курсач

dT

где Сv–теплоёмкость при постоянном объёме, Cv= T(dS/dT)v. Генерируемая в процессе термического удара энергия затрачивается на

изменение объёма и структурных показателей образца. За счёт значительной разницы теплопроводности и термического коэффициента линейного расширения компонентов твёрдого сплава (WC, Со и др.) в них будут протекать деформационные процессы, способные изменять субструктуру, определяемую движением дислокаций и точечных дефектов, остаточные термические

напряжения ( σ1, σ2, σвн), характер распределения микролокальных полей и участков напряжений. Изменения в структуре, несомненно, приводят к изменению физико-механических характеристик твёрдого сплава, что подтверждается результатами наших исследований.

Исследования микролокальных полей и участков напряжений на поверхности твёрдых сплавов проводились с использованием метода радиографического декорирования (РД). На рис.1 приведены фигуры РД на поверхности твёрдого сплава ВК8 до криогенной обработки. Картины РД, отражающие поля напряжений, характеризуются дендритными симметричными (а) и несимметричными (б) фигурами, имеющими протяжённость от 0,2 до 1 мм, что свидетельствует о наличии больших суперпозиционных полей внешних и внутренних напряжений, которые определяются аномальными отклонениями от совершенной структуры твёрдого сплава.

Рис.1. Фигуры радиографического декорирования на поверхности твёрдого сплава ВК8 до обработки жидким азотом. Увеличение х400:

а – симметричные поля напряжений; б – несимметричные поля напряжений

Достаточно мощные поля напряжений на поверхности могут существенно

11

влиять на прочностные свойства твёрдых сплавов. При последующем шлифовании поверхности образца на глубину 10-15 мкм описанные фигуры РД в основном сохраняют свои размеры и характер распределения, что говорит о существовании напряжений не только на поверхности, но и внутри образца.

На рис. 2 а, б приведены два вида фигур РД, выявленных на поверхности твёрдых сплавов, обработанных в жидком азоте. Первый вид (рис. 2 а) характеризуется сетчатым распределением линий. Обращает на себя внимание то, что угол между линиями сетки равен примерно 120о. Очевидно, что такие фигуры РД отвечают распределению экзоэлектронных потенциалов внутри отдельных зёрен WC, имеющих гексагональную структуру решётки. Такое сравнительно чёткое и геометрически правильное сетчатое распределение фигур говорят о достаточно высоких внутренних напряжениях, имевших место до криогенной обработки. Под действием термического удара в зёрнах WC происходит фрагментация на блоки вдоль плоскостей спайности, в результате чего снимаются первичные суперпозиционные поля напряжений, происходит выравнивание градиента концентрации напряжений.

Рис. 2. Фигуры радиографического декорирования на поверхности твёрдого сплава ВК8 после обработки жидким азотом. Увеличение х400:

а – сетчатое распределение фигур РД; б – дендритное распределение фигур РД

Второй вид фигур РД (рис.2 б) имеет форму ветки хвойного дерева с фрагментами различной протяженности. Эти фигуры РД отвечают областям кобальтовой фазы твёрдого сплава, окружающей зерна WC. Их расплывчатая форма свидетельствует о значительно меньшей напряженности. Для образцов, обработанных жидким азотом, типичным является присутствие обеих видов фигур РД. Как правило, фигуры РД первого вида находятся в окружении фигур РД второго вида.

Анализ картин РД на рис.2 а, б показывает, что после криогенной обработки суперпозиционные поля напряжений существенно снимаются и рассредоточиваются.

Изменение напряжённого состояния поверхности твёрдого сплава при криогенной обработке свидетельствует о существенной перестройке структуры по всему объёму образца. Этот вывод подтверждается также изменени-

12

ем скорости химического травления твёрдого сплава в травителе состава: 10% К3 [Fe(CN)6] + 10% KOH + 80% Н2О. Усреднённые показатели скорости химического травления образцов твёрдого сплава ВК8 приведены в табл. 1.

