1517 1,1470 [Сг98СП,Мо)2]3С2

Сг У а Ь с

опыт. табл. опьгг. табл. опыт. табл.

Насыщение Сг + V + №>

20 20 50 УС 0,41119 0,41655 - - - - VCo,7

М)С 0,44198 0,44707 - - - - [М>82Сг18]С

Сг23С6 1,06285 1,0660 - - - - [Сг80У2о]2зС6

Рис. 3. Микроструктуры оптимизированных карбидных слоев на твердом сплаве Т15К6, полученных при Т = 1100 °С и т = = 6 ч (х320). Составы насыщающих смесей по основным компонентам: а - 50 % ТЮ2 + 25 % У205 + 25 % Сг203; 6-50 % У205 + 25 % Мо03 + 25 % Сг203; в - 50 % ТЮ2 + 25 % Мо03 + 25 % Сг203; г - 50 % У205 + 25 % ЫЬ205 + 25 % Сг203

8.

8

О

О

6 5 4 3 2 1 О Расстояние от поверхности, мкм

Рмс. 4. Распределение элементов в диффузионном слое на твердом сплаве Т15К6, полученном при Т = 1100 °С ит = 6ч (х240). Состав насыщающей смеси по основным компонентам 50 % У205 + 25 % Мо03 + 25 % Сг203

о4-

Он §

О

О

п

15

10

W Со V 20

100

75

50

25

15

10

15

10

Сг №

100

100

75

50

25, 0

75

50

25 0

№

5 4 3 2 1 0

Расстояние от поверхности, мкм

Рис. 5. Распределение элементов в диффузионном слое на твердом сплаве Т15К6, полученном при Т = 1100 °С и т = 6 ч (х240). Состав насьпцающей смеси по основным компонентам 50 % У205 + 25 % М)205 + 25 % Сг2Оэ

5

5

0

0

0

Со

Ту

К о,

О

О

75

50

25

7

75 - 6

30 — 5

50 - 4

- 20

30 3

20 — 25 ~ 2

— 10

10 1

0 0 0 0

5 4 3 2 1 О Расстояние от поверхности, мкм

Рис. 6. Распределение элементов в диффузионном слое на твердом сплаве Т15К6, полученном при Т= 1100 °С и т = 6 ч (*240). Состав насьпцающей смеси по основным компонентам 50 % ТЮ2 + 25 % У205 + 25 % Сг203

Концентрационное распределение элементов по сечению четырех диффузионных слоев (рис. 4-7) показало, что карбидные покрытия содержат все насыщающие элементы.

Отмечено, что диффузионные Сг-Тл-У и Сг~П-Мо покрытия, полученные в смесях на основе титана, преимущественно (более 60 %) состоят из комплексного карбида титана, содержание легирующих элементов (Сг, Мо, V) в котором меняется незначительно (2-10 %) по толщине карбидного слоя. В равновесных условиях карбиды титана, обладая высокой донорской способностью атомов металлов IV группы, могут растворять гораздо большее количество легирующих элементов. Однако процессы образования многокомпонентных и многофазовых карбидных покрытий осуществляются в неравновесных условиях и имеют сложную природу в результате диффузионного взаимодействия насыщающих карбидообра-зующих металлов с углеродом, взятым из карбидов, входящих в состав твердого сплава, взаимного влияния насыщающих элементов и других причин. В силу своей физической природы карбид титана обладает наиболее высокими показателями механических свойств, но даже незначительное легирование его другими металлами согласно теории локализации валентных электронов способно дополнительно стабилизировать ^-конфигурации углерода и обеспечить пик свойств [2, 8]. Это подтверждается более высокими показателями микротвердости и износостойкости трехкомпонентных

Сг-Ть-У, Сг-Тл-Мо покрытий по сравнению с однокомпонентными.

