Email this article Influence of continuous ion beams on the changes in the morphology of surface layers and performance properties of a tungsten-free hard alloy of KNT16 grade
- Authors: Badamshin A.M.1, Povoroznyuk S.N.1, Krutko A.A.1, Burgonova O.Y.1
-
Affiliations:
- Omsk State Technical University
- Issue: Vol 19, No 2 (2023)
- Pages: 45-52
- Section: New materials and technology
- URL: https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/562706
- DOI: https://doi.org/10.18822/byusu20230245-52
- ID: 562706
Cite item
Full Text
Abstract
Subject of research: the article studies the effect of continuous ion beams of Ar++Zr+ and N++Ti+ compositions, with ion energy E = 20 keV and radiation dose D = 5⸱1017 ion/cm2, on the change in morphology, microhardness and wear resistance during finishing turning processing of metal-cutting plates made of tungsten-free hard alloy grade KNT16 (TiCN-Ni-Mo).
The purpose of the study: the development of technological modes of ion-beam processing aimed at improving the operational characteristics of metal-cutting tools from tungsten-free hard alloys of the TiCN-Ni-Mo system.
Methods and objects of research: the object of research was metal-cutting plates made of tungsten-free hard alloy grade KNT16 in the initial state and after modification of their surface layers by continuous ion beams of Ar++Zr+ and N++Ti+. The change in the wear resistance of cutting inserts after ion modification was estimated by constructing kinetic curves of wear of the rear surfaces of the inserts during finishing turning of bars made of 40KhN steel. The microhardness of the samples was determined using a Shimadzu HMV-2 microhardness tester using the Vickers method. The change in surface morphology was assessed using atomic force microscopy on an Ntegra prima scanning probe microscope.
Research results: using the method of atomic force microscopy, using the N++Ti+ beam as an example, it was shown that ion-beam treatment leads to selective sputtering of the binder phase in a thin surface layer of the irradiated hard alloy. It has been experimentally determined that ion modification contributes to an increase in the average service life of cutting inserts by 40–60% compared to the initial ones during finishing turning of 40KhN steel in the normalized state. It has been established that ion irradiation with an Ar++Zr+ beam leads to an increase in the average value of the microhardness of the KNT16 alloy by ~ 20%, and with an N++Ti+ beam by ~ 10%. Physicochemical processes are proposed that are responsible for changes in the properties of metal-cutting inserts made of tungsten-free hard alloy KNT16 as a result of modifying its surface layers with ion beams.
Full Text
Введение
Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) на основе карбида (карбонитрида) титана и различных металлических связующих фаз нашли свое применение для изготовления металлорежущих инструментов [1-2]. Их основное преимущество перед более распространенными вольфрамокобальтовыми (WC-Co) твердыми сплавами заключается в существенно меньшей стоимости и распространенности применяемых для их изготовления компонентов [3]. Несмотря на это, широкому внедрению данных материалов в производство металлорежущих пластин препятствует ряд факторов: более низкое чем у сплавов WC-Co значение прочностных характеристик, ударной вязкости и твердости. Ввиду данных недостатков БВТС на основе TiC[TiCN] применяются лишь при токарной и фрезерной обработке углеродистых и низколегированных сталей и ряда других легкообрабатываемых сплавов. Для решения данной проблемы существует несколько исследовательских направлений. Во-первых – это разработка принципиально новых составов безвольфрамовых твердых сплавов [4-5] и совершенствование технологии изготовления уже существующих. Последнее заключается в разработке оптимальных режимов прессования и спекания БВТС [6-7], выборе составов пластификаторов [8], фракции [9] и стехиометрии исходных порошкообразных частиц [10].
Наряду с этим, существует и ряд альтернативных методов, подразумевающих совершенствование свойств поверхностных слоёв уже изготовленных твердосплавных инструментов. К данной группе методов относятся, например: нанесение износостойких покрытий, алмазная заточка, обработка высокоэнергетическим лазерным излучением, модификация поверхности ионными пучками и. др. К преимуществам последнего из перечисленных методов (ионно-лучевая модификация) можно отнести большую площадь генерируемых потоков ионов, что позволяет проводить обработку сразу нескольких образцов и сравнительно с большинством других технологий – низкую стоимость процесса.
