Модификация структуры и свойств вольфрамокобальтовых твердых сплавов

С. И. Яресько, Т. Н. Осколкова, С. Н. Балакиров








МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ВОЛЬФРАМОКОБАЛЬТОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ


Монография














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 669.2
ББК 30.3
     Я72

Рецензенты:
доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, директор НИИ прогрессивных технологий Тольяттинского государственного университета Д. Л. Мерсон;
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты» Самарского государственного технического университета А. Ф. Денисенко

        Яресько, С. И.

Я72       Модификация структуры и свойств вольфрамокобальтовых твердых
      сплавов : монография / С. И. Яресько, Т. Н. Осколкова, С. Н. Балакиров. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 400 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1406-7

           Систематизированы и проанализированы данные по традиционным и перспективным методам упрочняющей обработки широко используемых твердых сплавов вольфрамокобальтовой группы. Изложены физические основы структурообразования в сплавах после термо-, вибро- и дробеструйной обработки, алмазного шлифования, лазерного и ультразвукового воздействия, электроэрозионного упрочнения легированием, электровзрывного легирования, радиационного облучения и других способов поверхностного и объемного воздействия на их структуру и фазовый состав. Проанализирована природа упрочнения спеченных твердых сплавов и аспекты повышения эксплуатационных характеристик изготовленного на их основе металлообрабатывающего инструмента. Обоснованы режимы его упрочнения и эксплуатации. Представлены методы моделирования структуры и свойств твердых сплавов различной степени сложности, применяемые для решения различного круга задач. Приведены результаты практического использования анализируемых способов упрочнения.
           Для инженерных и научных работников, занимающихся исследованием и применением высокотехнологичных методов упрочняющей обработки.

УДК 669.2
ББК 30.3







ISBN 978-5-9729-1406-7

    © Яресько С. И., Осколкова Т. Н., Балакиров С. Н., 2023
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ПРЕДИСЛОВИЕ


     Качество и уровень развития инструментальных материалов в значительной мере определяют уровень технического прогресса в машиностроении. Потребность в этих материалах в связи с интенсификацией производства и постоянным ростом потребления инструмента неуклонно возрастает.
     В производственных условиях одними из наиболее широко используемых инструментальных материалов являются спеченные твердые сплавы. Среди них выделяются вольфрамокобальтовые твердые сплавы, которые предназначены преимущественно для обработки резанием металлов и неметаллических материалов, для бесстружковой обработки металлов (давлением, штамповкой), для бурения горных пород, для изготовления износостойких машин, приборов и приспособлений, волочения и калибровки прутков, проволоки и пр.
     Применение инструментальных твердых сплавов в машиностроении позволило в несколько раз повысить производительность процесса резания (за счет увеличения скоростей резания), дало возможность обрабатывать на станках изделия из твердых и абразивных неметаллических материалов, например, стекла и фарфора. Высокие режущие свойства твердосплавного инструмента так же как и инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали, обусловлены, главным образом, содержанием в них довольно больших количеств вольфрама. С этой точки зрения преимущество твердых сплавов заключается в том, что дорогостоящий вольфрам в их составе дает несравненно больший эффект, чем, например, в составе быстрорежущей стали, используемой для обработки металлов. Так, инструментом из твердого сплава, имеющем в своем составе 1 кг вольфрама, можно обработать в пять раз больше металла, чем инструментом из быстрорежущей стали с тем же количеством вольфрама. Твердые сплавы являются высокопроизводительным инструментальным материалом, обеспечивающим увеличение скорости резания в 4-6 раз по сравнению с быстрорежущими сталями, хотя и уступают последним по прочности и ударной вязкости. Высокая теплостойкость режущего инструмента их твердых сплавов определяется началом интенсивного окисления карбидов и составляет 950-1000 °С.
     Дальнейшее повышение уровня режимов резания зависит, в первую очередь, от совершенствования свойств инструментальных материалов. Решение этой задачи носит комплексный характер и на современном этапе предусматривает проведение большого числа организационно-технических мероприятий - от изготовления инструментальных материалов до оптимизации условий эксплуатации инструмента. На стадии изготовления одним из основных направлений экономии твердосплавных инструментальных материалов является их совершенствование в плане создания безвольфрамовых твердых сплавов для применения их в качестве режущего инструмента без снижения достигнутого ранее уровня производительности. Наряду с созданием новых композиций, придается большое значение развитию технологии получения твердых сплавов различных марок. Свойства этих материалов могут быть значительно улучшены, в частности, в результате совершенствования процессов получения компонент сплава с заданны

