автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование, разработка и получение градиентных инструментальных материалов на основе тугоплавких металлов и их соединений

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО - ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ТЕХНОЛОГИЯ" г. КОМСОМОЛЬСК - НА - АМУРЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ПОЛУЧЕНИЕ ГРАДИЕНТНЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СОЕДИНЕНИИ

Специальность 05.02.01 - материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандитата технических наук

НАУЧНЬЕ РУКОВОДИТЕЛИ: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор ВЕРХОТУРОВ А. Д.

кандидат технических наук, с.н.с. ФАДЕЕВ B.C.

На правах рукописи УДК 669.08.25:621.9.02.6.

ЧИГРИН ЮРИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

Благовещенск - 1999

- 2 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................. 5

Глава 1. Анализ свойств инструментальных твердосплавных, методов получения и упрочнения, механизмов изнашивания и разрушения при нестационарном резании................... 8

1.1. Свойства твердых сплавов, используемых при изготовлении металлорежущего инструмента......................... 8

1.2. Особенности изнашивания и разрушения инструментальных материалов с металлическими матрицами при нестационарном резании............................................ 11

1.3. Основные способы упрочнения твердосплавных инструментальных материалов..................:.. 'Г............... 34

1.4. Выводы. Постановка задач исследований................ 48

Глава 2. Методы экспериментальных исследований структуры, состава и физико - механических свойств градиентного инструментального твердосплавного материала............... 50

2.1. Материалы и оборудование, используемые при изготовлении градиентных инструментальных материалов на основе твердосплавной композиции................................. 51

2.2. Методы экспериментального исследования структуры, изломов и поверхностей инструментального твердосплавного материала от поверхности к объемам........................ 53

2.3. Методика металлографических исследований шлифов композиционных твердосплавных материалов.................. 57

2.4. Термографический анализ.............................. 58

2.5. Методики исследования физико - механических свойств градиентных инструментальных материалов на твердосплавной основе................................................ 59

2.6. Методики определения микромеханических свойств инструментальных материалов.................................. 61

2.7. Методика исследования трепданостойкости............... 64

2.8. Методика определения эксплуатационных свойств градиентного твердосплавного материала....................... 65

2.9. Методика анализа результатов экспериментальных данных....................................................... 66

Глава 3. Разработка физической модели формирования структуры, состава и свойств градиентного инструментального материала на основе WC-Co для процессов нестационарного резания.............................................. 68

3.1. Основные принципы конструирования структуры твердых сплавов.............................................. 68

3.2. Требования, предъявляемые к инструментальным материалам на металлической связке............................ 69

3.3. Обоснование выбора исходной твердосплавной композиции и упрочняющих фаз................................ 71

3.4. Выводы............................................... 91

Глава 4. Экспериментальные исследования структуры, состава и свойств инструментального твердосплавного материала с переменными физико - механическими свойствами от поверхности в объемы...................................... 96

4.1. Технологические аспекты постадийного получения градиентного инструментального материала на твердосплавной основе.................................................... 96

4.2. Фрактографические и рентгенофазовые исследования структуры и состава градиентного инструментального материала..................................................... 99

4.3. Исследование физико - механических и служебных свойств инструментальных материалов на металлической матрице с заданным градиентом свойств от поверхности к основе.................................................... 103

4.4. Выводы............................................... 108

Глава 5. Анализ экспериментальных исследований структуры и свойств градиентного инструментального материала на

твердосплавной основе и разработка технологического процесса его получения.................................... 110

5.1. Фрактографические и рентгенофазовые исследования градиентного твердосплавного материала.................... 110

5.2. Анализ исследований физико - механических и функциональных свойств градиентного инструментального материала..................................................... 112

5.3. Разработка технологического процесса получения градиентного инструментального материала и выявление управляющих технологических факторов формирования структуры, состава и свойств методом оптимизации.......... 114

5.4. Выводы............................................... 124

Глава 6. Анализ технико - экономической эффективности применения в производстве градиентного инструментального материала на основе WC - Со.......................... 126

6.1. Определение приведенных затрат на изготовление инструмента................................................. 126

6.2. Определение экономической эффективности изготовления инструмента, изготовленного по постадийной технологии..................................................... 128

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.............................................. 130

ЛИТЕРАТУРА................................................ 132

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................ 147

- 5 -ВВЕДЕНИЕ

Развитие новой техники и экономические проблемы современных предприятий обусловливают необходимость создания инструментальных материалов, обладающих высокой работоспособностью, надежностью и способностью сохранять свои служебные характеристики в широком диапазоне режимов обработки металлов резанием при снижении материалоемкости и себестоимости изделия.