Из табл.1 видно, что скорость химического травления образцов твёрдого сплава после криогенной обработки на 10,5% выше, чем у контрольных, что свидетельствует об изменениях, произошедших в структуре твёрдого сплава. Реальные кристаллы в поликристаллических телах всегда имеют достаточно высокий уровень концентрации дислокаций и точечных дефектов. Криогенная обработка твёрдого сплава сопровождается дополнительным по-

вышением этого уровня, прежде всего за счёт дислокаций. При химическом воздействии работа отрыва атомов от кристалла в ядре дислокации, в скоплениях точечных дефектов ниже, чем на участках с пониженной концентрацией дефектов, поэтому скорость растворения кристалла здесь выше. Это обстоятельство является причиной более высокой скорости травления образцов твёрдого сплава, обработанных в жидком азоте.

Полученные результаты исследований позволили сформулировать версию о механизме упрочнения твёрдых сплавов при криогенной обработке.

С точки зрения структуры материала, основными факторами, определяющими прочностные характеристики твёрдого сплава, являются: соотношение компонентов, размер зёрен, наличие примесей, количество и размер пор, размеры микролокальных полей напряжений. После криогенной обработки происходят следующие изменения в этих характеристиках: соотношение компонентов, количество примесей и пор не изменяется; наблюдается значительная перестройка структуры, уменьшаются блоки микромозаики вследствие фрагментации их по плоскостям спайности; рассредоточиваются исходные поля напряжений. Всё это доказывает деформационное упрочнение твёрдого сплава при пластической деформации в процессе криогенной обработки. В пользу деформационного упрочнения говорит существенное повышение плотности дислокаций в твёрдом сплаве после криогенной обработки. В табл. 2 приведены результаты определения плотности дислокаций в твёрдом сплаве при различных режимах криогенной обработки, полученные методом рентгеноструктурного анализа. Так, при максимальном значении ∆Т = 296 К плотность дислокаций повышается на два порядка.

На макроуровне перестройка в структуре твердого сплава при крио-

13

генной обработке напоминает собой изменения в структуре, происходящие при упрочнении металла методом механического наклепа.

Таблица 2 Плотность дислокаций в образцах твёрдого сплава ВК8 при различных

режимах криогенной обработки

Таким образом, эффект упрочнения твердого сплава при глубоком охлаждении обусловлен изменением тонкой кристаллической структуры за счет наклепа кобальтовой связки в локальных областях по периметру карбидных включений из-за различия коэффициентов термического расширения компонентов твёрдого сплава. Этот процесс должен сопровождаться изменением его физико-механических характеристик.

Механизм упрочнения композиционных алмазосодержащих материалов при криогенной обработке также базируется на изменении напряжённого состояния в материале матрицы, возникшем за счёт деформационных процессов при термическом ударе в области низких отрицательных температур. Повышение прочности матрицы достигается блокированием пластической деформации прослоек связки зёрнами вольфрамокобальтовой смеси, гранулами твёрдого сплава и других наполнителей. Сложная структура материала матрицы способствует повышению концентрации дислокаций и точечных дефектов при любом внешнем воздействии, приводящем к проявлению пластической деформации. Деформационное упрочнение обеспечивается также высокой плотностью порогов и реакций вдоль линий дислокаций. При этом алмазные зёрна рассматриваются как включения в матричный материал, воспринимающие от него всесторонние давления значительной величины. По данным Спирина В.И., если включением является частица алмаза, то при термическом ударе с перепадом температур в 216 К в системе «алмаз – мат-

рица» возникают остаточные напряжения сжатия σ, равные - 550 МПа. Такое существенное изменение напряжённого состояния в материале матрицы при криогенной обработке повышает её удерживающую способность алмазных зёрен. Качество закрепления алмазов повышается не только за счёт адгезии, но и вследствие механического удержания окружающими объёмами металла. Под воздействием значительных усилий, возникающих в композиционном материале при криогенной обработке, происходит проникновение материала связки в микротрещины алмазных зёрен, заполнение поверхностных пор и т.д., что способствует более качественному закреплению алмазов в матрице и увеличению их работоспособного периода в составе алмазных коронок.