Напротив, при насыщении твердого сплава в Сг + V + Мо смеси с преобладанием ванадия (50 % У205) формируется покрытие с большим содержанием (более 75 %) комплексных карбидов хрома, легированных значительно (до 20 %) ванадием и незначительно (2-3 %) молибденом. При насыщении твердого сплава в Сг + V + №> смеси с преобладанием ванадия (50 % У205) на его поверхности поочередно синтезируется большое количество (до 80 %) комплексных карбидов хрома или ниобия, сильно легированных (до 20 %) ванадием или хромом соответственно. Содержание всех насыщающих элементов в обоих случаях меняется по толщине карбидного слоя. Следует отметить, что в равновесных условиях карбиды ванадия обладают высокой донорской способностью атомов металлов V группы и могут значительно растворять металлы У-У1 групп. Однако в полученных диффузионных покрытиях этого не наблюдается (табл. 4). По-видимому, последнее связано с преимущественным зародышеобразо-ванием карбидов хрома или ниобия в присутствии карбида ванадия (с простой кристаллической структурой и дефицитом по углероду), положительным влиянием ванадия на диффузионную подвижность других насыщающих элементов и углерода и другими причинами, влияющими на неравновесный процесс комплексообразования сложных карбидов при ХТО.

Со V/ Мо Т1 Сг

I

4>

I

§ и

- 80 - 10

100

60 -

75 —

- 40 - 5

50 -

5

20 —

25 -

0 0 0 0

6 5 4 3 2 Расстояние от поверхности, мкм

Рис. 7. Распределение элементов в диффузионном слое на твердом сплаве Т15К6, полученном при Т ~ 1100 °С ит = 6ч (х240). Состав насыщающей смеси по основным компонентам 50 % ТЮ2 + 25 % Мо03 +25 % Сг203

Обобщая вышесказанное, можно сделать вывод, о том что более высокие режущие свойства Cr-V-Mo и Cr-V-Nb покрытий, по сравнению с однокомпонентными, обусловлены главным образом образованием в диффузионном слое твердых растворов замещения на базе карбидов хрома в первом случае и карбидов хрома и ниобия во втором случае. Хотя карбиды ниобия, и особенно хрома, как карбиды металлов V и VI групп, уступают по механическим свойствам карбидам IV группы, в результате значительного легирования их другими элементами при ХТО твердого сплава достигаются свойства покрытий на их основе такие же высокие, как и покрытий на основе карбида титана. Например, твердость нелегированных карбидов хрома (15000 МПа) при хромировании и карбидов ниобия (16500 МПа) при ниобировании возрастает до 32000-32500 МПа при совместном насыщении твердого сплава Cr + V + Мо и Cr + V + Nb и т. д.

ВЫВОДЫ

1. В результате оптимизации процессов получения многокомпонентных карбидных слоев в системах на основе Cr-Ti-V, Cr-V-Mo, Cr-Ti-Mo и Cr-V-Nb выбраны оптимальные составы насыщающих смесей, обеспечивающие повышение износостойкости твердого сплава в 4,4-6,6 раза и увеличение его микротвердости до 32000-33000 МПа. Отмечено, что трехком-понентные диффузионные карбидные слои превосходят по износостойкости одно- и двух-компонентные. Оптимальное насыщение твердого сплава тремя карбидообразующими элементами позволяет повысить его работоспособность по сравнению с однокомпонентным (Cr, Ti, V, Nb) в 2,2-3,1 раза.

2. Показано, что более высокая износостойкость трехкомпонентных диффузионных карбидных покрытий на твердом сплаве по сравнению с однокомпонентными достигается за счет формирования гетерогенной структуры на основе сложнолегированных карбидов металлов IV-VI групп, в которых растворены от 2 до 30 % одного или двух насыщающих элементов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гольдшмвдт, X. Дж. Сплавы внедрения / X. Дж. Гольд-шмидт. -М.: Мир, 1971.-424 с.

2. Самсонов, Г. В. Физическое материаловедение карбидов / Г. В. Самсонов, Г. Ш. Упадхая, В. С. Нешпор. -Киев: Наук, думка, 1974. - 456 с.

3. Урусов, B.C. Теория изоморфной смесимости / В. С. Урусов. - М.: Наука, 1977. - 253 с.

