СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОГО СПЛАВА Т15К6, ОБЛУЧЕННОГО СИЛЬНОТОЧНЫМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ Научный руководитель профессор Углов Владимир Васильевич Белорусский государственный университет Кафедра физики твердого тела Магистерская диссертация Солдатенко Евгении Александровны 2010 год

Содержание Основные области применения твердых сплавов Цели и задачи исследования Обработка образцов и методы исследования Фазовый состав Расчет температурных полей Расчет термоупругих напряжений Элементный состав поверхности Структура поверхности Микроструктура поперечного сечения образцов Микротвердость поверхностных слоев Трибологические испытания Научная новизна Положения, выносимые на защиту 2

Основные области применения твердых сплавов оснащение измерительного инструмента деревообрабатывающее оборудование горнодобывающее и рудо обрабатывающее оборудование обработка резанием конструкционных материалов Постановка цели исследования В настоящее время много внимания уделяется проблеме упрочнения и повышения долговечности инструментов из твердых сплавов. На примере твердого сплава Т15К6 показана возможность использования сильноточных электронных пучков с целью повышения его эксплуатационных характеристик. Цель исследования : изучение влияния плотности энергии и длительности импульсов воздействия сильноточными электронными пучками (СЭП) на фазовый и элементный состав, а также механические свойства приповерхностных слоев твердого сплава Т15К6 (WC- 15 вес. % TiC - 6 вес. % Co). 3

Задачи исследования Обработать образцы твердого сплава Т15К6 импульсами электронных пучков длительностью 100,150,200 мкс с плотностями энергии Дж/см 2. Провести теоретический расчет пространственного распределения полей температур и термоупругих напряжений в результате воздействия СЭП. Определить фазовое состояние модифицированных слоев на основе рентгеноструктурного анализа. Методом рентгеноспектрального микроанализа выявить изменения элементного состава по поверхности и глубине образцов вследствие облучения электронными пучками. Методом растровой электронной микроскопии изучить морфологию поверхности и поперечные сечения образцов. Исследовать механические свойства (микротвердость и коэффициент трения) поверхностных слоев. Выявить взаимосвязь между структурно-фазовым состоянием модифицированных слоев и их механическими свойствами. 4

Обработка СЭП ИСЭ СО РАН г. Томск Параметры воздействия: количество импульсов – 5 частота следования импульсов – 0,3 Гц длительность импульса – 100, 150, 200 мкс плотность энергии за импульс – 10 – 80 Дж/см 2 Методы исследования: рентгеноструктурный анализ (ДРОН-4, медный анод) рентгеноспектральный микроанализ (микроскоп LEO 1455 VP) механические испытания (твердомер ПМТ-3, трибометр ТАУ-1М ) 5

Фазовый состав формирование пересыщенного вольфрамом твердого раствора (Ti, W)C превращение WC W 2 C выделение в поверхностном слое графита, фаз двойного (Со 2 Ti, Co 2 C) и тройного (Co 3 W 9 C 4 ) состава 6

Параметры кристаллической решетки твердого раствора (Ti, W)C Режим воздействия Параметр решетки, (±0,0002) нм необлученный 0, Дж/см 2, 100 мкс 0, Дж/см 2, 100 мкс 0, Дж/см 2, 100 мкс 0, Дж/см 2, 150 мкс 0, Дж/см 2, 150 мкс 0, Дж/см 2, 200 мкс 0, Дж/см 2, 200 мкс 0,4311 7

Расчет температурных полей Решение уравнения теплопроводности: Начальное и граничное условия: Учет фазовых переходов: 8

Пространственное распределение полей температур Пространственное распределение температуры Максимальная температура на поверхности образца температура в поверхностном слое превышает температуру плавления компонентов системы. 9

Пространственное распределение термоупругих напряжений термоупругие напряжения сжимающие и достигают на поверхности значения (по модулю) ~ 3 ГПа 10

Элементный состав поверхности 11 Режим воздействия Концентрация W, (±2) ат.% Концентрация Ti, (±2) ат.% Концентрация Co, (±1) ат.% необлученный Дж/см 2, 100 мкс Дж/см 2, 100 мкс Дж/см 2, 100 мкс Дж/см 2, 150 мкс Дж/см 2, 150 мкс Дж/см 2, 200 мкс Дж/см 2, 200 мкс Концентрация вольфрама, титана и кобальта на поверхности твердого сплава Т15К6 после воздействия СЭП

Структура поверхности необлученный 10 Дж/см 2, 100 мкс 30 Дж/см 2, 100 мкс 60 Дж/см 2, 150 мкс 70 Дж/см 2, 150 мкс 60 Дж/см 2, 200 мкс 50 Дж/см 2, 100 мкс 80 Дж/см 2, 200 мкс в зависимости от режима облучения формируется ячеистая, типичная для «взрывной» кристаллизации или дендритная структура поверхности 12

Микроструктура поперечного сечения образцов Сформировавшаяся в результате воздействия СЭП слоистая структура состоит из : 1. переплавленного слоя, обогащенного вольфрамом; 2. переплавленного слоя с ячеистой структурой в направлении роста (поперечный размер 0,3 мкм); 3. переплавленного слоя с ячеистой структурой в направлении роста (поперечный размер 1 мкм); 4. слоя контактного плавления зерен карбидов; 5. слоя со структурой исходного твердого сплава. 13

Микротвердость поверхностных слоев WC W 2 C 2. твердорастворное упрочнение 3. деформационное упрочнение 4. зернограничное упрочнение 5. дисперсное упрочнение Режим воздействия Микротвердость, ГПа необлученный Дж/см 2, 100 мкс Дж/см 2, 100 мкс Дж/см 2, 100 мкс Дж/см 2, 150 мкс Дж/см 2, 150 мкс Дж/см 2, 200 мкс Дж/см 2, 200 мкс 27 3

Трибологические испытания Дж/см 2, 200 мкс ~ 0,2 Коэффициент трения для поверхностных слоев твердого сплава до обработки - ~ 0,7 50 Дж/см 2, 100 мкс ~ 0,35 60 и 70 Дж/см 2, 150 мкс ~ 0,25

Научная новизна Научная новизна полученных результатов заключается в создании слоистой структуры твердого сплава, состоящей из глубоких модифицированных слоев и характеризующейся повышенной в 1,5-3 раза твердостью и сниженным в 3,5 раза коэффициентом трения. Указанные изменения, главным образом, обусловлены формированием пересыщенного по вольфраму твердого раствора (Ti, W)C, превращением WC W 2 C, выделением дисперсных частиц вторых фаз, а также формированием развитого рельефа поверхности. 16

Положения, выносимые на защиту: Воздействие импульсами низкоэнергетических сильноточных электронных пучков различной длительности (100, 150, 200 мкс) и плотности энергии (10-80 Дж/см 2 ) на твердый сплав Т15К6: приводит к формированию пересыщенного по вольфраму твердого раствора (Ti, W)C при кристаллизации; вызывает превращение WC W 2 C; инициирует сегрегацию графита и образование фаз двойного и тройного состава в поверхностном слое; приводит к образованию ячеистой, типичной для «взрывной» кристаллизации или дендритной структура поверхности; вызывает формирование многозонной структуры твердого сплава; обеспечивает повышение микротвердости и понижение коэффициента трения приповерхностных слоев сплава в среднем в 3 и 3,5 раза соответственно

Спасибо за внимание!