Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Фрикционная поверхностная закалка сталей вращающимся инструментом. Учебное пособие
.pdf
2.2. Материалы инструмента
1
Температура, К
200
Температура, К
Теплопроводность, Вт/(м·К)
Однако содержание рения в количестве 25 % позволяет снизить
в сплаве W–Re температуру перехода от пластичности к хрупкости
и повысить температуру перекристаллизации вольфрама (рис. 2.10).
В результате инструментальный материал получается более твердым
и склонным к охрупчиванию и разрушению.
1800
2
1600
1400
1
Температура, °С
1200
1 3 5 10 15 20
Содержание Re, %
Рис. 2.10. Влияние содержания рения на температуру перекристаллизации
вольфрама:
1 — начало перекристаллизации; 2 — окончание перекристаллизации
Зависимости теплопроводности и температуропроводности вольфрама
W и сплава W–Re с содержанием рения 5, 10 и 25 % приведены на рис. 2.11.
а б
W
W - 5% Re
W - 10% Re
W - 25% Re
2
W
W - 5% Re
W - 10% Re
W - 25% Re
Температуропроводность, см /с
0,5
0
500 1000
100
0
500 1000
Рис. 2.11. Зависимость теплопроводности (а) и температуропроводности (б)
вольфрама и вольфрамрениевых сплавов от температуры [11]
31
2. Основы процесса фрикционной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом
Минимальную теплопроводность порядка 50 Вт/(м·К) инструмент
из сплава W–Re обеспечивает при 25%‑ном содержании рения и на‑
греве до 1000 К (рис. 2.11, а) [11]. Кроме того, известно, что волфрам‑
рениевый инструмент, содержащий 25 % Re, может пройти путь тре‑
ния почти 3,5 м и выполнить до 50 циклов вход‑выход в упрочняемый
материал [12].
Сплав W–Re25 является эффективным инструментальным мате‑
риалом, но может испытывать значительную деформацию из‑за двой‑
никования. Когда инструмент изнашивается, мелкие частицы отделя‑
ются и перемешиваются в закаливаемом поверхностном слое.
Для дальнейшего улучшения свойств данного инструмента в сплав
W–Re добавляют гафний в количестве 2…10 %. Гафний осаждается
вдоль границ зерен, уменьшая их размер и повышая прочность. Для
сварки трением с перемешиванием (Friction Stir Welding — FSW) при‑
меняется инструмент, состоящий из W–Re25 с добавлением 4 % кар‑
бида гафния HfC. Этот материал может быть применен для фрикци‑
онной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом.
Наиболее целесообразно использовать такой инструмент при фрикци‑
онной закалке поверхностей тепло‑, коррозионно‑ и износостойких,
а также инструментальных сталей, для которых температура закалки
выше 1100 °C. Однако стоимость инструмента из вольфрамрениевого
сплава с добавлением гафния весьма значительна.
Поверхностная закалка углеродистых и легированных сталей воз‑
можна инструментом из карбида вольфрама с кобальтом. Карбид воль‑
фрама — очень прочный материал благодаря ковалентной связи между
атомами вольфрама и кобальта. Данное соединение также характе‑
ризуется высокой температурой плавления порядка 2900 °C и высо‑
кой твердостью (27 ГПа) при комнатной температуре. Однако карбид
вольфрама хрупок по своей природе — вязкость разрушения состав‑
ляет 2…4 МПа·м
0,5
. Для повышения различных механических свойств
и улучшения спекаемости в карбид вольфрама добавляется материал
второй фазы, например кобальт или никель.
Добавление кобальта приводит к отличной смачиваемости и адге‑
зии с частицами карбида вольфрама, что облегчает спекание и значи‑
тельно повышает прочность и вязкость инструмента. Однако твердость
и износостойкость обратно пропорциональны содержанию кобаль‑
та [13]. Твердость и механические свойства сильно зависят от разме‑
ра зерна и процентного содержания добавленного кобальта (рис. 2.12).
