powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2021-1-60-70powder-592Research ArticleТугоплавкие, керамические и композиционные материалыRefractory, Ceramic, and Composite MaterialsИсследование влияния химико-термической обработки на эксплуатационные свойства твердых сплавов ВК6 и ВК15Study into the effect of thermochemical treatment on VK6 and VK15 hard alloy performanceБогодуховС. И.BogodukhovS. I.

докт. техн. наук, проф., зав. кафедрой материаловедения и технологии материалов

460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13

Dr. Sci. (Eng.), prof., head of the Department of materials science and technology materials

460018, Orenburg, Pobeda ave., 13

ogu@mailgate.ruКозикЕ. С.KozikE. S.

канд. техн. наук, доцент кафедры материаловедения и технологии материалов

г. Оренбург

Cand. Sci. (Eng.), associate prof., Department of materials science and technology materials

Orenburg

ele57670823@yandex.ruСвиденкоЕ. В.SvidenkoE. V.

канд. техн. наук, препод. кафедры материаловедения и технологии материалов

г. Оренбург

Cand. Sci. (Eng.), lecturer, Department of materials science and technology materials

Orenburg

tzvetkova.katia2016@yandex.ruОренбургский государственный университет (ОГУ)РоссияOrenburg State UniversityRussian Federation202117032021016070Copyright © Богодухов С.И., Козик Е.С., Свиденко Е.В., 20212021Богодухов С.И., Козик Е.С., Свиденко Е.В.Bogodukhov S.I., Kozik E.S., Svidenko E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/592

Изучено влияние термодиффузионного насыщения (ТДН) твердых сплавов ВК6 и ВК15. Для ТДН поверхности образцов (штабиков) использовали шихту состава: 48,5 % K4(Fe(CN)6), 50 % Al2O3 (буферное вещество), 1,5 % NH4Cl (активатор). В качестве насыщающего элемента применяли: желтую кровяную соль K4(Fe(CN)6), буру B4С, оксид меди CuО. В каждый контейнер загружали по 5 штабиков (отдельно каждой марки – ВК6, ВК15) и шихту. Контейнеры герметизировали и подвергали нагреву до 900 °С с выдержкой при заданной температуре в течение 2 ч и до 1100 °С с выдержкой 4 ч. Затем проводили охлаждение вместе с печью продолжительностью 6 ч. При ТДН твердых сплавов ВК6 и ВК15 твердость увеличивалась незначительно при повышении прочности на изгиб от 13,6 до 57 % в сравнении с исходным состоянием. Зависимость между напряжением и относительной продольной деформацией для ВК6 и ВК15 до и после ТДН свидетельствует о возрастании модуля нормальной упругости после ТДН. Стойкость образцов при испытании резанием повысилась до 2 раз. Нельзя сделать однозначный вывод по стойкостным испытаниям точением, так как наблюдался большой разброс величины износа даже на одинаково обработанных образцах. В дальнейших стойкостных испытаниях рекомендуется увеличить число проходов, поскольку износ после 1-го прохода зачастую неявный и связан с дефектным поверхностным слоем. При ТДН повышение температуры с 900 до 1100 °С способствует росту глубины диффузионного слоя для твердого сплава ВК6, улучшению его эксплуатационных характеристик за счет меньшего количества пор, включений и разрывов в поверхностном слое, что можно объяснить увеличением интенсивности диффузии различных соединений (тетрабората натрия, гексацианоферрата калия, оксида меди) с активаторами и без них, а также перераспределением примесей в процессе полиморфного превращения. Значения микротвердости образцов твердых сплавов ВК6 и ВК15 после ТДН выше, чем исходных. Лучшая среда для ТДН твердых сплавов ВК6 и ВК15, которая повышает их эксплуатационные характеристики в 2 раза, это: Al2O3 + NH4Cl + K4(Fe(CN)6) при температуре 900 °C. Для выявления общей тенденции упрочнения твердых сплавов и обоснованного выбора оптимального режима ТДН был проведен фрактографический анализ изломов образцов до и после обработки. Установлено, что с увеличением температуры термодиффузионного насыщения характер излома практически не меняется (хрупкий излом проходит по границам зерен), однако идет уменьшение размеров межзеренных фасеток из-за наличия хрупких выделений частиц карбида вольфрама.

