Хижняк В.Г. Будова та зносостійкість покриттів за участю титану та хрому на твердих сплавах ВК8 та Т15К6 / В.Г. Хижняк, А.І. Дегула, М.В. Карпець // Проблеми тертя та зношування: науково-технічний збірник.- №48. –Київ, -2007. -С. 169-174.

В.Г. Хижняк, д-р техн. наук, проф.,
А.І. Дегула, асп.
М.В. Карпець, д-р ф-м наук

Будова та зносостійкість покриттів за участю титану та хрому на твердих сплавах ВК8 та Т15К6.

Національний технічний університет України
„Київський політехнічний інститут”

   В статті наведені результати досліджень фазового і хімічного складу, структури, мікротвердості комплексних покриттів на основі карбіду титану та карбіду хрому на твердих сплавах ВК8 і Т15К6. Показано, що залежно від способу дифузійного насичення на поверхні твердих сплавів формуються багатошарові карбідні (Cr23C6, TIC) покриття. Визначено зносостійкість твердих сплавів без покриття та після хромування та хромотитанування.

   Сутність проблеми.   Тонкі, тверді покриття на основі карбідів, нітридів перехідних металів 4-6 груп періодичної системи на поверхні багатогранних твердосплавних непереточуваних пластин сприяють підвищенню працездатності інструменту, розширенню сфер його використання, зростанню продуктивності праці при різанні [1,2]. Наведені сполуки наносять на інструмент методами хімічного осадження з газової фази, фізичного осадження, а також методами хіміко-термічної обробки. Можна вважати що можливості комплексних покриттів за участю карбіду  титану до кінця невичерпні. А процес хромотитанування дозволяє підвищити адгезію карбідного шару з основою, що в свою чергу сприяє підвищенню працездатності ріжучого інструменту [ 1 ].
   В роботі наведені результати досліджень фазового та хімічного  складу, структури комплексних покриттів на основі карбіду хрому,  карбіду титану на твердих сплавах ВК8 та Т15К6. Також зроблено порівняльну характеристику зносостійкості сплавів без покриття та після титанування та хромотитанування.

  Отримані в роботі дані по будові та властивостям багатошарових покриттів дозволяють коректно підійти до розробки нових способів дифузійного насичення твердих сплавів групи  ВК і ТК.

   Методика і сутність експерименту. Захисні покриття на поверхню сплавів ВК8 і Т15К6 наносили при температурі 1050^oС та часу витримки 3-6 годин в закритому реакційному просторі при зниженому тиску з використанням як вихідних реагентів порошку хрому, титану, чотирихлористого вуглецю й вуглевмістної домішки [ 2 ].
Металографічні, дюрометричні, рентгеноструктурні, мікро рентгеноспектральні дослідження проводили відомими методами фізичного матеріалознавства.
При вивченні зносостійкості, як метод випробування, була використана методика  «зворотного обертання шпинделя» яка полягає в імітації реальних умов різання, шляхом виключення безпосередньо, самого процесу різання, і заміни його тертям, за рахунок зміни напряму обертання шпинделя [3].  Режими випробування підбирались так, щоб вони імітували процес різання для чистової обробки.

   Експерементальні дані та їх обговорення.  Макроаналіз твердих сплавів після хіміко-термічної обробки показав, що титанування по відомій технології супроводжується утворенням покриття темного кольору  без металічного блиску.
На поперечних шліфах після травлення реактивом Муракамі, покриття виявляються в вигляді світлих зон.
Результати дослідження фазового складу, структури  деяких властивостей покриттів на твердих сплавах ВК8 і Т15К6 наведені в таблиці 1. Аналіз отриманих даних показав, що фазовий склад покриттів визначається в значній мірі способом хіміко-термічної обробки й у меншій мірі складом твердого сплаву.
Відшарування та тріщин у покриттях на твердих сплавах не спостерігається.

