Хижняк В.Г. Комплексні зносостійкі покриття на основі тугоплавких сполук титану та хрому / В.Г. Хижняк, А.І. Дегула, Т.В. Лоскутова, Н.А. Курило // Проблеми тертя та зношування. –Київ.- 2008.- №49, Том 2. -С. 66-70.
В.Г. Хижняк, д.т.н., проф.
Т.В. Лоскутова, к.т.н., ст. викл.
А.І. Дегула, аспірант
Н.А. Курило, аспірант
Т.В. Лоскутова, к.т.н., ст. викл.
А.І. Дегула, аспірант
Н.А. Курило, аспірант
КОМПЛЕКСНІ ЗНОСОСТІЙКІ ПОКРИТТЯ НА ОСНОВІ ТУГОПЛАВКИХ СПОЛУК ТИТАНУ ТА ХРОМУ
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»
DegA81@bigmir.net
Kurilo_Nadezhda@meta.ua
Вивчено будову та деякі властивості захисних покриттів за участю титану та хрому на сталях У8А та Х12М і твердому сплаві ВК8. Встановлено фазовий та структурний склад отриманих одно та двокомпонентних покриттів. Визначено мікротвердість карбідних шарів і коефіцієнт збільшення стійкості при поздовжньому різанні.
Сутність проблеми. В інструментальній промисловості широке застосування отримали інструментальні, швидкоріжучі сталі та тверді сплави.
Карбідні покриття, нанесені на їх поверхню, суттєво підвищують надійність та довговічність інструменту. Відомо, що найбільш високий комплекс властивостей може бути досягнутий при формуванні багатошарових покриттів, при експлуатації яких кожний шар або фазова складова виконують свої функції.
Незважаючи на значне накопичення експериментального матеріалу з багатокомпонентних дифузійних покриттів [1] механізм їх формування та склад вивчені недостатньо, а отримані дані часто мають протиречивий характер. Склад отриманих покриттів в значній мірі залежить від способу нанесення та його температурно-часових умов.
Способи отримання захисних покриттів можна розділити на дві групи - фізичні і хімічні. До останніх відносяться методи хіміко-термічної обробки, що відрізняються простотою технологічного обладнання та високою якістю покриттів.
Карбідні покриття, нанесені на їх поверхню, суттєво підвищують надійність та довговічність інструменту. Відомо, що найбільш високий комплекс властивостей може бути досягнутий при формуванні багатошарових покриттів, при експлуатації яких кожний шар або фазова складова виконують свої функції.
Незважаючи на значне накопичення експериментального матеріалу з багатокомпонентних дифузійних покриттів [1] механізм їх формування та склад вивчені недостатньо, а отримані дані часто мають протиречивий характер. Склад отриманих покриттів в значній мірі залежить від способу нанесення та його температурно-часових умов.
Способи отримання захисних покриттів можна розділити на дві групи - фізичні і хімічні. До останніх відносяться методи хіміко-термічної обробки, що відрізняються простотою технологічного обладнання та високою якістю покриттів.
Мета. Актуальність розробки нових технологічних методів одержання комплексних багатошарових карбідних і карбонітридних покриттів на сталях та твердих сплавах очевидна. Покриття за участю хрому, титану, вуглецю та азоту отримані методами хіміко-термічної обробки дозволяють підвищити експлуатаційні характеристики інструменту.
Метою роботи є модифікування поверхневих шарів сталей карбідами та нітридами тугоплавких перехідних металів IV-VI груп періодичної системи [2] та дослідження їх фазового складу, структури і властивостей. Результати роботи дозволять коректно підійти до вибору раціонального типу покриття для конкретних умов експлуатації.
Метою роботи є модифікування поверхневих шарів сталей карбідами та нітридами тугоплавких перехідних металів IV-VI груп періодичної системи [2] та дослідження їх фазового складу, структури і властивостей. Результати роботи дозволять коректно підійти до вибору раціонального типу покриття для конкретних умов експлуатації.
Методика і техніка експерименту. Експеримент включав три процеси дифузійної металізації, два з яких однокомпонентні (хромування та титанування) і один комплексний послідовний двокомпонентний (хромотитанування). В якості об’єктів дослідження були вибрані сталі У8А та Х12М і твердий сплав ВК8.
Титанування, хромування та хромотитанування проводили за умов зниженого тиску при температурі 1050оС на протязі 4 годин. Як вихідний реагент використовували порошки титану та хрому відповідно. З метою утворення атомарних хлоридів титану в реакційний простір вводили чотирихлористий вуглець [3].