В настоящее время, несмотря на определенные достижения в понимании физической природы прочности и износостойкости инструментальных материалов, в разработке методов расчета и прогнозирования свойств, служебных характеристик, важность этих проблем возрастает. Последнее обусловлено действием целого комплекса факторов, определяющих значимость работ, направленных на создание инструментальных материалов повышенной работоспособности.

Это связано, во первых - с широким внедрением нового поколения дорогостоящего технологического оборудования (ГПС, ГПМ), позволяющего обеспечить многократное повышение производительности труда, высокое качество и точность обработки, применением высокопрочных материалов, обработка резанием которых затруднена, и, как следствие, с увеличением термомеханических нагрузок на режущий инструмент; во вторых - с низкой эффективностью известных марок и составов инструментальных материалов, в том числе и твердых сплавов с защитными покрытиями [1-3].

Исследование поведения под нагрузкой (при эксплуатации) современных композиционных инструментальных материалов показывает существенную зависимость физико-механических и функциональных свойств от параметров структуры и состава и требует решения оптимизационных задач по управлению структурой данных композитов. В связи с чем, управление структурой композиционного инструментального материала на субмикро-, микро- и макроуровнях включает в себя как варьирова-

- б -

ние составом, объемным содержанием упрочняющих фаз и матрицы, так и макро-, микро- и субструктурными (дислокационными) механизмами упрочнения поверхностей и микрообъемов [12].

Анализ современных инструментальных материалов на металлической матрице показал, что уровень функциональных свойств инструмента, несмотря на значительные достижения как в области их разработки, так и применения, не соответствует в полной степени их потенциальным возможностям. Необходимы дальнейшие усилия в направлении синтеза новых инструментальных композиционных материалов, обеспечивающих повышенную работоспособность и стабильность их структуры и свойств, особенно для работы на современном технологическом оборудовании. Для успешного решения задач, связанных с проблемой работоспособности и надежности инструментальных материалов для процессов обработки резанием требуется комплексный подход с позиций материаловедения и физики металлов с привлечением тонких физических методов исследования структуры и микромеханизмов разрушения и упрочнения.

В связи с вышеизложенным, работа направлена на решение задачи создания инструментальных материалов на металлической матрице с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами для процессов обработки металлов резанием.

В работе рассмотрены вопросы исследования структуры, состава и свойств, изучены микромеханизмы упрочнения композиционных материалов на металлической матрице с привлечением современных физических методов исследования. С позиций механики разрушения, с учетом структурно-энергетических и термодинамических аспектов формирования материалов разработаны новые способы получения композиционных твердых сплавов с заданным градиентом свойств от поверхности вглубь основы.

Цель работы. Целью данной работы является исследование, разработка и получение градиентных инструментальных материалов на основе тугоплавких металлов и их соединений.

- 7 -

Научная новизна заключается в:

1. Разработанной физической модели формирования структуры, состава и свойств градиентного материала на Со-основе с высокими режущими и физико-механическими свойствами для процессов обработки металлов резанием.

2. Предложенных на основании анализа механизмов упрочнения и разрушения принципах выбора фаз для инструментальных материалов с переменными физико-механическими свойствами.

3. Исследовании закономерностей синтеза твердосплавного материала с переменными свойствами от поверхности к объемам на основе №С-Со с легирующими добавками (И; (Сг)).

4. Исследовании оптимальных структур в зависимости от физико-механических и служебных свойств, как в поверхностных слоях, так и в объемах полученных градиентных инструментальных материалов.

5. Выявлении основных технологических факторов, определяющих формирование структуры, состава и свойств градиентного материала.

6. В разработанном способе получения инструментального материала на твердосплавной основе с переменными свойствами от поверхности к объемам.

Глава 1. Анализ свойств инструментальных твердосплавных материалов, методов получения и упрочнения, механизмов изнашивания и разрушения при обработке металлов резанием.

1.1. Свойства твердых сплавов, используемых при изготовлении металлорежущего инструмента.

Развитие новой техники и в связи с этим интенсификация процессов обработки резанием и давлением выявляют необходимость создания инструментальных материалов, обладающих повышенной работоспособностью, надежностью, способностью сохранять свои служебные характеристики в широком диапазоне режимов обработки металлов.

За последние десятилетия разработано очень много марок твердых сплавов, нашедших применение в металлообрабатывающей промышленности, металлургии, горнодобывающей отрасли. Основная доля до 70 % Е31 объема твердых сплавов идет на изготовление режущих инструментов. Комплекс ценных свойств, присущих твердым сплавам, таких как: высокие значения твердости (HRA 82 - 92), модуль упругости (500 - 700 ГПа), предел прочности при сжатии (до 6.0 ГПа) в сочетании с высокими параметрами сопротивления изнашивания, электро- и теплопроводностью, стойкостью против окисления (до 1000° С) - являются важными преимуществами твердых сплавов перед другими инструментальными материалами.

