Диссертация (1173110), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Левый рисунок - распределение кобальта (зеленый кобальт), правый – распределение вольфрама (красный - вольфрам)136абаРисунок 5.22 – Распределение химических элементов в валике 50% (помассе) WC и 50% (по массе) Co (а) общее распределение, (б) распределениеотдельных элементов. Левый рисунок - распределение кобальта (зеленый кобальт), правый – распределение вольфрама (красный - вольфрам)137Рисунок 5.23 – Спектральный микроанализ объемного образца 94% (помассе) WC и 6% (по массе) Coа138баРисунок 5.24 – Распределение химических элементов в объемномобразце 94% (по массе) WC и 6% (по массе) Co (а) общее распределение, (б)распределение отдельных элементов.
Левый рисунок - распределениекобальта (голубой - кобальт), правый – распределение вольфрама (красный вольфрам)Металлографическиеисследованияподтвердили,чтополученныеобразцы из порошковых смесей WC/Co с содержанием WC 25%, 50% и 94%Co образуют металлургический контакт с подложкой, с однороднымраспределением химических элементов по поперечному сечению. В целом,неоднородности по составу в сплавленных образцах гораздо меньше, чем вподложке.
Масштаб неоднородностей в материале, полученном методомСЛП,меньше,чемпределразрешенияприменявшегосяэнергодисперсионного анализа, составляющий около 1 мкм. Поэтому можноговорить, что полученный материал однороден на субмикронном уровне.Рентгеноструктурный анализ сплавленной порошковой смеси 25%(по массе) WC и 75% (по массе) Co показал, что образец содержит однуосновную фазу – твердый раствор кобальта на основе ГЦК решетки спериодом, близким к 0,359 нм, обладающий сильной текстурой.
Наличиетекстуры может быть обусловлено параметрами теплоотвода при охлаждения(например, сильный градиент температуры, высокие скорости охлаждения)139[86].Твёрдыйрастворхорошоописываетсяфазой(Co0,87W0,13).Дифракционный спектр образца с нанесенной штрих-рентгенограммой фазы(Co0,87W0,13) представлен на рисунке 5.25.Рисунок 5.25 – Дифракционный спектр образца 25% (по массе) WC и75% (по массе) CoВ кобальтовых сплавах часто низкотемпературную ГПУ фазуобозначают -Co, а высокотемпературную ГЦК - α-Co. Это обозначениепринято и в работе [87] для системы кобальт-вольфрам. Фазовая диаграммакобальт-вольфрам представлена на рисунке 5.26.140Рисунок 5.26 – Фазовая диаграмма Co-WCС учётом литературных данных, о химическом составе и способеполучения материала, формирование ГЦК твёрдого раствора на основе фазыα-Co с высоким содержанием вольфрама и углерода представляетсявозможным.
Ниже представлены сведения из литературных источниковподтверждающие высокую растворимость вольфрама и углерода в кобальте.По данным справочника [87] растворимость W в твёрдом растворе наоснове кобальта с ГЦК решеткой (α-Co) при эвтектической температуре 1471°С равна 17,5 % (ат.), при температуре 1093 °С – 13 % (ат.), а притемпературе 865 °С – 4,0 % (ат.). Растворимость W в твёрдом растворе наоснове кобальта с ГПУ решеткой (-Co) при температурах 1100, 1050, 1000,141900, 800, 700 и 350 °С составляет 13; 8; 6; 3,6; 2,2; 1,5 и 1% (ат.)соответственно [87].По данным из учебного пособия [45], предельная растворимость притемпературе плавления эвтектики (1298 °С) карбида вольфрама в кобальтесоставляет примерно 10 % (мол.) или 15 % (масс.).