Послідовне хромотитанування проводилося в одному технологічному циклі. Після хромування в реакційний простір, за допомогою магнітного затвору, вводився порошок титану.
Фазовий склад покриттів визначали на рентгенівському дифрактометрі ДРОН 2.0 в мідному монохроматизованому випромінюванні, металографічні досліди проводили на мікроскопі "Neophot 21", мікротвердість вимірювали на приладі ПМТ – 3.
Експериментальні результати та їх обговорення. За результатами рентгеноструктурного аналізу основними фазами покриттів при хромуванні сталей є карбіди хрому Cr7C3 та Cr23C6, при титануванні - карбід титану TiC, а при хромотитануванні утворюється комплекс фаз, який складається з карбіду хрому Cr7C3 та карбіду титану TiC.
Металографічним аналізом встановлено, що при насиченні сталей хромом утворюється двошарове покриття Cr23C6 - Cr7C3, період граток яких становить a= 1,06679 - a=0,69832 нм, b=1,21845 нм, c=0,45179 нм відповідно. Причому безпосередньо до основи примикає шар Cr7C3. В структурі хромованих зразків, протравлених реактивом муракамі, присутня чітка межа розділу між карбідами. Товщина шарів майже однакова і коливається в межах 6,0-9,0 мкм. Відповідно літературним даним у Cr23C6 складна г.ц.к. гратка з 116 атомами в елементарній комірці [ 4 ]. Фаза Cr7C3 має гексагональну структуру.
В результаті титанування сталі У8А та Х12М утворюється одношарове покриття карбіду титану TiC з періодом гратки 0,4340 нм та 0,4332 нм відповідно. Рентгеноструктурним аналізом поверхні титанованого твердого сплаву встановлено присутність карбіду титану ТіС з періодом гратки 0,4322 нм.
Товщина шару TiC на сталі У8А складає 18,4 мкм, на сталі Х12М - 8 мкм, а на твердому сплаві ВК8 – 4мкм.
При хромотитануванні сталі У8А безпосередньо до основи примикає шар карбіду хрому Cr7C3 товщиною 8,0 мкм, період гратки якого складає a=0,69840 нм, b=1,21844 нм, c=0,45198 нм. Шар TiC з параметрами гратки 0,4316 нм і товщиною 7,0 мкм розташований з зовні.
Узагальнені результати металографічних та рентгеноструктурних досліджень наведені в таблиці 1.
Аналіз отриманих даних показав, що шар карбіду титану TiC з максимальною мікротвердістю утворюється на сталі У8А- 36,0 ГПа. Мікротвердість шарів карбідів хрому на декілька порядків нижча і складає 17,5 ГПа на сталі У8А.
Титанування, хромування та хромотитанування проводили за умов зниженого тиску при температурі 1050оС на протязі 4 годин. Як вихідний реагент використовували порошки титану та хрому відповідно. З метою утворення атомарних хлоридів титану в реакційний простір вводили чотирихлористий вуглець [3].
Послідовне хромотитанування проводилося в одному технологічному циклі. Після хромування в реакційний простір, за допомогою магнітного затвору, вводився порошок титану.
Фазовий склад покриттів визначали на рентгенівському дифрактометрі ДРОН 2.0 в мідному монохроматизованому випромінюванні, металографічні досліди проводили на мікроскопі "Neophot 21", мікротвердість вимірювали на приладі ПМТ – 3.
Експериментальні результати та їх обговорення. За результатами рентгеноструктурного аналізу основними фазами покриттів при хромуванні сталей є карбіди хрому Cr7C3 та Cr23C6, при титануванні - карбід титану TiC, а при хромотитануванні утворюється комплекс фаз, який складається з карбіду хрому Cr7C3 та карбіду титану TiC.
Металографічним аналізом встановлено, що при насиченні сталей хромом утворюється двошарове покриття Cr23C6 - Cr7C3, період граток яких становить a= 1,06679 - a=0,69832 нм, b=1,21845 нм, c=0,45179 нм відповідно. Причому безпосередньо до основи примикає шар Cr7C3. В структурі хромованих зразків, протравлених реактивом муракамі, присутня чітка межа розділу між карбідами. Товщина шарів майже однакова і коливається в межах 6,0-9,0 мкм. Відповідно літературним даним у Cr23C6 складна г.ц.к. гратка з 116 атомами в елементарній комірці [ 4 ]. Фаза Cr7C3 має гексагональну структуру.