Стоит отметить, что технология ионно-лучевой модификации (ИЛМ) показала хорошие результаты для повышения износостойкости традиционных вольфрамокобальтовых твердых сплавов групп: ВК и ТТК. В ряде работ [11-13] отмечается повышение ресурса работы модифицированных металлорежущих пластин в 2-4 раза в сравнении с исходными. Столь значительных эффект авторы данных работ связывают с процессами деформационного упрочнения компонентов твердых сплавов и образованием твердых химических соединений в тонких поверхностных слоях модифицированных материалов. При этом, в настоящее время, прослеживается явный дефицит полученных результатов в области модификации безвольфрамовых твердых сплавов, наличие которых может иметь большой научно-практический потенциал.
Целью данной работы является исследование изменения морфологии, микротвердости и износостойкости при токарной обработке углеродистых сталей БВТС марки КНТ16 («TiCN–Ni–Mo») в результате модифицирования непрерывными ионными пучками (НПИ) составов Ar++Zr+ и N++Ti+ с энергией ионов E = 20 кэВ и дозой облучения D = 5·1017 ион/см2.
Результаты и обсуждение
На рисунке 1 представлены результаты исследования кинетики изнашивания модифицированных НПИ и исходных трёхгранных пластин БВТС марки КНТ16 при чистовом точении стали 40ХН. Токарная обработка прутков проводилась при следующих режимах: скорость резания v = 106 м/мин, подача S = 0,15 мм/об., глубина резания t = 0,15 мм. Критерием изменения износостойкости служила зависимость величины фаски по задней поверхности пластин от пройденного пути точения.
Рисунок 1 – Кинетические кривые изнашивания исходных и модифицированных ионными пучками пластин из БВТС марки КНТ16 при чистовом точении стали 40ХН
Полученные результаты свидетельствуют о том, что кинетическая кривая изнашивания для не облученной пластины имеет традиционную форму [14] с ярко выраженным участком приработки (~ первые 2 км пути точения) после чего наблюдается некоторое снижение скорости изнашивания (2-4 км точения). При этом, при достижении пути точения = 6 км наблюдается существенное увеличение значения фаски износа, величина которой к этому времени достигает 0,4 мм. Кинетические зависимости пластин облученных ионными пучками имеют схожий характер, однако их скорость изнашивания несколько ниже. Так, при анализе полученных результатов, было установлено, что наиболее оптимальным составом пучка для достижения максимального ресурса является N++Ti+. При данном режиме облучения значение фаски износа задней поверхности после 10 км. чистового точения составляет ~ 0,35 мм, что свидетельствует о повышении износостойкости облученных пластин ~ на 40-50% в сравнении с исходными.
Ниже на рисунке 2 представлены микрофотографии задних поверхностей исходной и модифицированных пластин, снятых на одной из серий испытания после прохождения 4 км точения.
Рисунок 2 – Фаска износа задних поверхностей после 4 км. точения: (a) исходная пластина КНТ16, (б) после обработки НПИ N++Ti+ (б).
Таким образом, можно сделать заключение, что наиболее оптимальным режимом облучения для повышения ресурса работы пластин из БВТС КНТ16 при точении среднеуглеродистых низколегированных сталей является облучения непрерывным ионным пучком состава: N++Ti+, энергией E = 20 кэВ, и дозой облучения D = 5·1017 ион/см2.
В таблице 1 приведены данные измерения микротвердости исходного и облученных образцов твердого сплава. Определение микротвердости проводилось методом Виккерса на микротвердомере Shimadzu HMV-2 при нагрузке на индентор 1.961 Н.