The study covers the effect of thermal diffusion saturation (TDS) of VK6 and VK15 hard alloys. A charge of 48.5 % K4(Fe(CN)6), 50 % Al2O3 (buffer substance), and 1.5 % NH4Cl (activator) was used for TDS of the surface of samples (billets). K4(Fe(CN)6) yellow blood salt, B4C borax, CuO copper oxide were used as a saturating element. Each container was loaded with 5 billets (each brand – VK6, VK15 – separately) and charge. Containers were sealed and subjected to heating up to 900 °C and exposure at a given temperature for 2 hours and up to 1100 °C with exposure for 4 hours. Then they were cooled together with the oven for 6 hours. After the TDS of VK6 and VK15 hard alloys, hardness was increased insignificantly with an increase in bending strength from 13.6 to 57 % in comparison with the initial state. The relationship between stress and relative longitudinal strain for VK6 and VK15 before and after TDS indicates an increase in the Young’s modulus after TDS. The resistance of samples during the cutting test increased up to 2 times. It is impossible to make a clear conclusion on wear resistance tests by turning, since there is a large variation in the amount of wear even on equally processed samples. It is also recommended to increase the number of passes in further wear resistance tests, since wear after the 1st pass is often not evident and associated with a defective surface layer. An increase in temperature from 900 to 1100 °C during thermal diffusion saturation increases the diffusion layer depth for the VK6 hard alloy, improves its performance due to fewer pores, inclusions and breaks in the surface layer, which can be explained by an increased diffusion intensity of various compounds (sodium tetraborate, potassium hexacyanoferrate, copper oxide) with and without activators, as well as impurity redistribution in the process of polymorphic transformation. The microhardness values of VK6 and VK15 samples after TDS as compared to initial samples. The best thermodiffusion saturation medium for VK6 and VK15 hard alloys, which increases their performance by 2 times: Al2O3 + NH4Cl + K4(Fe(CN)6) at 900 °C. The fractographic analysis of sample fractures before and after treatment was performed to identify a general trend and make a reasonable choice of an optimal thermodiffusion saturation mode. It was found that the nature of fracture remains virtually the same (brittle fracture runs along grain boundaries) with an increase in the temperature of thermal diffusion saturation, but intergranular facets become smaller due to the brittle precipitates of tungsten carbide particles.