32
а б
3000
25
2.2. Материалы инструмента
Крупная
зернистость
Средняя
зернистость
Ультрамелкая
зернистость
Содержание Со, %
2500
2
2000
1500
Твердость НV, кг/мм
1000
500
Ультрамелкая
зернистость
Средняя
зернистость
Крупная
зернистость
0 5 10 15 20 25 30
Содержание Со, %
0,5
20
15
10
5
Вязкость разрушения, МПа·м
0
0 5 10 15 20 25 30
Рис. 2.12. Зависимость твердости (а) и вязкости разрушения (б) сплава WC–Co
от содержания кобальта и размера зерна WC [13]
Различают ультрамелкозернистую, субмикронную, мелкозерни‑
стую, среднезернистую, крупнозернистую и сверхкрупнозернистую
микроструктуру сплава WC–Co (рис. 2.13).
а б в г д е
Рис. 2.13. Микроструктура сплава WC–Co с различным размером зерен карбида
вольфрама [14]:
а — ультрамелкозернистая (0,2…0,5 мкм); б — субмикронная (0,5…0,9 мкм); в — мел‑
козернистая (1,0…1,3 мкм); г — среднезернистая (1,4…3,4 мкм); д — крупнозернистая
(2,5…5,0 мкм); е — сверхкрупнозернистая (более 5,0 мкм)
33
2. Основы процесса фрикционной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом
Твердый сплав во многих отношениях является уникальным клас‑
сом материалов. Наиболее примечательно, что фаза матрицы, то есть
связующее, является фазой меньшинства. Взаимодействие между свя‑
зующим и карбидными фазами определяет конечную микроструктуру.
Регулируя содержание связующего и размер зерна сплава WC, мож‑
но обеспечить требуемую твердость и теплопроводность инструмента
для фрикционной поверхностной закалки.
Механические свойства вольфрамкобальтовых сплавов зависят
от содержания Co и размеров зерен WC (табл. 2.1) [15].
Таблица 2.1
Механические свойства WC–Co сплавов
Содер‑
жание
Co, %
3
6
9
15
Средний
размер зерен
WC, мкм
0,7 2020 1000 – – –
1,4 1820 – – – –
0,7 1800 1750 4550 – –
1,4 1575 2300 4250 630 14950
0,7 1670 2300 4000 – –
1,4 1420 2400 4000 588 14750
4,0 1210 2770 – – –
0,7 1400 2770 – 538 –
1,4 1160 2600 3500 – 14000
Твер‑
дость
HV
Предел прочности,
Н/мм
на изгиб на сжатие
30
2
Модуль Юнга,
Н/(мм 2·10 3)
Плот‑
ность,
кг/м
3
В целом, меньшие размеры зерен карбида вольфрама позволяют
изготавливать инструмент с более мелкой микроструктурой. Пред‑
посылкой для этого является предотвращение роста зерен во время
процесса спекания путем добавления подходящих легирующих ком‑
понентов (ингибиторов) в нужном количестве, с учетом содержания
кобальта. Поскольку удельная поверхность карбида зависит от его зер‑
нистости, то мелкозернистый карбид может поглотить больше связу‑
ющего, чем крупнозернистый.
Для уплотнения твердого сплава на основе карбида вольфрама при
спекании применяется целый ряд ингибиторов роста зерен. Наиболее
мощным ингибитором является ванадий (V), за которым следуют ти‑
тан (Ti), хром (Cr), тантал (Ta), молибден (Mo) и ниобий (Nb). Одна‑
ко, согласно исследованиям, приведенным в работе [16], применение
34
2.2. Материалы инструмента
ванадия вызывает проблемы с охрупчиванием вследствие его выпаде‑
ния в осадок на стыках границ зерен карбида вольфрама.
Добавление титана в количестве 0,25 % (Ti‑2500) уменьшает сред‑
ний размер зерна WC в спеченном состоянии до 0,4 мкм (рис. 2.14, б).
Кроме того, значительно уменьшается вероятность появления ано‑
мально крупных зерен WC.
Добавление хрома может повысить коррозионную стойкость твер‑
дых сплавов (рис. 2.14, в). Пример влияния очень малых добавок хро‑
ма на микроструктуру твердого сплава WC–Co (10 %) приведен в ра‑
боте [17].