Таблица 1. Изменение микротвердости БВТС КНТ16 после ионного модифицирования
Микротвердость исходного образца образцов HV, ед. | |||||||||
μ1 | μ2 | μ3 | μ4 | μ5 | μ6 | μ7 | μ8 | μ9 | μcр. |
1172 | 1336 | 1254 | 1351 | 1197 | 1294 | 1366 | 1215 | 1397 | 1286 |
Микротвердость после облучения НПИ Ar++Zr+ HV, ед. | |||||||||
μ1 | μ2 | μ3 | μ4 | μ5 | μ6 | μ7 | μ8 | μ9 | μcр. |
1785 | 1593 | 1618 | 1539 | 1388 | 1724 | 1307 | 1513 | 1776 | 1582 |
Микротвердость после облучения НПИ N++Ti+ HV, ед. | |||||||||
μ1 | μ2 | μ3 | μ4 | μ5 | μ6 | μ7 | μ8 | μ9 | μcр. |
1415 | 1368 | 1589 | 1219 | 1337 | 1422 | 1305 | 1661 | 1208 | 1391 |
Из данных таблицы видно, что воздействие непрерывного ионного пучка Ar++Zr+ приводит увеличению среднего значения микротвердости пластин ( ~ на 20-25%) Воздействие НПИ N++Ti+ способствуют незначительному увеличению микротвердости (~ на 10%), что можно считать погрешностью измерения. Более существенное повышение микротвердости поверхности при облучении пучком сравнительно «тяжелых» ионов Ar++Zr+ может свидетельствовать о том, что основным процессом, отвечающим за упрочнение является – деформационный (повышение деффектности кристаллической структуры компонентов твердых сплавов, при их взаимодейсвтии с пучком ионов) [15].
Исследование изменения морфологии поверхности проводилось с использованием метода атомно-силовой микроскопии (АСМ) на сканирующем зондовом микроскопе Ntegra prima. На рисунке 3 представлены АСМ- изображения поверхности исходного твердого сплава. Среднее значение шероховатости поверхности Sa, измеренное по полю 10 мкм2. составило 234,9 нм. Номинальная площадь поверхности 129,8 мкм2. На всей поверхности наблюдается наличие большого количества равномерно распределенных макрозёрен (TiCN) диаметр которых составляет ~ 0,5-1 мкм, а их усредненная высота выступа относительно поверхности составляла ~ 0,3-0,4 мкм.
Рисунок 3 – АСМ- изображение поверхности безвольфрамового твердого сплава КНТ16 в исходном состоянии.
После модификации непрерывным ионным пучком N++Ti+ (рисунок 4) наблюдалось существенное повышение количества зёрен TiCN на поверхности твердого сплава. При этом, средние значения их диаметра и выступа относительно поверхности было ниже, чем у зёрен исходного образца и составляют ~ 0,3 и 0,2 мкм соответственно.
Рисунок 4 – АСМ- изображение поверхности безвольфрамового твердого сплава КНТ16 после после обработки НПИ N++Ti+
«Оголение» зёренной фазы связано с процессом селективного ионного распыления никель-молибденовой при воздействии непрерывного ионного пучка.
Заключение и выводы
Таким образом, в данной работе проведено исследование изменения морфологии, износостойкости при токарной обработке и микротвердости металлорежущих пластин из безвольфрамового твердого сплава марки КНТ16, подвергнутого воздействию непрерывных газометаллических ионных пучков. Установлено, что воздействие НПИ состава N++Ti+, энергией ионов E = 20 кэВ и дозой облучения D = 5·1017 ион/см2 приводит к увеличению ресурса работы режущих пластин при чистовом точении среднеуглеродистой низколегированной стали 40ХН на 40-60%. Воздействие НПИ состава Ar++Zr+ с идентичными параметрами облучения способствует увеличению значения микротвердости БВТС ~ на 20%, что, предположительно, может быть связано с деформационным упрочнением компонентов твердого сплава при облучении. Полученные результаты свидетельствуют о перспективе проведения дальнейших исследований в области ионно-лучевого модифицирования безвольфрамовых твердых сплавов с целью изучения физико-химических процессов, происходящих при воздействии ионных пучков на поверхности материалов данной группы и разработке рациональных режимов упрочнения режущих инструментов.
About the authors
Artem M. Badamshin
Omsk State Technical University
Author for correspondence.
Email: Artembadamschin@mail.ru
Assistant of the Department of Mechanical Engineering and Materials Science
Russian Federation, OmskSergey N. Povoroznyuk
Omsk State Technical University
Email: Povorozn@mail.ru
Candidate of Technical Sciences, Docent of the Department of Mechanical Engineering and Materials Science
Russian Federation, OmskAndrey A. Krutko
Omsk State Technical University
Email: Andrey_904@mail.ru
Candidate of Technical Sciences, Docent of the Department of Mechanical Engineering and Materials Science
Russian Federation, OmskOksana Yu. Burgonova
Omsk State Technical University
Email: Oksbourg@mail.ru
Candidate of Technical Sciences, Docent of the Department of Mechanical Engineering and Materials Science
Russian Federation, OmskReferences
- Наумова, О. Пути развития и проблемы создания безвольфрамовых твердых сплавов / О. Наумова, К. В. Сопин, А. С. Янюшкин. – Текст : непосредственный // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки – развитию регионов. – 2005. – Т. 2. – С. 209-212.