14

Проверка эффективности криогенной обработки алмазных коронок осуществлялась в процессе сравнительных испытаний большого объёма алмазного ПРИ (более 3000 единиц) в производственных условиях ПГО «Востказгеология». Испытания показали, что криогенная обработка алмазного ПРИ позволяет повысить углубку на коронку в 1,4-1,6 раза, механическую скорость бурения в 1,2- 1,3 раза.

Положение 2. Повышение эксплуатационных показателей твёрдосплавного породоразрушающего инструмента при термическом ударе в области низких отрицательных температур достигается созданием в твёрдом сплаве контролируемого напряженного состояния за счёт повышения остаточных напряжений сжатия в различных фазах и остаточных паяльных напряжений.

В работах М.Г. Лошака, Л.И. Креймера, Н.А. Клочко и др. показано, что для упрочнения твёрдых сплавов необходимо применять такие методы, которые вызывали бы структурные изменения и фазовые превращения, приводящие к образованию остаточных напряжений сжатия, повышению твёрдости и ударной вязкости. К таким методам относится, на наш взгляд, криогенная обработка, реализуемая в режиме термического удара.

Структурные компоненты, входящие в состав твёрдого сплава (WC, Cо), имеют существенно отличающиеся по величине коэффициенты термического линейного расширения и теплопроводности. Поэтому при охлаждении от температуры спекания в твёрдых сплавах возникает объёмное напряженное состояние термического характера, описываемое тремя главными

нормальными напряжениями σ1, σ2, σ3. Вопрос о влиянии остаточных напряжений на макроскопически измеряемые прочностные характеристики до сих пор является дискуссионным. Главным в этом вопросе является следующее: складываются ли алгебраически внешние приложенные напряжения с остаточными термическими напряжениями.

Криогенная обработка рассматривается нами как разновидность закалки, протекающей в режиме быстрого охлаждения в широком диапазоне изменения температуры (от +100 до -196о С). Предполагалось, что при столь большом перепаде температуры в твёрдом сплаве могут происходить необратимые пластические деформации, приводящие к модификации остаточных напряжений растяжения в напряжения сжатия. Таким образом, конечной целью термического удара, как дополнительной термической обработки, является формирование в твёрдом сплаве макроскопического объёмного напряжённого состояния сжатия.

На основании предложенной модели, в основу которой положена гипотеза Шпета, дающая представление о природе возникновения термических напряжений в твёрдом сплаве, получены выражения для оценки термических напряжений в двухфазном твёрдом сплаве

15

где σ1, σ2 – напряжения соответственно в карбиде вольфрама и в кобальте; Е1, Е2 – модуль нормальной упругости WC и Со; β1, β2 – температурный коэффициент линейного расширения WC и Со; Тр – температура образца при равновесном состоянии; Тк – конечная температура образца при охлаждении; l1, lк1 – линейный размер компонента из карбида вольфрама при равновесном состоянии и при температуре Тк; l2, lк2 – линейный размер компонента из кобальта при равновесном состоянии и при температуре Тк .

Анализ формул (16), (17) позволяет сделать вывод о том, что на уровень напряжений, формирующихся в обеих фазах твёрдого сплава при криогенной обработке, первостепенное влияние оказывает разность начальной и конечной температуры ∆Т.

Однако напряженное состояние в реальных твёрдых сплавах существенно отличается от макетных материалов. Поэтому для количественной оценки влияния криогенной обработки на прочностные характеристики твёрдых сплавов были определены (табл. 3) методом рентгеноструктурного анализа остаточные термические напряжения σ1, σ2, σвн. Из табл. 3 видно, что термический удар при всех режимах криогенной обработки приводит к заметному повышению остаточных напряжений сжатия σ1, σ2 в WC и снижению напряжений растяжения в кобальтовой связке. Максимальные изменения наблюдаются при термическом ударе от температуры 373 К. В WC напряжения сжатия увеличиваются, а в кобальтовой связке напряжения из положительных преобразуются в отрицательные, то есть в напряжения сжатия, что хорошо согласуется с увеличением плотности дислокаций при этом режиме криогенной обработки (табл. 2).