3

ми физико-механическими параметрами, а именно: мелкодисперсных карбидных порошков, однородной по химическому составу связки, обладающей высокими смачивающими и демпфирующими показателями, а также вследствие получения границы раздела «карбид металла - связка» с необходимыми прочностными и упругими характеристиками. Вместе с тем повышение механических характеристик известных марок сплавов в состоянии обеспечить рост эффективности использования инструмента, изготовленного на их основе, и соответствующее ему снижение удельного расхода материала. Эффективными приемами для этой цели являются различные способы объемной термической обработки, методы ППД и электровзрывного и электроэрозионного легирования, радиационное облучение, а также ультразвуковая и лазерная обработка, позволяющие изменять структурные параметры и свойства композиционных инструментальных материалов. С их помощью в процессе дополнительной обработки после изготовления твердосплавной продукции возможно получать состояние структурных составляющих сплава, обеспечивающее в поверхностном слое материала заданные свойства. Применяя указанные высокотехнологичные физико-химические методы упрочняющей обработки твердосплавного инструмента, можно добиться существенного повышения его эксплуатационных характеристик.
     Наряду с традиционными методами ППД поверхностная обработка материалов концентрированными потоками энергии (лазерным, плазменным, электронным, ионной имплантацией и др.) находит все более широкое применение для модификации структуры и свойств сплавов и повышения эксплуатационных характеристик металлообрабатывающего инструмента. В силу присущих ей особенностей с её помощью можно тонко и эффективно управлять структу-рообразованием в поверхностном слое материала инструмента, наиболее подверженном износу. Область применения поверхностных методов упрочнения неуклонно расширяется, и сейчас они используются не только в научных лабораториях, но и находят промышленное применение.
     Выбор наиболее эффективных способов и конкретных режимов упрочняющей обработки твердых сплавов невозможен без накопления экспериментально-теоретических данных об изменении структуры в облученных слоях и ее влияния на его свойства. Из известных способов целенаправленной обработки лазерное облучение и методы электровзрывного и электроэрозионного легирования обладают наиболее широким спектром возможностей при воздействии на материал. Но следует признать, что большее разнообразие служебных свойств предоставляют комбинированные методы обработки, однако их рассмотрение выходит за рамки данной книги.
     В силу того, что спектр твердых сплавов достаточно широк как по составу и структуре, так и по номенклатуре и применению, в настоящей монографии рассматриваются структура, состав, различные способы объемной и поверхностной модификации и применение преимущественно относительно твердых сплавов вольфрамокобальтовой группы. Основное внимание в предлагаемой монографии уделено систематизации данных по наиболее распространенным методам упрочнения твердых сплавов группы ВК. Изложены и проанализиро

4

ваны физические принципы и природа их упрочнения, аспекты повышения эксплуатационных характеристик изготовленного на их основе металлообрабатывающего инструмента после термо-, вибро- и дробеструйной обработки, алмазного шлифования, лазерного и ультразвукового воздействия, методов двух и трех компонентного легирования, радиационного облучения и других способов поверхностного и объёмного воздействия на структуру и фазовый состав сплавов. Приведены обширные качественные и количественные данные по промышленному использованию анализируемых способов упрочнения. Особое внимание уделено рассмотрению механизма упрочнения сплавов при лазерном облучении, электровзрывном и электроэрозионном легировании, даны конкретные рекомендации по реализации разработок авторов на производстве.
     Основное содержание монографии составляют:
     -       изучение и анализ физических механизмов структурообразования в сплавах при различных видах упрочняющей обработки,
     -       анализ результатов трибоиспытаний и испытаний упрочненного инструмента,
     -       обобщение имеющихся экспериментальных данных по применению методов модификации структуры и свойств твердых сплавов,
     -       разработка конкретных рекомендаций по промышленному использованию высокотехнологичных процессов упрочнения.
     В первой главе приведены основные сведения о твердых сплавах вольфрамокобальтовой группы, представлены подробные данные об их физикомеханических и эксплуатационных свойствах, обоснованы области их применения. На основе анализа диаграммы псевдобинарной системы WC-Co сделан вывод о возможности изменения состава и свойств связующей Co-фазы, варьируя как содержание углерода в сплаве, так и меняя температуру спекания и условия охлаждения, а также термической обработкой сплавов уже в спеченном состоянии.
     Здесь же представлены сведения о методах моделирования структуры и свойств твердых сплавов различной степени сложности. К ним, в первую очередь, относятся методы исследования механизмов повышения прочности твердых сплавов, выяснения причин возникновения разрушений, процессов, происходящих в твердых сплавах на уровне макро и микроструктуры. Приведены примеры, иллюстрирующие возможности аналитических методов и МКЭ для исследования структуры и свойств твердых сплавов.
     Во второй главе представлены, систематизированы и проанализированы данные по термической обработке вольфрамокобальтовых твердых сплавов промышленных марок. Рассмотрены следующие способы объемной термообработки: закалка, начиная с температур спекания, в различных средах; отжиг (или отпуск); закалка в различных средах сплавов, охлажденных после спекания до комнатной температуры. Показано, что второй из них характеризуется изменением напряженного состояния фаз и старением Co-фазы, два других - изменением структурных и стереологических характеристик обеих фаз, в первую очередь, связующей. Подробно рассмотрены свойства сплавов после каждого из