С понижениемтемпературы растворимость карбида вольфрама в кобальте резко падает.Однофазная область твёрдого раствора (твердый раствор на основе Co) надиаграмме указывает на существенную растворимость вольфрама и углеродав кобальте. Граница однофазной области походит через точки состава: 9,39 %W + 0,61 % C; 14,45 % W + 0,35 % C; 19,65% W + 0,35 % C, остальное –кобальт.Твердый раствор кобальта является основной фазой в стеллитах [88].СтеллитысистемыCo–Cr–W–Cобладаютвысокойкоррозионнойиизносостойкостью и применяются для наиболее изнашиваемых деталей. Вработах [89] [90] с системой Co-W-C - образование данной фазы объясняетсявысокими скоростями охлаждения.Образец с содержанием исходных компонентов с соотношением 50%(по массе) WC и 50% (по массе) Co содержит две основные фазы: карбидW3Co3C и твердый раствор c ГЦК решеткой на основе ГЦК α-Co с периодомрешетки близким к 0,363 нм.
Дифракционные спектры образца снанесённымиштрих-рентгенограммамифазW3Co3CиCo0,87W0,13представлены на рисунке 5.27. По результатам полуколичественногофазового анализа образец содержит 64 % (масс.) твёрдого раствора на основеГЦК α-Co и 36 % (масс.) фазы W3Co3C. На рисунке 5.29 (б) в поперечномсеченииобразцанаблюдаютсятёмныеисветлыечередующиесядиагональные полосы. При увеличении на рисунке 5.18 (а) видна двухфазнаяструктура темных полос: твердый раствор на основе Co и большоеколичество субмикронных частиц включений фазы W3Co3C, выделившихся в142результате повторного нагрева лазером.
Расстояние между полосамисоответствует величине шага сканирования.Рисунок 5.27 – Дифракционный спектр образца 50% (по массе) WC и50% (по массе) CoВ литературе отмечено, что сложные карбиды W3Co3C в режущеминструменте при обработке прерывистым резанием являются недостаткомиз-за своей хрупкости.
Однако для установившегося резания, так называемаяη-фаза, (W3Co3C) является преимуществом. Во-первых, данная фазауменьшает градиент свойств между покрытием и матрицей, тем самымобеспечивая наиболее прочную связь покрытия и матрицы, а во - вторых,обладает более высокой износостойкостью [91, 92].Образец из смеси 94% (по массе) WC и 6% (по массе) Co содержитосновныефазыW2C,WCитвердыйраствор.Поданнымполуколичественного анализа соотношение фаз: 87%W2C-7%WC, остальноетвердый раствор на основе кобальта. Рентгенограмма данного образцапредставлена на рисунке 5.28.143Рисунок 5.28 – Дифракционный спектр образца 94% (по массе) WC и6% (по массе) CoКарбид W2C, обладающий большей твердостью, чем WC преобладаетв данном составе, что позволяет предположить высокую твёрдость материала[93].
Также в работе [94] установлено, что стойкость к абразивному износуматериала W2C по сравнению с WC в 2 раза выше.5.5 Исследование влияния процентного состава и размера фракцийWC на образование трещин в изделиях, изготовленных методомселективного лазерного плавленияАнализ литературы показывает, что СЛП очень чувствительно к выборуматериала. При применении СЛП к хрупким материалам деталь часторастрескивается уже в процессе изготовления. Так, были полученыматериалы систем SiC-Ti [27] и TiB-Ti [29]. Во всех случаях доляупрочняющей фазы в металлической матрице не превышала 10%.
Этого не144всегда достаточно для получения необходимых механических свойств.Попытки увеличить содержание упрочняющей фазы часто приводят крастрескиванию материала при СЛП. Исследовались смеси с разнымсодержанием WС: 25%, 50% и 94%.При изготовлении одиночных валиков и единичных слоев, изкомпозиции 75% WC (по массе) и 25% (по массе) Co, не удалось получитьравномерный сплавленный материал, валики и слои формировались стрещинами.Образцыизостальныхкомпозицийимелихорошийметаллургический контакт с подложкой. Трещины не наблюдались ни впереплавленном материале, ни в подложке.Изготовление многослойных образцов, описанное выше, показало, чтоматериал 25% (по массе) WC и 75% (по массе) Co устойчив ктрещинообразованию при лазерном воздействии.