а б в
Рис. 2.14. Микроструктуры исходного сплава W‑Co (10 %) (а) и с добавлением
ингибиторов роста зерен: титана Ti‑2500 (б) и хрома (в) [14]
Однако существующие методы производства твердых сплавов при‑
водят к значительным трудностям при уменьшении среднего размера
зерна WC до величины менее 0,2 мкм. Справочные данные по составу
и механическим свойствам наиболее применяемых сплавов WC–Co
приведены в табл. 2.2 [18].
Таблица 2.2
Состав и основные механические свойства сплавов WC–Co
Материал WC, % Co, %
TK10 (ВК4) 95,8 4,2 15,05 2300 3700
TK10–TK30
(ВК6–ВК8)
88,0 12,0 14,10 1760 4600
Плотность,
г/см
3
Твердость
HV
Поперечная проч‑
ность при разрыве,
10
МПа
С увеличением температуры твердость сплавов WC–Co снижается,
при этом мелкозернистые сплавы отличаются более высокой темпе‑
ратурной стойкостью по сравнению с крупнозернистыми (рис. 2.15).
35
2. Основы процесса фрикционной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом
1800
1600
1400
2
1200
1000
800
Твердость НV, кг/мм
600
400
200
5
1
2
3
0
473 673 873 1073
Температура, К
6
7
4
Рис. 2.15. Зависимость твердости сплавов WC–Co от температуры испытания [19]:
1–6 % Co (мелкозернистый); 2–6 % Co (крупнозернистый); 3–8 % Co (крупнозернистый);
4–15 % Co (крупнозернистый); 5–2 % Co; 6–8 % Co; 7–15 % Co
При температурах выше 600 °C наблюдается значительное сниже‑
ние прочности WC–Co сплава (рис. 2. 16). Температурная деградация
вызвана высокими скоростями окисления и развитием микрострук‑
турных дефектов.
В диссертационном исследовании В. Воропаева [8] проведено экс‑
периментальное исследование зависимости коэффициента темпе‑
ратуропроводности инструмента из твердого сплава KMG303 фир‑
мы ZCC (Китай), содержащего, мас. %: 88,15 W; 10,69 Co; 0,45 Cr;
0,42 Au; 0,18 Pt; 0,11 Ln, от температуры нагрева. Температуропровод‑
ность данного сплава определялась в диапазоне изменения температур
25…1050 °C методом лазерной вспышки на приборе Netzch LCA‑457
MicroFlash (рис. 2.17, а).
36
2500
2000
Прочность разрушения, МПа
Температура, °С
λαρ
ρ
= С .
1500
1000
500
0
0 200 400 600 800 1000
Рис. 2.16. Зависимость прочности разрушения сплава WC–Co (10 %)
от температуры [13]
а б
2.2. Материалы инструмента
24
-6 2
22
20
18
16
14
12
10
0 200 400 600 800 1000 1200
Температуропроводность, 10 м /с
Рис. 2.17. Зависимости коэффициента температуропроводности (а) и коэффици‑
ента теплопроводности (б) инструментального материала от температуры
Температура, °С
140
120
100
80
60
Теплопроводность Вт/(м·°С)
0 200 400 600 800 1000 1200
Температура, °С
При известных значениях температуропроводности a, удельной
теплоемкости Cr и плотности r твердого сплава WC–Co может быть
рассчитан коэффициент теплопроводности l (рис. 2.17, б):
Плотность твердого сплава r принималась равной 14 700 кг/м
3
а удельная теплоемкость 400 Дж/(кг·°C).
Приведенные на рис. 2.17 зависимости коэффициентов температу‑
ропроводности a и теплопроводности l инструмента из WC–Co спла‑
ва KMG303 фирмы ZCC показали, что предельная величина темпе‑
,
37
2. Основы процесса фрикционной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом
ратуры нагрева при фрикционной поверхностной закалке не должна
превышать 950 °C. Дальнейший нагрев приводит к разбуханию нако‑
нечника инструмента и образованию микротрещин (рис. 2.18).