4. Юм-Розери, В. Введение в физическое металловедение / В. Юм-Розери. - М.: Металлургия, 1965. - 204 с.

5. Макаров, Е. С. Изоморфизм атомов в кристаллах / Е. С. Макаров. -М.: Атомиздат, 1973. -288 с.

6. Гусев, А. И. Энергия упругой деформации кристаллической решетки при образовании твердых растворов карбидов и нитридов переходных металлов / А. И. Гусев, Г. И. Швейкин // Известия АН СССР. Неорганические материалы. - 1976. - № 8. - С. 1565-1570.

7. Корнилов, И. И. Металлиды и взаимодействие между ними / И. И. Корнилов. - М.: Наука, 1964. - 192 с.

8. Самсонов, Г. В. Конфигурационная модель вещества / Г. В. Самсонов, И. Ф. Прядко, Л. Ф. Прядко. - Киев: Наук, думка, 1971. - 230 с.

9. Структура, фазовый состав износостойких покрытий (Ti, Zr)C, полученных магнетронным способом / О. В. Гусев [и др.] // Поверхностные слои, точность и эксплуатационные свойства деталей машин: тез. докл. семин., Москва, 25 мая 1990 г. - М., 1990. - С. 36.

10. Громов, Ю. Н. Хромотитанирование порошковых твердых сплавов / Ю. Н. Громов, Н. Я. Кудрявцева, В. В. Котляров // Изв. вузов. Черная металлургия. -1990.10.-С. 40-41.

11. Ленская, Т. Г. Диффузионное взаимодействие в системе твердый сплав с покрытием - обрабатываемый материал / Т. Г. Ленская // Исследование твердых сплавов / ВНИИТС. - М., 1991.-С. 151-155.

12. Хижняк, В. Г. Нанесение защитных покрытий на безвольфрайовые твердые сплавы / В. Г. Хижняк, М. В. Кар-пец, В. Ю. Долгих // Порошковая металлургия (Киев). ~ 2003.-№9.-С. 118-123.

13. Хижняк, В. Г. Нанесение карбидных покрытий на безвольфрамозые твердые сплавы / В. Г. Хижняк, В. Ю. Долгих, В. И. Король // Изв. вузов. Черная металлургия. -2002. - № 1.-С. 75-76.

14. Громов, Ю. Н. Химико-термическая обработка сталей и сплавов / Ю. Н. Громов, Н. Я. Кудрявцева,

B. А. Котофеев // Химические методы обработки поверхностей неорганических материалов: тез. докл. 3-го Все-союзн. семинара, Москва, 23-24 мая 1991 г. - М., 1991. -

C. 44.

15. Шматов, А. А. Многокомпонентное диффузионное насыщение твердых сплавов карбидообразующими металлами / А. А. Шматов, С. В. Побережный // Порошковая металлургия. - 2007. - № 30. - С. 252-257.

16. Шматов, А. А. Структура и фазовый состав диффузионных Cr-Ti-Mo карбидных слоев на твердом сплаве / А. А. Шматов, С. В. Побережный // Вестник Брестского государственного технического университета. - 2007. -№4.-С. 17-22.

17. Шматов, А. А. Сопротивляемость изнашиванию диффузионных Cr-Ti-Mo и Cr-V-Nb карбидных слоев, полученных на твердом сплаве / А. А. Шматов, С. В. Побережный // Сварка и родственные технологии. - 2007. -№ 9. - С. 15-23.

18. Многокомпонентные диффузионные карбидные покрытия на железоуглеродистых сплавах / Л. Г. Ворош-нин [и др.]. - Минск: БНТУ, 2007. - 470 с.

19. Hocking, M. G. Metallic and Ceramic Coatings. Production, Properties and Applications / M. G. Hocking, V. Vasantasree, P. S. Sidky. - London, New York, 2000. - 518 p.

20. Новик, Ф. С. Математические методы планирования экспериментов в металловедении. Раздел III / Ф. С. Новик. - М.: МиСИС, 1970. - 106 с.

Поступила 10.01.2008