5

указанных способов обработки. Проанализирован один из наиболее простых способов регулирования прочности и износостойкости твердых сплавов - изменение концентрации связующей фазы.
     В третьей главе рассмотрены методы поверхностного упрочнения твердых сплавов, приводящие к улучшению свойств металлообрабатывающего инструмента и оснастки и нашедшие определенное промышленное применение: вибрационная, дробеструйная и ультразвуковая обработки, алмазное шлифование, облучение пучком заряженных частиц, нанесение износостойких покрытий, а также способы структурирования поверхности сплавов, применяемые для улучшения адгезии покрытия к материалу инструмента и регулирования/ повышения характеристик процесса резания. Подробно описаны физические явления, лежащие в основе наблюдаемых структурно-фазовых изменений в фазах сплавов для каждого из перечисленных методов упрочнения. Изложены и проанализированы результаты экспериментов, характеризующие особенности того или иного процесса в зависимости от режимов обработки.
     В четвертой главе основное внимание уделено перспективным способам поверхностной модификации структуры и свойств сплавов, а именно, методам электроэрозионного упрочнения легированием (ЭЭУЛ) и электровзрывного легирования. Раскрыт механизм формирования структуры и фазового состава поверхностного слоя (ВК6-ОМ), полученного способом ЭЭУЛ в твердосплавных пластинах, состоящих из основы ВК10-КС, заключающийся в образовании мелкодисперсного карбида W2C.
     Выявлены и обоснованы характерные особенности процессов структуро-образования, протекающих в поверхностных слоях твердых сплавов в неравновесных условиях при однокомпонентном электровзрывном легировании углеродом, алюминием, титаном. Установлены особенности формирования структур композиционных слоев твердого сплава ВК10-КС при многокомпонентном электровзрывном легировании углеродом, алюминием, титаном с карбидом кремния, бором, которые переносятся плазменной струей совместно с продуктами взрыва на облучаемую поверхность. Представлены экспериментальные данные, подтверждающие наличие упрочняющих фаз на поверхности, определяющих высокую износостойкость сплавов.
     В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния импульсной ЛО на структуру, фазовый состав, напряженное состояние как кобальтовой, так и WC фаз твердых сплавов группы ВК. Определены оптимальные режимы упрочнения, обеспечивающие максимальное повышение физико-механических характеристик сплавов при их бездефектной обработке. Особое внимание уделено изложению физического механизма упрочнения сплавов при лазерном облучении.
     Для обеспечения возможности использования ЛО в качестве финишной операции при изготовлении твердосплавного инструмента предложен, обоснован и апробирован способ его бездефектной многократной лазерной обработки. Разработан критерий экспресс - выбора оптимальных режимов упрочнения.

6

     Основное внимание в шестой главе отведено вопросам практического применения метода лазерного упрочнения твердых сплавов, исследованию и анализу механизма изнашивания твердосплавного инструмента после ЛО, выбору оптимальных режимов его облучения в зависимости от конкретных условий и режимов эксплуатации с целью достижения максимальной стойкости и стабильности. Определены рациональные области использования упрочненного инструмента. Конкретные рекомендации по реализации предложенных режимов упрочнения подтверждены результатами испытаний.
     В данной монографии разделы 1.2; 2.1; 2.2; 3.1; 3.2; 3.5; 3.6; 6.1; 6.2 и глава 5 написаны Яресько С.И., разделы 1.3; 2.3; 3.3.1; 3.3.2; глава 4 - Осколковой Т.Н., разделы 1.4; 3.3.3; 6.3 - Балакировым С.Н., раздел 3.4 - совместно Яресько С.И. и Балакировым С.Н., раздел 1.1 - совместно Яресько С.И. и Осколковой Т.Н.
    Не претендуя на исчерпывающую полноту, авторы вместе с тем надеются, что предлагаемая монография, отличающаяся доступностью и последовательностью изложения материала, логической взаимообусловленностью всех разделов, будет полезна инженерным и научным работникам, занимающимся исследованием и применением высокотехнологичных методов упрочняющей обработки, в том числе и металлообрабатывающего инструмента.