В результаті титанування сталі У8А та Х12М утворюється одношарове покриття карбіду титану TiC з періодом гратки 0,4340 нм та 0,4332 нм відповідно. Рентгеноструктурним аналізом поверхні титанованого твердого сплаву встановлено присутність карбіду титану ТіС з періодом гратки 0,4322 нм.
Товщина шару TiC на сталі У8А складає 18,4 мкм, на сталі Х12М - 8 мкм, а на твердому сплаві ВК8 – 4мкм.
При хромотитануванні сталі У8А безпосередньо до основи примикає шар карбіду хрому Cr7C3 товщиною 8,0 мкм, період гратки якого складає a=0,69840 нм, b=1,21844 нм, c=0,45198 нм. Шар TiC з параметрами гратки 0,4316 нм і товщиною 7,0 мкм розташований з зовні.
Узагальнені результати металографічних та рентгеноструктурних досліджень наведені в таблиці 1.
Аналіз отриманих даних показав, що шар карбіду титану TiC з максимальною мікротвердістю утворюється на сталі У8А- 36,0 ГПа. Мікротвердість шарів карбідів хрому на декілька порядків нижча і складає 17,5 ГПа на сталі У8А.
Таблиця 1
Характеристика покриттів на основі тугоплавких сполук хрому та титану
Вид обробки
|
Матеріал
|
Фазовий
склад |
Період
кристалічної гратки, нм |
Товщина,
мкм |
Мікро
твердість, ГПа |
Хромування
|
ВК8
|
С r23C6
|
a=1,0639
|
7,0
|
17,0
|
У8А
|
С r23C6
|
a= 1,0667
|
7,0
|
17,5
|
|
Cr7C3
|
a=0,6983
b=1,2184 c=0,4517 |
9,0
|
16,0
|
||
Х12М
|
С r23C6 |
a= 1,0668
|
6,0
|
17,0
|
|
Cr7C3
|
a=0,6983
b=1,2185 c=0,4517 |
6,0
|
16,0
|
||
Титанування
|
ВК8
|
ТіС
|
a=0,4322
|
4,0
|
35,5
|
У8А
|
TiC
|
a=0,4340
|
18,4
|
36,0
|
|
Х12М
|
TiC
|
a=0,4332
|
8,0
|
34,0
|
|
Хромотитанування |
ВК8
|
TiC
|
a=0,4318
|
3,0
|
36,0
|
С r23C6
|
a=1,0638
|
4,5
|
17,0
|
||
У8А
|
TiC
|
a= 0,4316
|
7,0
|
35,5
|
|
Cr7C3
|
a= 0,6984
b= 1,2184 c= 0,4316 |
8,0
|
16,5
|
||
Х12М
|
TiC
|
a= 0,4314
|
6,5
|
35,0
|
|
Cr7C3
|
a= 0,6984
b= 1,2184 c= 0,4316 |
7,0
|
16,0
|
Зміна мікротвердості в двошарових покриттях TiC- Cr7C3 в порівнянні з одношаровими TiC та С r23C6 - Cr7C3 від поверхні до основи більш плавна.
Таким чином можна вважати, що саме ця перевага багатокомпонентних покриттів в порівнянні з однокомпонентними буде позитивно впливати на стійкість покриттів в умовах контактної взаємодії.
В таблиці 2 наведені стійкістні випробування багатогранних непереточуваних твердосплавних пластин з механічним кріпленням після титанування та хромотитанування.
Таблиця 2
Вплив захисних покриттів на стійкість ріжучих пластин з ВК8 при точінні
Вид ХТО
|
Оброблюваний
матеріал |
Режим різання
|
Коефіцієнт
збільшення стійкості |
||
Швидкість
V, м/с |
Подача
S, мм/об |
Глибина
t, мм |
|||
Титанування
|
06Х28МДТ
|
8,0
|
1,277
|
1,5
|
4,5
|
40Х13
|
2,5
|
0,434
|
1,0
|
2,0
|
|
Мідь М1
|
3,30
|
0,045
|
1,0
|
1,5
|
|
Хромо
титанування |
06Х28МДТ
|
8,0
|
1,277
|
1,5
|
5,0
|
40Х13
|
2,5
|
0,434
|
1,0
|
2,5
|
|
Мідь М1
|
3,30
|
0,045
|
1,0
|
2,5
|
|
Коефіцієнт збільшення стійкості вираховували як відношення часу стійкості пластин з покриттями до часу стійкості без покриттів. За період випробувань вибирали час до утворення лунки зносу по заданій поверхні 0,7мм.