твердосплавные штабики и четырехгранные пластины марки ВК6 и ВК15термодиффузионное насыщениеизнос при резаниимикроструктураразмер частицVK6 and VK15 hard-alloy billets and tetrahedral platesthermal diffusion saturationcutting wearmicrostructureparticle sizeReferencesZhang Li, Wang Yuan-Jie, Yu Xian-Wang, Chen Shu, Xiong Xiang-Jin. Crack propagation characteristic and toughness of functionally graded WC—CO cemented carbide. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2008. Vol. 26. No. 4. P. 295—300.Zhang Li, Wang Yuan-Jie, Yu Xian-Wang, Chen Shu, Xiong Xiang-Jin. Crack propagation characteristic and toughness of functionally graded WC—CO cemented carbide. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2008. Vol. 26. No. 4. P. 295—300.Colovcan V.T. Some analytical consequences of experiment data on properties of WC—Co hard metals. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2008. Vol. 26. No. 4. P. 301—305.Colovcan V.T. Some analytical consequences of experiment data on properties of WC—Co hard metals. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2008. Vol. 26. No. 4. P. 301—305.Guo Zhixing, Xiong Ji, Yang Mei, Jiang Cijin. WC—TiCNi cemented carbide with enhanced properties. J. Alloys Compd. 2008. Vol. 465. No. 1-2. P. 157—162.Guo Zhixing, Xiong Ji, Yang Mei, Jiang Cijin. WC—TiCNi cemented carbide with enhanced properties. J. Alloys Compd. 2008. Vol. 465. No. 1-2. P. 157—162.Креймер Г.С. Прочность твердых сплавов. М.: Металлургия, 1971.Kreimer G.S. Strengh of hard alloys. Moscow: Metallurgiya, 1971 (In Russ.).Панов В.С., Чувилин А.М. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. М.: МИСиС, 2001.Panov V.S., Chuvilin А.М. Technology and properties of sintered hard alloys and their products. Мoscow: MISIS, 2001 (In Russ.).Bock H., Hoffman H., Blumenauer H. Mechanische Eigenschaften von Wolframkarbid-Kobalt legierugen. Technik. 1976. Bd. 31. No. 1. S. 47—51.Bock H., Hoffman H., Blumenauer H. Mechanische Eigenschaften von Wolframkarbid-Kobalt legierugen. Technik. 1976. Bd. 31. No. 1. S. 47—51.Gurland J. The fracture strength of sintered WC—Co alloys in relation to composition and particle spacing. Trans. Met. Soc. AIME. 1963. Vol. 227. No. 1. P. 28—43.Gurland J. The fracture strength of sintered WC—Co alloys in relation to composition and particle spacing. Trans. Met. Soc. AIME. 1963. Vol. 227. No. 1. P. 28—43.Suzuki H., Hayashi K. Strenght of WC—Co cemented carbides in relation to their fracture sources. Planseeber. Pulverment. 1975. Vol. 23. No. 1. P. 24—36.Suzuki H., Hayashi K. Strenght of WC—Co cemented carbides in relation to their fracture sources. Planseeber. Pulverment. 1975. Vol. 23. No. 1. P. 24—36.Tokova L.V., Zaitsev A.A., Kurbatkina V.V., Levashov E.A., Sidorenko D.A., Andreev V.A. Features of the influence of ZrO 2 and WC nanodispersed additives on the properties of metal matrix composite. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2014. Vol. 55. No. 2. P. 186—190.Tokova L.V., Zaitsev A.A., Kurbatkina V.V., Levashov E.A., Sidorenko D.A., Andreev V.A. Features of the influence of ZrO 2 and WC nanodispersed additives on the properties of metal matrix composite. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2014. Vol. 55. No. 2. P. 186—190.Богодухов С.И. Материаловедение. М.: Машиностроение, 2015.Bogodukhov S.I. Materialovedenie. Мoscow: Machinostroenie, 2015 (In Russ.)..Бондаренко В.А. Обеспечение качества и улучшение характеристик режущих инструментов. М.: Машиностроение, 2000.Bondarenko V.A. Quality assurance and improvement of characteristics of cutting tools. Мoscow: Machinostroenie, 2000 (In Russ.).Либенсон Г.А. Процессы порошковой металлургии. М.: Изд-во МИСиС, 2001. Т. 1.Libenson G.A. Powder metallurgy processes. Мoscow: MISIS, 2001. Vol. 1 (In Russ.).Kim C.S., Massa T.P., Rohrer G.S. Modeling the relationship between microstructural features and the strengh of WCCo composites. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2006. Vol. 24 (1) P. 89—100.Kim C.S., Massa T.P., Rohrer G.S. Modeling the relationship between microstructural features and the strengh of WCCo composites. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2006. Vol. 24 (1) P. 89—100.Yamamoto T., Ikuhara Y., Watanabe T., Shirase F. High resolution microscopy study in Cr3 C2 -doped WC—Co. J. Mater. Sci. 2001. No. 36. P. 3885—3890.Yamamoto T., Ikuhara Y., Watanabe T., Shirase F. High resolution microscopy study in Cr3 C2 -doped WC—Co. J. Mater. Sci. 2001. No. 36. P. 3885—3890.Jaensson B.O. Die untersuchung von Verformungsersheinungen in hochfeste WC—Co Legierungeen mit Hilfeeines neuen localisierungsverfahrens fur die Abdruckelektronenmicroscopie. Pract. Metallogr. 1972. Bd. 9. No. 11. S. 624—641.Jaensson B.O. Die untersuchung von Verformungsersheinungen in hochfeste WC—Co Legierungeen mit Hilfeeines neuen localisierungsverfahrens fur die Abdruckelektronenmicroscopie. Pract. Metallogr. 1972. Bd. 9. No. 11. S. 624—641.Богодухов С.И. Определение модуля упругости различных материалов с применением средств тензометрии. Вестн. Оренб. гос. ун-та. 2014. No. 4. С. 289—295.Bogodukhov S.I. Determination of modulus of elasticity of various materials by means of strain gauges. Vestnik Orenburgskogo gos. un-ta. 2014. No. 4. P. 289—295 (In Russ.).Третьяков В.И. Металлокерамические твердые сплавы. М.: Металлургиздат, 1962.Tret’yakov V.I. Nitriding of refractory metals. Moscow: Metallurgizdat, 1962 (In Russ.).Редченко Д.С., Попов А.Ю. Способ обработки сверхтвердых материалов: Пат. 2440229 (РФ). 2012.Redchenko D.S., Popov A.Yu. Method for processing superhard materials: Pat. 2440229 (RF). 2012 (In Russ.).Соколов А.Г. Способ обработки твердосплавного инструмента: Пат. 2509173 (РФ). 2014.Sokolov A.G. Method for machining carbide tools: Pat. 2509173 (RF). 2014 (In Russ.).Чеховой А.Н., Бельков О.В., Прокопова Т.И. Способ химико-термической обработки изделий из твердого сплава и стали: Пат. 2231573 (РФ). 2004.Chekhovoi A.N., Bel’kov O.V., Prokopova T.I. Method of chemical-thermal treatment of products from hard alloy and steel: Pat. 2231573 (RF). 2004 (In Russ.).Осколкова Т.Н., Будовских Е.А. Способ поверхностного упрочнения вольфрамокобальтового твердосплавного инструмента: Пат. 2398046 (РФ). 2010.Oskolkova T.N., Budovskikh Е.А. Method for surface hardening of wolfoamocobate hard alloy: Pat. 2398046 (RF). 2010 (In Russ.).Хиндрик Э. Пластина с покрытием для режущего инструмента для обточки сталей: Пат. 2536014 (РФ). 2014.Hindrik E. Plate with a coating for cutting tools for turning steels: Pat. 2536014 (RF). 2014 (In Russ.).Кабанов А.В., Федоров С.В., Вислагузов А.А., Павлов М.Д. Способ упрочнения изделий из твердых сплавов: Пат. 2501865 (РФ). 2013.Kabanov A.V., Fedorov S.V., Vislaguzov A.A., Pavlov M.D. Method of hardening of products from hard alloys: Pat. 2501865 (RF). 2013 (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.