Композиция 50% (по массе)WC и 50% (по массе) Co, не имевшая трещин при изготовлении одиночныхваликов и единичных слоев, растрескалась при изготовлении объемногообразца. Трещины образовались на поверхности слоя и в поперечномсечении материала (рисунок 5.29).а100мкм145б30 мкмРисунок 5.29 – Трещины в материале 50% (по массе) WC и 50% (по массе)Co: (а) вид сверху, (б) поперечное сечениеИсходя из экспериментальных данных, накопленный опыт по СЛПподтверждается - увеличение содержания упрочняющей фазы приводит крастрескиванию материала. Однакокомпозиция, содержавшая 94% (помассе) WC и 6% (по массе) Co, исключение в этом утверждении, трещины ненаблюдались ни в одиночных валиках, ни в одиночных слоях, ни вмногослойных образцах.(рисунок 5.30). Развитая поверхность порошкаприводит к снижению температуры плавления Co и как следствие кснижению напряжений в результате уменьшения температурных градиентов[81, 84, 85].аб200мкмРисунок 5.30 – Многослойный образец 94% (по массе) WC и 6% (помассе) Co: (а) вид сверху, (б) поперечное сечение1465.6.
Влияние режимов селективного лазерного плавления натвердость, трещиностойкость и износостойкость образцовСравнительныеиспытаниянаизносостойкостьитвердостьпроводилось для образцов, изготовленных методом СЛП, из следующихпорошковых материалов:- объемный образец, полученный методом СЛП из порошковой смеси25% (по массе) WC и 75% (по массе) Co. Размер фракций WC - 50-80 нм, Сo 1-1,5 мкм;- объемный образец, полученный методом СЛП из порошковой смеси94% (по массе) WC и 6% (по массе) Co. Размер фракций WC не более 1,5мкм, Сo - 80 нм.Для сопоставления полученных результатов испытывались образцы:- твердосплавная пластина марки ВК6- твердосплавная пластина марки ВК20- образец, изготовленный методом СЛП из порошка CoCrMo фирмыEOS (Германия);Внешний вид лунок, на поверхности образцов, приведен на рисунке5.31. Образец из материала 25% (по массе) WC и 75% (по массе) Co,полученный на установке ALAM показал себя устойчивее к абразивномуизносу, чем образец из промышленного порошка CoCrMo фирмы EOS,полученныйнаустановкеEOSМ280.Значениякоэффициентовинтенсивности изнашивания и микротвердости приведены в таблице 5.7.Таблица 5.7.
Значение интенсивности изнашивания для образцовМатериал изделияCoCrMo 25% (по массе) WC и75% (по массе) Co147Интенсивностьизнашиваниях10-13,6,9±0,21,7±0,2364±8540±10м3/(м∙Н)Твердость, HV0,05аб400 мкм400 мкмРисунок 5.31 – Внешний вид лунок на поверхности образцов: а) 25% (помассе) WC и 75% (по массе) Co, б) CoCrИспытания образца из материала 94% (по массе) WC и 6% (по массе) Coне оставили выемки на материале. Это объясняется высокой твердостьюданного образца. Применявшийся абразив карбида кремния SiC оказался недостаточно твердым для определения износостойкости.Испытания для образца из материала 94% (по массе) WC и 6% (помассе) Co были проведены повторно с алмазным абразивом. Для сравнениякоэффициента интенсивности изнашивания материала 94% (по массе) WC и6% (по массе) Co были выбраны твёрдосплавные пластины ВК6 и ВК20полученныетрадиционнымспеканием.Значениякоэффициентовинтенсивности изнашивания и микротвердости приведены в таблице 5.8.Внешний вид лунок представлен на рисунке 5.32.Сравнительные испытания показали что, интенсивность изнашиваниязависит от вида абразива, поэтому расчётные значения в таблице5.7(абразивный материал - карбида кремния ) и 5.8(абразивный материал –148алмазная суспензия ) сравнивать нельзя, так как испытания проводились сразными материалами абразива.Таблица 5.8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