Висновки. В даній роботі досліджено фазовий та структурний склад зносостійких захисних покриттів на основі перехідних металів IV-VI груп періодичної системи. Встановлено, що при титануванні на поверхні формується шар TiC, а при хромуванні шар карбідів хрому. Показано перевагу багатокомпонентного покриття над однокомпонентним в зв’язку з більш поступовим збільшенням мікротвердості по товщині шару, що в свою чергу призводить до зниження градієнту напруг.
Визначено коефіцієнт збільшення стійкості твердосплавних пластин в умовах поздовжнього різання.
Підтверджено доцільність проведення робіт в даному напрямку з подальшим корегуванням технологічних параметрів і складу вихідних реагентів.
Визначено коефіцієнт збільшення стійкості твердосплавних пластин в умовах поздовжнього різання.
Підтверджено доцільність проведення робіт в даному напрямку з подальшим корегуванням технологічних параметрів і складу вихідних реагентів.
Список літератури
1. Ляхович Л.С. и др. Многокомпонентные диффузионные покрытия. Наука и техника. Минск, 1974.
2. Тот Л. Карбиды и нитриды переходных металлов. М.: Мир. 1974. - 296с.
3. Лоскутов В.Ф., Хижняк В.Г., Куницкий Ю.А., Киндрачук М.В. Диффузионные карбидные покрытия. - К: Техника, 1991. - 168с.
4. Тугоплавкие карбиды. Э. Стормс. Перевод с английского. Атомиздат, 1970.- 304с.
1. Ляхович Л.С. и др. Многокомпонентные диффузионные покрытия. Наука и техника. Минск, 1974.
2. Тот Л. Карбиды и нитриды переходных металлов. М.: Мир. 1974. - 296с.
3. Лоскутов В.Ф., Хижняк В.Г., Куницкий Ю.А., Киндрачук М.В. Диффузионные карбидные покрытия. - К: Техника, 1991. - 168с.
4. Тугоплавкие карбиды. Э. Стормс. Перевод с английского. Атомиздат, 1970.- 304с.
В.Г. Хижняк, д.т.н., Т.В. Лоскутова, к.т.н., А.И. Дегула, Н.А. Курило
КОМПЛЕКСНЫЕ ИЗНОСОСТОЙКИЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ ТИТАНА И ХРОМА
Изучено строение и некоторые свойства защитных покрытий при участии титана и хрома на сталях У8, Х12М и твердом сплаве ВК8. Установлен фазовый и структурный состав полученных одио и двухкомпонентных покрытий. Определенно микротвердость карбидных слоев и коэффициент увеличения стойкости при продольном резании.
V.G. Khizhnyak, d.t.n., T.V. Loskutova, k.t.n., A.I. Degula, N.A. Kurilo
COMPLEX WEARPROOF COVERAGES ON BASIS OF REFRACTORY CONNECTIONS OF TITAN AND CHROME
A structure and some properties of sheeting is studied with participation of titan and chrome on сталяхУ8, Х12М and carboloy of ВК8. Phase and structural composition of got one and two-component coverages is set. Certainly microhardness of carbidic layers and coefficient of increase of firmness at the longitudinal cutting.
КОМПЛЕКСНЫЕ ИЗНОСОСТОЙКИЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ ТИТАНА И ХРОМА
Изучено строение и некоторые свойства защитных покрытий при участии титана и хрома на сталях У8, Х12М и твердом сплаве ВК8. Установлен фазовый и структурный состав полученных одио и двухкомпонентных покрытий. Определенно микротвердость карбидных слоев и коэффициент увеличения стойкости при продольном резании.
V.G. Khizhnyak, d.t.n., T.V. Loskutova, k.t.n., A.I. Degula, N.A. Kurilo
COMPLEX WEARPROOF COVERAGES ON BASIS OF REFRACTORY CONNECTIONS OF TITAN AND CHROME
A structure and some properties of sheeting is studied with participation of titan and chrome on сталяхУ8, Х12М and carboloy of ВК8. Phase and structural composition of got one and two-component coverages is set. Certainly microhardness of carbidic layers and coefficient of increase of firmness at the longitudinal cutting.
Немає коментарів:
Дописати коментар