Introduction. Titanium machining is difficult because of its low thermal conductivity, high chemical affinity, and tendency to generate high cutting-zone temperatures, which accelerate tool wear and premature tool failure. WC-Co cutting tools are common to these applications; however, the degree of microstructural stability, the distribution and wear resistance of the cobalt binder play an important role in the performance. The effect of deep cryogenic treatment (DCT) soaking time on the tribological properties and the microstructure of WC-Co end mill cutting tools is investigated in the present study. Materials and methods. WC-Co tools were examined under three conditions: untreated (UT), 24 h DCT, and 36 h DCT. The cryogenic treatment was carried out at −196°C with subsequent slow temperature increase and tempering at 150°C for 2 h. To assess tungsten carbide grain distribution, cobalt binder phase continuity and porosity, the microstructural characteristics were studied by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive spectroscopy (EDS). Tribological performance was evaluated using a Ducom tribometer in accordance with ASTM G133, with wear loss and coefficient of friction as the primary measurement parameters. Results and discussion. The 24 h DCT sample exhibited the most uniform and fine-grained WC structure, a more uniform distribution of the cobalt binder than the untreated sample, and lower porosity than the 36 h DCT sample. This microstructural enhancement led to the lowest COF of 0.33 and minimum wear loss of 0.138 g. The coefficient of friction for the untreated sample was 0.40, which was higher than that of the treated samples, while the wear loss for the untreated sample was 0.176 g. The 36 h DCT sample exhibited intermediate values of the coefficient of friction (0.37) and wear loss (0.157 g); thus, the beneficial effect of cryogenic treatment may be lessened with prolonged soaking time because of the development of defects and microstructural non-uniformity. Conclusions. The 24 h DCT soaking time was determined to be the optimal condition to improve the microstructural stability, friction reduction, and wear resistance of WC-Co cutting tools. The results are helpful for determining the parameters for the cryogenic treatment of WC-Co cutting tools for use in difficult-to-machine materials like titanium.
Введение. Обработка титана сопряжена с трудностями, обусловленными его низкой теплопроводностью, высокой химической активностью и склонностью к интенсивному тепловыделению в зоне резания, что ускоряет износ инструмента и приводит к его преждевременному разрушению. Режущие инструменты из WC-Co широко применяются в подобных условиях; при этом микроструктурная стабильность, характер распределения связующего кобальта и его износостойкость в значительной мере определяют эксплуатационные характеристики инструмента. В настоящей работе исследовано влияние продолжительности выдержки при глубокой криогенной обработке (ГКО) на трибологические свойства и микроструктуру концевых фрез из WC-Co. Материалы и методы. Инструменты из WC-Co изучались в трех состояниях: без обработки, после ГКО в течение 24 ч и после ГКО в течение 36 ч. Криогенную обработку проводили при −196 °C с последующим отпуском при 150 °C в течение 2 ч. Микроструктуру оценивали методами оптической микроскопии (ОМ), растровой электронной микроскопии (РЭМ) и энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) с акцентом на распределение зерен карбида вольфрама, непрерывность кобальтовой связки и пористость. Трибологические испытания выполняли на трибометре Ducom по стандарту ASTM G133; основными измеряемыми параметрами служили потери материала в процессе изнашивания и коэффициент трения. Результаты и обсуждение. Образец после 24-часовой ГКО показал наиболее равномерную мелкозернистую структуру WC, более гомогенное распределение кобальтовой связки по сравнению с необработанным образцом и меньшую пористость по сравнению с образцом после 36-часовой обработки. Указанные микроструктурные изменения обеспечили минимальные значения коэффициента трения (0,33) и потери материала в процессе изнашивания (0,138 г). Для необработанного образца коэффициент трения составил 0,40, потеря материала – 0,176 г, что выше соответствующих показателей обработанных образцов. Образец после 36-часовой ГКО занял промежуточное положение (коэффициент трения 0,37, потеря материала 0,157 г), это позволяет предположить снижение положительного эффекта криогенной обработки при увеличении продолжительности выдержки вследствие развития дефектов и микроструктурной неоднородности. Заключение. Установлено, что выдержка 24 ч является оптимальным режимом глубокой криогенной обработки для повышения микроструктурной стабильности, снижения трения и увеличения износостойкости режущих инструментов из WC-Co. Полученные результаты могут быть использованы для обоснованного выбора параметров криогенной обработки инструментов из WC-Co, применяемых при обработке труднообрабатываемых материалов, в частности титана.