Таблица 3 Остаточные термические напряжения в твёрдом сплаве ВК8 до и

после криогенной обработки

*- многократная криогенная обработка в жидком азоте с выдержкой 1, 3, 6, 10 мин.

Втвёрдосплавных резцах реального твёрдосплавного инструмента наряду с главными остаточными напряжениями практически всегда присутствуют остаточные паяльные напряжения, возникающие в процессе закрепления твёрдосплавных резцов к корпусу при пайке. Природа паяльных оста-

точных напряжений заключается в большом отличии температурных коэффициентов линейного расширения твёрдого сплава (5,5.10-6 К-1) и стали

16

(~12,6. 10-6 К-1). Кроме того, в процессе пайки высокотемпературными припоями исходная структура стали переходит в аустенит, распад которого при последующем охлаждении сопровождается увеличением его объёма и изменением знака деформирования паяного соединения. К настоящему времени в диапазоне температур от солидуса припоя (начало затвердевания, 1050– 1100о С) до 200 С процесс пайки хорошо исследован Л.Г. Куклиным, И.И. Яновским, Н.А. Клочко и др. Результаты этих исследований позволили разработать практические рекомендации по технологии пайки и координации марок сталей, твёрдых сплавов и припоев.

Известно, что основной процесс структурного превращения аустенита в мартенсит протекает в диапазоне температур 400 -100 оС. Структурное превращение в стали идёт с увеличением объёма изделия. Однако мартенситное превращение может быть продолжено и в области низких отрицательных температур, но только в режиме термического удара (криогенной обработки), который, активизируя мартенситные превращения в стали, изменяя неравнозначно линейные размеры твёрдого сплава и стали, сопровождается возобновлением силовых процессов в элементах паяного инструмента и проявлением пластической деформации как в стали, так и в твёрдом сплаве. Деформации в твёрдом сплаве могут вызывать напряжения сжатия, способные повысить его твёрдость, а, следовательно, и износостойкость.

Расчёт суммарных напряжений в твёрдом сплаве паяного инструмента при криогенной обработке производился по формуле (22). При выводе формулы использовано уравнение К.П. Имшенника и Н.А. Бухмана (18), полученное ими для определения нормальных паяльных напряжений в твёрдом сплаве.

где k - коэффициент, учитывающий отношение высоты стального образца hc к высоте твёрдосплавного резца hт и модуля упругости Ес к модулю упругости твёрдого сплава Ет; b – длина образца; αс, αт – коэффициенты термического линейного расширения стали и твёрдого сплава; Т – температура солидуса припоя; Т0 - комнатная температура; Iс, Iт – осевые моменты инерции стального и твёрдосплавного образцов.

Для расчёта напряжений при криогенной обработке данное уравнение требует некоторых преобразований. Так, разница (Т – Т0), отражающая градиент температур от солидуса припоя до комнатной температуры, в случае криогенной обработки запишется как (Т0 – Ткр), где Ткр – температура хладоагента. Влияние скорости охлаждения на величину напряжения учитыва-

17

ется поправочным коэффициентом kυ. Тогда уравнение (18) запишется в следующем виде:

Исходя из выводов И.Н. Чапоровой и В. Шпета о возможности алгебраического суммирования напряжений, возникших в твёрдом сплаве от разных источников, можно просуммировать остаточные паяльные напряже-

ния σт и напряжения, возникшие при криогенной обработке σк.

Подставив (18), (20) в (21) и сделав некоторые преобразования, получим

Оценка уровня суммарных напряжений в твёрдом сплаве, создаваемых в результате пайки и термического удара при криогенной обработке, проводилась расчётным путём с использованием выражений (18), (22) на примере твёрдосплавных коронок СА1-76. В результате расчёта получены следующие значения напряжений в пластинах твёрдого сплава: остаточные паяльные напряжения σт = - 456,7 МПА; суммарные напряжение σ∑ = - 596,4 МПа.

Таким образом, пайка твёрдосплавных пластин к стальному корпусу и последующая криогенная обработка приводят к значительному напряженному состоянию твёрдого сплава. Напряжения здесь имеют не только термоупругую природу, они формируются и в процессе пластической деформации, как при пайке, так и при криогенной обработке.