Таблиця 1. Фазовий склад та властивості покриттів за участю хрому та титану на сплавах ВК8 і Т15К6.

Вид обробки	Марка сплаву	Температура,  oС; час насичення, годин.	Фазова сполука	Період кристалічної гратки, нм	Товщина, мкм	Мікро твердість, ГПа
Титанування	ВК8	1050;  2,0	CoTi ТіС	- 0,4323	1,0 5,5	- 37,5
	Т15К6	1050;  2,5	CoTi ТіС	- 0,4326	1,0 6,0	- 37,0
Хромо- титанування	ВК8	1050;  4,0	ТіС TiC+Cr23C6 Cr23C6	0,4288 - -	1,0 10,0 6,0	30,0 19,0 15,0
	Т15К6	1050;  4,5	ТіС TiC+Cr23C6 Cr23C6	0,4315 - -	1,5 10,5 5,0	29,0 19,0 15,0

Структура шарів отриманних при титануванні представлена на рисунку 1.

Рисунок 1. Скануюча електронна мікроскопія, злам, х500

   Аналіз мікроструктури показав, що зовнішній шар інтерметаліду CoTi (1), розташований над шаром TiC (2). В нижній зоні шару TiC спостерігається розчинення W (3). На границі між основою та покриттям утворився шар  η – фаза (Co6W6C)  (4).
При вивченні мікроструктур було виявлено, що прошарок η – фази на твердих сплавах ВК8 та Т15К6 майже однаковий, приблизно 1-1,5мкм.
   Дифузію кобольту до поверхні та утворення шару CoTi можна пояснити тим, що процес насичення покриття проходить при високих температурах (1050°С). Присутність η – фази пояснюється недостатністью вуглецю, який дефундує до поверхні для утворення ТіС.
Послідовність вище наведених шарів підтверджена спектральним аналізом (рис.2). Безпосередньо в поверхневому шарі окрім титану у нас присутній кобольт (позиція 1 -pt1). Подальший шар TiC складається з титану та вуглецю (позиція 2 –pt2) в який із основи дифундує вольфрам (позиція 3 –pt3)

Рисунок 2. Спектральний аналіз поверхневого шару сплаву ВК8 після титанування

   При хромотитануванні спостерігається утворення гетерогенної зони TiC+Cr23C6 , для якої на окремих ділянках характерний міжкристалітний злам, що пов'язано з різною крихкістю карбідів Cr та Ti і коєгезійною взаємодією їх зерен.
Для вивчення зносостійкості досліджували макроструктуру фасок зносу ріжучого інструменту (рис. 3).

Рисунок 3. Фаски зносу на задні поверхні ріжучого інструменту, х60

   Випробування проводили при різних швидкостях різання в діапазоні від 1,6 до 5,0 м/с, а також при різному навантажені. Контактні навантаження, які виникали на задній поверхні ріжучого інструменту, знаходилися в діапазоні 10-80 МПа. Час випробувань в усіх випадках був однаковий і складав 30 секунд. Встановлено, що найменшу стійкість у даних випробуваннях показав сплав Т15К6 без покриття. З наведених даних видно, що на фасці зносу спостерігаються характерні лінії направлені по ходу тертя ріжучого інструменту. Виникнення цих смуг зумовлено дією часток твердого сплаву, які відокремлюються від основи і діють як абразивний матеріал. Присутність такого роду смуг характеризує абразивне зношування.
Слід відзначити, що даний характер зношування спостерігається як при малих швидкостях ковзання і малих значеннях навантаження, так і npи  максимально вибраних в роботі швидкостях і навантаженнях ковзання. Це свідчить про те, що даний ріжучий матеріал має практично однаковий характер зносу при визначених в роботі умовах тертя.
В той же час сплав Т15К6 після титанування та хромотитанування має дещо іншій характер зношування, а саме - на фасках не спостерігаються явні бороздки зносу.
   Слід вважати, що за рахунок покриття зменшується коефіцієнт тертя. Даний ефект проявляє себе в значній мірі при збільшенні швидкості ковзання, а також і при збільшенні контактного навантаження.
Аналіз наведених результатів показав, що найкращу зносостійкості мають тверді сплави після хромотитанування.
  При контактному навантаженні 80МПа стійкість  твердого сплаву з покриттям (Cr23C6-TiC) в порівнянні з традиційним твердим сплавом Т15К6 зростає майже в 8 разів, а в порівнянні зі сплавом з покриттям (TiC) - в 3 рази. Таким чином можна зробити висновок, що зносостійкисть твердих сплавів після хромотитанування значно вища за зносостійкість необроблених твердих сплавів.
   З метою встановлення впливу захисних покриттів на працездатність твердосплавних неперетачуваних пластинок у роботі були проведені виробничі випробування при обробці різанням сталей різних марок (Таблиця 2.).

