Структура и механические свойства системы твердый сплав-покрытие после химико-термической обработки

Цель работы:
- разработка комбинированного метода повышения износостойкости деревообрабатывающего инструмента из твердого сплава
- исследование структурно-фазового состояния модифицированного твердого сплава
Объекты исследования:
образцы твердых сплавов Т15К6, ВК6 с покрытиями на основе систем Ti-Cr-N, Mo, Mo-N и Mo-Zr-N, сформированные методом вакуумно-дугового осаждения, подвергшиеся химико-термической обработке в порошке тиомочевины.
Методы исследований:
- Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)
- Рентгеновский энергодисперсионный анализ (РЭДА)
- Рентгеноструктурный анализ (РСА)
-Трибологические испытания (трибометр ТАУ-1М, индентор ВК8,
нагрузки на индентор 10..50 г)
- Микротвердость (ПМТ-3, нагрузки 200 г)
- Промышленные испытания (резание ДСП ламинированного, ЧПУП «БЕЛДАРМЕБЕЛЬ» )

1. Режим очистки поверхности твердых сплавов:
токи дуг катодов – 100А, давление азота в камере 10-1Па, напряжение смещения 1 кВ, время осаждения 1 мин.
2. Режимы осаждения покрытий:
титана и хрома - 100 A , молибдена и циркония - 180А, давление азота в камере 10-1Па, напряжение смещения 60..120 В, время осаждения 10 мин.
3. Режим химико-термической обработки (сульфацианирование):
выдержка образцов в течении 6 часов при температуре 120°С в порошке тиомочевины (NH2-CS-NH2).
Предлагаемый метод обработки

МИКРОСТРУКТУРА И ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ
сплава Т15К6 (поверхность)
сплав представляет собой смесь частиц карбидов (WC, TiC) и кобальтовой связки
концентрация серы в поверхностном слое после ХТО составляет ~ 3 ат.%.
Т15К5 после ХТО

МИКРОСТРУКТУРА И ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ
сплава Т15К6 после ХТО (поперечный шлиф)
фотография поперечного шлифа
шлиф
поверхность
В результате ХТО на поверхности образца образуется слой с повышенным содержанием серы и углерода толщиной ~1 мкм.

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ
- в нитридном покрытии присутствует свободный металл

МИКРОСТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТИ
Все покрытия сформированы с различным содержанием «капельной фазы», причем наименьшее количество «капельной фазы» наблюдается в покрытии Mo-N, наибольшее в покрытии Ti-Cr-N .
ВК6\Mo-Zr-Nпосле ХТО
ВК6\Ti-Cr-N после ХТО

ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ВК6\Ti-Сr-N после ХТО
зависимость коэффициента трения от пути трения,
ВК6\Мо-N после ХТО

ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
зависимость коэффициента трения от пути трения,
Т15К6 после ХТО
Т15К6\Mo после ХТО

ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ
дополнительная ХТО уменьшает микротвердость
для образцов сплава ВК6 микротвердость практически не изменилась, за исключением образца ВК6\Mo-Zr-N (в 1,5 раза ниже) .

Промышленные результаты
Эксплуатационная стойкость исходных и обработанных режущих пластин из сплава ВК6.
Пластины ВК6\Mo-N после ХТО и ВК6\Mo-Zr-N после ХТО обладают примерно в ~1,3 раза большей эксплуатационной стойкостью, чем необработанные пластины.
Пластина ВК6\Ti-Cr-N после ХТО продемонстрировала уменьшенную в ~2,2 раза эксплуатационную стойкость.

Промышленные результаты
Микроструктура режущей кромки исходной пластины (сплав ВК6) до и после испытаний.
После испытаний на режущей кромке иногда встречаются сколы размером до 200 мкм, а средняя ширина изношенной кромки составляет порядка 60 мкм.

Промышленные результаты
Микроструктура режущей кромки пластины (ВК6\Ti-Cr-N после ХТО) после испытаний.
Толщина покрытия составляет ~ 4 мкм. Наблюдаются сколы размером до 250 мкм. Средняя ширина изношенной кромки составляет ~ 60 мкм.
Износостойкость пластины уменьшилась в 2,2 раза

Промышленные результаты
Микроструктура кромки образца ВК6\Mo-Zr-N после ХТО после испытаний.
Толщина покрытия составляет порядка 4 мкм.
Наблюдаются сколы размером до 100 мкм.
Средняя ширина изношенной кромки составляет ~ 60 мкм.
Износостойкость пластины увеличилась в 1,3 раза

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработан комбинированный метод повышения износостойкости деревообрабатывающего инструмента из твердого сплава ВК6 на основе нитридной системы Mo-Zr-N, сформированной методом вакуумно-дугового осаждения и последующего насыщения серой, азотом и углеродом в порошке тиомочевины.
Методами рентгеновского энергодисперсионного микроанализа и сканирующей электронной микроскопии обнаружено, что после сульфацианирования в порошке тиомочевины в поверхностных слоях покрытий содержатся углерод, сера и азот.
Проведенный анализ трибологических и прочностных свойств нитридных систем (Ti-Cr-N, Mo-Zr-N, Mo-N, Mo), выявил улучшение трибомеханических свойств покрытия Ti-Cr-N, обладающего пониженным коэффициентом трения (0,15) и повышенной твердостью (10,2 ГПа).
Увеличена эксплуатационная стойкость в ~1,3 раза твердосплавных пластин после комбинированной обработки с покрытием Mo-Zr-N при резании ламинированных ДСП (акт испытаний твердосплавных пластин, см. приложение).