7

        СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ


АЭ - акустическая эмиссия;
АВД - аппарат высокого давления;
ВК - вольфрамокобальтовый сплав;
ГАФРЛ - метод гармонического анализа формы рентгеновских линий;
ГИП - горячее изостатическое прессование;
ГСО - гидростатическая обработка;
ЗЛВ - зона лазерного воздействия;
КЭ - конечный элемент; конечно-элементное моделирование;
ЛО - лазерная обработка;
ЛТУ - лазерная технологическая установка;
МАП - магнитно-алмазное полирование;
МИП - мощный ионный пучок;
МКЭ - метод конечных элементов;
МНП - многогранная неперетачиваемая пластина;
МРСА - микрорентгеноспектральный анализ;
НЭ - нагревательный элемент
ППД - поверхностное пластическое деформирование;
РЗМ - редкоземельный металл;
РЭМ - растровая электронная микроскопия;
РФА - рентгенофазовый анализ;
СОЖ - смазывающе-охлаждающая жидкость;
СОТС - специальное охлаждающее техническое средство;
СМП - сменная многогранная пластина;
СЭМ - сканирующая электронная микроскопия;
СЭП - сильноточные электронные пучки;
ТК - титанокобальтовый сплав;
ТО - термообработка;
ТТК- титано-танталовый сплав;
УЗ - ультразвуковой;

8

ФГУП ВНИИТС - ФГУП Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твёрдых сплавов;
ЧПУ - числовое программное управление;
ЭВЛ - электровзрывное легирование;
ЭЭУЛ - электроэрозионное упрочнение легированием;
CVD - chemical vapor deposition (химическое осаждение из паровой фазы);
DLC - diamond-like carbon (алмазоподобный углерод);
HF-CVD - горячее химическое осаждение из паровой фазы;
МОРА - конфигурация МОРА - Master Oscillator Power Amplifier (задающий генератор-усилитель мощности);
PCD - polycrystalline diamond (поликристаллический алмаз);
PVD - physical vapor deposition (физическое осаждение из паровой фазы).

9

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМЕ WC-CO

        1.1. Применение сплавов группы ВК и их основные физические и механические характеристики

     В современном машиностроительном производстве для изготовления различных видов режущего и штампового инструмента широко используются спеченные твердые сплавы, в состав которых входят твердые и тугоплавкие соединения в сочетании с более легкоплавкими и пластичными металлами, носящими название цементирующих (связующих). Цементирующим металлом в сплавах служит кобальт, а иногда никель, железо, молибден. Необходимые свойства и структура таких композиций достигаются при условии, что заранее приготовленные тугоплавкие компоненты определенного состава не расплавляются в процессе изготовления сплава (например, карбид вольфрама). При спекании прессовок из смесей порошков тугоплавких соединений и цементирующих компонентов последние плавятся, растворяя лишь небольшую долю твердых тугоплавких соединений (происходит перекристаллизация тугоплавких соединений через жидкую фазу связующего металла).
     Процесс изготовления твердых сплавов проходит в несколько этапов. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, прессуют эту смесь в изделия необходимой формы и подвергают спеканию при температуре от 1400 °C до 1550 °C в защитной атмосфере (водород) или в вакууме. При спекании кобальт плавится и растворяет часть карбидов, что позволяет получать плотный материал (пористость не превышает 2 %), состоящий на 80-97 % из карбидных частиц, соединенных связкой. Увеличение содержание связки вызывает снижение твердости, но повышает вязкость.
     Порошки получают различными способами. Название порошка указывает на способ его получения. Карбонильный порошок получают термическим разложением карбонильных соединений металлов; электролитический - электролитическим соединением из растворов или расплавов солей; осажденный порошок - химическим осаждением; распыленный порошок - распылением расплавленного металла или сплава; вихревой порошок - разломом металла в вихревых мельницах.
     Изделия из порошка изготавливают следующим образом. Сначала проводят формование. Для этого в приготовленный порошок вводят связующий металл - это связка между частицами основной тугоплавкой фазы - и активизирующую добавку, которая ускоряет дальнейший процесс спекания. Чтобы облегчить формование, вводят пластификатор - пластичное вещество, способствующее уплотнению и упрочнению формовок. В процессе формования заготовкам из порошка придают форму, размеры, плотность и механическую прочность, необходимые для последующего изготовления изделий. Обычно формование проводят прессованием на механических или гидравлических прессах.


10