Випробування проводили при поздовжнім різанні заготівок сталей різних марок.

Таблиця 2. Вплив захисних типів покриттів на стійкість МНТП при точінні.

Марка твердого сплаву	Вид обробки	Оброблюваний матеріал	Режим різання			Коефіцієнт збільшення швидкості
			V, м/с	S, мм/об	t, мм
Т15К6	Титанування	Сталь 20	5,3	0,128	1,0	1,4
	Хромотитанування					1,9
Т15К6	Титанування	Сталь ШХ15	1,3	0,2	0,5	2,0
	Хромотитанування					4,5
ВК8	Титанування	Сталь 40Х	2,2	0,2	0,2	3,2
	Хромотитанування					4,0
ВК8	Титанування	Сталь У8А	3,3	0,43	1,0	2,7
	Хромотитанування					6,5

    Висновок.
   В даній роботі проведений мікроструктурний та ренгеноструктурний аналіз твердих сплавів після титанування та хромотитанування. Показано послідовність розташування шарів при титануванні твердого сплаву ВК8 та методом ретгеноструктурного аналізу підтверджено дифузію елементів з основи до поверхневих шарів.
Також досліджено зміну зносостійкості на сплаві Т15К6 в залежності від проведеного процесу насичення.

Література

1. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. –М.: Машиностроение, 1986. -192с.

2. Лоскутов В. Ф., Хижняк В. Г., Куницкий Ю. А., Киндрачук М. В. Диффузионные карбидные покрытия. – К.: Техника. – 1991. -168 с.

3. Хижняк В.Г. Карбидные покрития на инструментальных сплавах: автореф. дис. канд. техн. наук. -К., 1980. -25с

4. Bartsch K., Leonhardt A., Worf E., Schonherr, Preparation, composition and some properties of codeposited TiB2-TiCx- coatings. Jornal of Materials Science. 1991, N26. P.4318-4322.

5. Самсонов Г. В., Упадхая Г. Ш., Нешпор В. С. Физическое материаловедение карбидов. – Киев: Наукова думка. – 456 с.

6. Хижняк В. Г., Зауличный Я. В., Хижняк О. В., Гармаш О. Ю. Електронна будова та механічні властивості дифузійних покриттів на основі карбіду титану. Фізика і хімія твердого тіла. 2001, №1.С.105-111.

7. Хаст Г. Л. Прочность режушего инструмента.-М.: Машиностроение, 1974 -136с

8. Минкевич А.Н. Химико - термическая обработка металлов и сплавов. -М.: Машиностроение, 1965. -491 с.

9.Хижняк В.Г. Деякі властивості і характеристики твердих сплавів ВК8 і Т15К6 із двокомпонентними покриттями // Вісник Національного Технічного Університету України «КПИ». Машинобудування. - 1997. вип. 32.-221-227с.

10. Дубинин Г.Н. Диффузионное хромирование сгшавов. - М.: Машиностроение, 1964. -451с.