- Верещака, А. А. Повышение эксплуатационных характеристик инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов с помощью наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий / А. А. Верещака, О. Хожаев. – Текст : непосредственный // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2014. – № 3(43). – С. 20-25.
- Бадамшин, А.М. Влияние ионного облучения на морфологию, элементный и химический состав поверхностных слоев безвольфрамовых твердых сплавов / А. М. Бадамшин, С. Н. Несов, В. С. Ковивчак [и др.]. – Текст: непосредственный // Письма в Журнал технической физики. – 2021. – № 15(47). – С. 19-22.
- Акимов, В. В. Исследование микротвердости безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбида титана / В. В. Акимов. – Текст : непосредственный // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2005. – № 3-1(23). – С. 121-124.
- Панов, В. С. Основные направления усовершенствования состава и свойств твердых сплавов (аналитический обзор) / В. С. Панов. – Текст : непосредственный // Материаловедение. – 2020. – № 4. – С. 37-41.
- Бурков, П. В. Оптимизация режимов горячего прессования сплавов TiC-NiTi / П. В. Бурков, С. Н. Кульков. – Текст : непосредственный // Вестник Томского государственного педагогического университета. – 2004. – № 6(43). – С. 71-75.
- Акимов, В. В. Механизм жидкофазного спекания твердосплавных композитов TiC-TiNi / В. В. Акимов. – Текст : непосредственный // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2006. – № 6. – С. 33-35.
- Влияние пластификатора на микроструктуру сплава на основе карбонитрида и никелида титана / И. Григоров, В. А. Жиляев, А. Н. Ермаков, Ю. Зайнулин. – Текст : непосредственный // Конструкции из композиционных материалов. – 2006. – № 4. – С. 46-49.
- Гуревич, Л. М. Оценка размеров карбидных частиц и степени их деформации при взрывном плакировании заготовок порошковыми твердыми сплавами / Л. М. Гуревич, Ю. П. Трыков, Р. Е. Новиков. – Текст : непосредственный // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2015. – № 10(170). – С. 38-43.
- Бурков, П. В. Исследование твердых сплавов на основе карбида титана с никелидом титана / П. В. Бурков. – Текст : непосредственный // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2008. – № 6(70). – С. 40-44.
- Калистратова, Н. П. Модификация твердых сплавов мощными ионными пучками и послерадиационной термической обработкой / Н. П. Калистратова, К. Н. Полещенко, И. Геринг [и др.]. – Текст : непосредственный // Физика и химия обработки материалов. – 1999. – № 1. – С. 10-14.
- Патент № 2119551 C1 Российская Федерация, МПК C23C 14/48. Способ обработки твердосплавного режущего инструмента : № 97117329/02 : заявл. 21.10.1997 : опубл. 27.09.1998 / И. Геринг, К. Н. Полещенко, С. Н. Поворознюк, П. В. Орлов ; заявитель Омский государственный университет.
- Полещенко, К. Н. Влияние миграции имплантированной примеси на износоустойчивость модифицированных твердых сплавов / К. Н. Полещенко, С. Н. Поворознюк, А. Вершинин [и др.]. – Текст : непосредственный // Вестник Омского университета. – 1997. – № 2. – С. 23-25.
- Белашова, И. С. Режущие свойства инструментальных сталейпосле лазерного поверхностного легирования / И. С. Белашова, Т. В. Тарасова, Д. В. Бологов. – Текст : непосредственный // Промышленный сервис. – 2018. – № 4(69). – С. 9-13.
- Бадамшин, А. М. Модификация металлорежущих пластин из безвольфрамового твердого сплава марки КНТ16 непрерывными ионными пучками / А. М. Бадамшин, С. Н. Поворознюк, В. В. Акимов [и др.]. – Текст : непосредственный // Омский научный вестник. – 2023. – № 1(185). – С. 31-36.
Supplementary files