Исследования влияния остаточных напряжений на микротвёрдость сплава ВК6 проводились на штабиках, вырезанных из твёрдосплавных коронок СА1-76, и твёрдосплавных резцах формы Г4105. На подготовленной поверхности резцов до и после криогенной обработки замерялась микротвёрдость на приборе ПМТ-3. Результаты замеров микротвёрдости приведены в табл. 4, из которой видно, что пайка твёрдосплавных резцов к стальному корпусу повышает их микротвёрдость на 6,4 %, криогенная обработка штабиков при Тисх = 20о С повышает микротвёрдость сплава на 8,8% (суммарно с

Таблица 4 Влияние криогенной обработки на микротвердость твёрдосплавных резцов

18

пайкой – 15,8%), а при Тисх = 100оС - на 13,2% (суммарно с пайкой – 20,5%).Увеличение микротвёрдости сплава ВК6 косвенно свидетельствует о

повышении напряжений сжатия в резцах и после пайки, и после криогенной обработки. Из табл. 4 видно, что, изменяя режим криогенной обработки

породоразрушающего инструмента, можно направленно задавать микротвёрдость резцов, а, следовательно, и износостойкость породоразрушающего инструмента в целом.

Для получения более полной картины влияния напряжённого состояния в твёрдом сплаве на прочностные характеристики инструмента были проведены исследования по определению зависимости физико-механических характеристик твёрдых сплавов от режимов криогенной обработки.

Основной характеристикой твёрдых сплавов при их стандартизации или при проведении исследований, связанных с процессами упрочнения, является предел прочности при изгибе. Испытания образцов на изгиб проводились на установке УМГП-3 по стандартной схеме нагружения. Результаты записывались в виде диаграммы в координатах "нагрузка-деформация». Зна-

чения предела прочности при изгибе σиз вычислялись по формуле:

где G - разрушающая нагрузка, даН; l - расстояние между опорами, см; b- ширина образца, см; h - высота образца, см.

При проведении испытаний на изгиб определялась также жесткость и деформация. Жесткость С (даН/мм) при таком виде испытаний характеризует способность образца сопротивляться внешней изгибающей силе в упругой области деформации и определяется по формуле С =Р/d, где d - величина деформации, мм.

Режимы криогенной обработки изменялись в широком диапазоне, что определялось необходимостью выбора наиболее эффективных, которые в дальнейшем были взяты за основу при упрочнении ПРИ.

ческих характеристик твёрдых сплавов от исходной температуры образцов Тисх при криогенной обработке. Свойства сплавов, определяющие прочностные характеристики (разрушающая нагрузка Р, предел прочности при изгибе σизг, деформация d, жесткость C), с повышением Тисх изменяются неоднозначно. Если понижение Р, σизг, С составляет всего 5-8%, то деформация снижается на 23,7- 25,3 %.

Свойства сплавов, характеризующие их износостойкость (микротвёрдость, твёрдость), при криогенной обработке повышаются существенно при всех режимах обработки. Микротвёрдость (рис.5) в диапазоне изменения Тисх от 20 до 100оС увеличивается от 10,3% до 18,8%.

Рис. 4. Влияние исходной температуры резцов на деформацию и жесткость сплавов ВК6, ВК8 при криогенной обработке:

1, 2 – деформация для твёрдых сплавов ВК6, ВК8; 3, 4 – жесткость для сплавов ВК6, ВК8

Полученные результаты позволяют сделать важный вывод о том, что, изменяя в нужном направлении микротвёрдость, мо-

жно направленно воздействовать на износостойкость резцов, а, следовательно, и породоразрушающего инструмента в целом. Данный вывод был подтверждён в дальнейшем при испытании твёрдосплавного ПРИ в производственных условиях.

Рис. 5. Влияние исходной температуры резцов на микротвёрдость сплавов ВК6, ВК8 при крио-

1 генной обработке: 1, 2 - микротвёр-

дость для сплавов ВК6, ВК8

2

Снижение деформации твёрдого сплава при криогенной обработке сопровождается повышением жесткости и хрупкости, что ограничивает неcколько область

20