а б в
Рис. 2.18. Твердосплавный инструмент WC–Co (10 %)–Cr (0,5 %) после
фрикционной закалки стали 20Х13 (а), разбухание наконечника (б)
и фрикционный характер износа плоского торца (в)
Разрушение инструмента из твердых сплавов в процессе фрикци‑
онной поверхностной закалки определяется распространением дефек‑
тов, возникших при формовании и спекании сплава, в виде трещин
в зависимости от условий эксплуатации: осевой силы, крутящего мо‑
мента и контактной температуры. Пример разрушения инструмента
WC–Co (10 %)–Cr (0,5 %) после фрикционной обработки поверхно‑
сти стали марки 20Х13 с достижением максимальной контактной тем‑
пературы 950 °C приведен на рис. 2.19.
Рис. 2.19. Пример инструментаWC–Co (10 %)–Сr (0,5 %) с зонами разрушения
и долома
Связующая фаза играет ключевую роль в качестве основы, повы‑
шающей ударную вязкость и усталостную прочность твердого сплава
WC–Co, поскольку ее пластичность имеет решающее значение для
устойчивости сплава к росту трещин и циклическому индуцирован‑
38
2.2. Материалы инструмента
ному разрушению. Первым этапом развития трещины в твердом спла‑
ве является ее образование в карбидной фазе с дальнейшим продви‑
жением в хрупкой фазе с огибанием пластичных областей, при этом
на поверхностях трещины остаются мостиковые связки. В направле‑
нии распространения трещины развивается многослойная зона по‑
рядка 2…4 мостиков. По мере распространения трещины мостиковые
связки удлиняются и внутри связующего образуются микрополости
для поддержания постоянства объема. Снижение прочности твердых
сплавов при циклических нагрузках преимущественно происходит
в связующем. Разрушение кобальтовой связки при циклическом на‑
гружении происходит по кристаллографическим граням, о чем можно
судить по острым угловатым изломам, локализованным внутри сло‑
манной области связующего. Стабильный рост трещин при цикличе‑
ских нагрузках (коэффициент асимметрии цикла напряжений Rs = –1)
и нестабильный при монотонном нагружении твердого сплава WC–Cо
подтверждается сканирующей электронной микроскопией (рис. 2.20).
а б
Рис. 2.20. Пример роста трещин при циклическом (а)
и монотонном (б) нагружении [20]
Эффективным методом исследования изломов материалов явля‑
ется фрактография [21]. По фрактографии излома инструмента мож‑
но определить тип нагружения (циклический или монотонный) и, да‑
лее, выявить влияние осевой силы, крутящего момента и контактной
температуры в процессе фрикционной поверхностной закалки.
Преимуществами использования никеля вместо кобальта в ка‑
честве связующего являются повышенная устойчивость к корро‑
зии и окислению. Сплав WC–Ni также выгодно использовать вместо
39
2. Основы процесса фрикционной поверхностной закалки сталей вращающимся инструментом
2000
15
Содержание Ni, %
WC–Co в условиях высоких температур, так как он более устойчив
к термическому растрескиванию. Однако разница с WC–Co не явля‑
ется существенной. Механические свойства сплавов WC–Ni с различ‑
ным содержанием никеля представлены на рис. 2.21.
0,5
2
Твердость
Вязкость
1900
14
1800
1700
Твердость НV, кг/мм
13
1600
Рис. 2.21. Твердость и вязкость разрушения сплава WC–Ni
8 10 12
с различным содержанием никеля [13]
Вязкость разрушения, МПа·м
Благодаря высокой прочности, твердости и тепловой стабильно‑
сти при повышенных температурах перспективными материалами для
фрикционной поверхностной закалки сталей могут стать поликристал‑
лический кубический нитрид бора PCBN и оксинитрид алюмокрем‑
ния сиалон (SiAlON), который является высокотемпературной огне‑
упорной керамикой.
Инструментальный материал PCBN содержит частицы кубическо‑
го нитрида бора (CBN) и связующего. В качестве связующего приме‑
няются AlN и AlB2, TiC и W. В работе [22] приведены величины коэф‑
фициента трения, тепловые и механические свойства PCBN и карбида
вольфрама WC, а также инструментальной стали марки AISI 4340
(табл. 2.3). Высокая твердость PCBN обеспечивает получение глад‑
ких поверхностей после завершения процесса фрикционной закал‑
ки. Однако низкий коэффициент трения в контакте требует увеличе‑
ния скорости вращения инструмента для выделения в упрочняемый
материал необходимого количества тепла.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]