ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ПОСЛЕ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

Бровер А.В., Бровер Г.И., Машкина А.В., Назарова А.В.

В современном производстве широко применяются высокоэффективные твердые сплавы, которые сочетают высокую твердость, прочность и отсутствие адгезионного взаимодействия в контакте с металлами при трении, что является их основным преимуществом перед другими инструментальными материалами.

Однако, дефицит сырья сдерживает расширение объемов использования и областей применения твердых сплавов. Кроме того, в процессе эксплуатации изделия из твердых сплавов контактируют с обрабатываемым материалом, в результате чего в них возникают напряжения и деформации. Они складываются с внутренними термическими напряжениями, уже имеющимися в инструменте из твердого сплава, что часто приводит к его преждевременному разрушению.

Улучшить эксплуатационные характеристики и тем самым повысить долговечность изделий из твердых сплавов можно путем применения методов обработки поверхностных слоев, изменяющих их состав и структуру, в частности, лазерной обработки и легирования.

Следует отметить, что эти процессы изучены недостаточно полно, что связано со сложностью структурных превращений при скоростной обработке и необходимостью изыскания возможностей уменьшения хрупкости поверхностных слоев твердых сплавов, а также повышения их надежности в эксплуатации.

Наибольшей перспективностью в этом плане обладает способ микролегирования с использованием лазерного нагрева, при котором высокая плотность мощности лазерного излучения используется для расплавления предварительно нанесенных на поверхность изделий покрытий и тонкого слоя расположенной под ними подложки. В этих условиях появляется возможность сохранения на поверхности широкого диапазона химических и микроструктурных состояний вследствие резкой закалки из жидкой фазы с образованием обширных областей твердых растворов, метастабильных кристаллических фаз и металлических стекол.

В настоящей работе поверхностной лазерной обработке подвергались твердые сплавы ВК6, ВК8, Т5К10, Т14К8, Т15К6, КНТ16. Лазерное облучение осуществлялось на технологической установке Квант-16.

При проведении лазерного легирования использовались два типа покрытий, обеспечивающих армирующие, усиливающие, самосмазывающие и другие эффекты. Первый тип покрытий приводил к формированию после лазерного облучения композиций, состоящих из пластичной матрицы (Fe-Ti, Fe-Cr, Fe-Ni) и твердых частиц наполнителя (WC, TiC). Основная нагрузка в процессе трения облученных покрытий этого типа воспринимается твердыми составляющими, обусловливающими низкий коэффициент трения, высокую износостойкость сопряженных пар. Пластичная матрица при этом приводит к монолитизации материала в поверхностном слое, выравниванию давлений на твердых частицах, а также к улучшению прирабатываемости пар трения. Частицы твердого наполнителя, кроме того, выступая над поверхностью трения, обеспечивают образование устойчивой масляной прослойки в "карманах" между частицами наполнителя, что дополнительно повышает износостойкость композиции. Введение в состав покрытия титана, двуокиси титана улучшает адгезию покрытия к подложке. Во второй тип покрытий вводились пластичные дисперсные включения МоS₂, a-ВN, Cu, выполняющие роль смазки при трении.

С целью выяснения причин упрочнения при лазерном воздействии и оценки технологических перспектив лазерной обработки твердых сплавов проведен цикл экспериментов по их облучению и определению основных структурных изменений.

При макроструктурных исследованиях установлено, что в случае лазерного облучения твердосплавных образцов с плотностью мощности излучения ~100 МВт/м² хорошо заметна сетка трещин, появившаяся в результате термических напряжений в поверхностном слое в процессе высокоскоростного нагрева и охлаждения. Трещины не наблюдаются при облучении с плотностью мощности излучения <60 МВт/м² и при легировании твердого сплава кобальтом. Они присутствуют в незначительном количестве при совмещении лазерного нагрева с легированием поверхностных слоев никелем или карбидом титана. При металлографических исследованиях на поперечных шлифах зафиксировано проникновение легирующего компонента из обмазки на значительную глубину, особенно наглядно это видно при легировании кобальтом.

Поскольку содержание кобальта, выступающего в роли связки в твердых сплавах, является одним из определяющих факторов прочности и долговечности изделий, увеличение количества связующего металла в данном случае приводит к росту прочности на 15%, ударной вязкости на 30%, трещиностойкости и долговечности твердосплавных изделий в 2-8 раз при сохранении исходного уровня твердости и износостойкости изделия в целом.

Проникновение кобальта и никеля вглубь твердого сплава объясняется способностью твердосплавных изделий поглощать при высоких температурах жидкие металлы.

Рентгеновские исследования твердых сплавов в исходном состоянии, после лазерной обработки с плотностью мощности излучения 60 МВт/м² и после лазерного легирования выявили следующие рефлексы: карбида титана, карбида вольфрама (WC), метастабильного карбида вольфрама (W₂C), двойных карбидов Со_xW_yС_z и связующей составляющей (Со).

Анализ изменений микроструктуры поверхностных слоев твердых сплавов после лазерного облучения показал, что в кобальтовой связке происходят превращения мартенситного типа, переход связующего кобальта из кубической в гексагональную модификацию с соответствующим повышением деформационных характеристик. Возможно и образование при скоростной лазерной обработке аморфных областей на границе кобальт - карбид и обогащение кобальтом пограничных областей карбидной фазы или растворение в кобальте вольфрама и углерода из карбидов, что приводит к улучшению адгезии карбидов с матрицей. При растворении в кобальтовой связке от 6 до 30% WC микротвердость ее повышается с 1660 до 3440 МПа.

В процессе металлографических исследований образцов твердых сплавов замечено измельчение карбидной фазы в приповерхностных слоях после лазерного облучения с плотностью мощности излучения ~60 МВт/м², что должно положительно сказаться на основных эксплуатационных изделий.

Следует отметить, что лазерная наплавка и металлизация позволяют повысить качество поверхностного слоя твердых сплавов путем заполнения поверхностных дефектов, в частности микротрещин, расплавленным металлом. Формирующаяся при лазерной наплавке макрогетерогенная структура имеет преимущества с точки зрения восприятия нагрузки трением.

В результате проведенных исследований сделан вывод о целесообразности лазерной обработки твердых сплавов для повышения основных эксплуатационных свойств изделий. При условии повышения твердости, предел прочности при изгибе повышается после облучения на 15%, ударная вязкость - на 30%, долговечность - в 2-8 раз.

Лазерное легирование поверхностных слоев позволяет повысить качество и износостойкость твердосплавных изделий.