При изготовлении СМП применяют твердые сплавы четырех групп в зависимости от состава их карбидной основы: вольфрамокобапьтовые (ВК), титано-вольфрамовые (ТК), тантало-титано-вольфрамовые (ТТК) и безвольфрамовые (БВТС) [3-8].

Наиболее широкое промышленное распространение при лезвийной обработке металлов и сплавов получили сплавы марок ВКб, ВК6М, ВК8, Т5К10, Т14К8, Т15К6, ТТ10К8Б, ТТ7К12 и некоторые другие [3,8].

Состав, физико-механические и теплофизические свойства указанных твердых сплавов приведены в таблице 1.1.

Предел прочности на изгиб - один из основных показателей, используемый при оценке механических и эксплуатационных свойств сплава, применяется при производственном контроле. Прочность сплава зависит от многих технологических факторов: количество цементирующей фазы, остаточной пористости, размеров зерен карбидной фазы, избытком или недостатком углерода и др. [8,103.

Модуль упругости твердых сплавов почти в три раза выше, чем у быстрорежущей стали; при этом модуль упругости сплавов групп ТТК и ТК несколько ниже, чем у сплавов группы ВК и уменьшается с повышением содержания карбида титана и кобальта [3,7].

Предел прочности при сжатии твердых сплавов групп ТК и ТТК снижается с увеличением содержания кобальта в сплаве. Для групп ВК бСж имеет экстремальный характер с максимумом при содержании кобальта в сплаве 4.5 - 6.0 % (по массе). Кроме того, предел прочности при сжатии уменьшается при увеличении зерна карбидной фазы. В отличие от предела прочности на изгиб бсж менее чувствителен к дефектам структуры твердых сплавов (остаточная пористость, структурносвобод-ный углерод - в пределах 0.1 - 0.6 % (объем.).

Коэрцитивная сила, характеризующая магнитные свойства твердых сплавов, обусловлена степенью напряженного состояния кобальтовой фазы (количеством растворенных элементов карбидной фазы в связке) и толщиной прослоек данной фазы. Поэтому значение коэрцитивной силы служат косвенным показателем зернистости сплава и используется при производственном контроле. Кроме того, по значениям коэрцитивной силы можно определять содержание кобальта в сплаве, т.к. содержание кобальта влияет на толщину прослоек в-фазы: чем выше содержание кобальта, тем ниже значение коэрцитивной силы [3,83.

Ударная вязкость отражает эксплуатационные качества сплавов, применяющихся в условиях ударной нагрузки. Абсолютные значения

Таблица 1.1.

Состав,%(мае) Физико-механические и теплофизические свойства

Сплав WC Т1С ТаС Со Твердость ША (не менее) Плотность Р-Ю", кг/м Предел прочности при изгибе биЗ Г) МПа Предел прочности при сжатии беж* МПа МОДУЛЬ Упругости Е,ГПа Ударная вязкость се, кДж/м Коэрцитивная сила Нс, кА/м Удельное злект-ротивл ц,0м • см Коэффициент термического расширения «•10" , 1/К Теп-лопро-водность А, Вт м*К

ВК6М 94 — — 6 90.0 14.8-15.1 1421 4910 645 26.0 15.5-19.9 23.4 4.4 64.0

ВК6 94 — — б 88.5 14.6-15.0 1519 4390 640 21.0 10.3-15.1 19.2 4.9 62.8

ВК8 92 — — 8 87.5 14.4-14.8 1666 4210 610 30.0 8.0-14.3 18.6 5.1 56.0

Т5К10 85 6 — 9 88.5 12.4-13.1 1421 4100 550 8.8 7.2-11.1 28.5 5.5 20.8

Т14К8 78 14 — 8 89.5 11.2-11.6 1274 4200 520 7.8 8.0-13.5 42.0 6.0 16.7

Т15К6 79 15 — 6 90.0 11.1-11.6 1176 4300 520 6.9 9.5-15.1 46.0 6.5 12.5

ТТ10К8В 82 3 7 8 89.0 13.5-13.8 1617 490 7.8 8.0-11.1 5.5 16.7

ТТ7К12 81 4 3 12 87.0 13.0-13.3 1666 4100 550 8.8 4.8-8.0 5.6 20.9

ТТ8К6 84 8 2 6 90.5 12.8-13.3 1323 5.2

I

0

1

ударной вязкости весьма существенно зависят от методики испытаний и имеют большой разброс значений даже в случае испытания образцов одной партии изготовления на одном и том же приборе [73. Величина ударной вязкости в большей степени, чем бИзг, зависит от дефектов структуры сплавов: пористости, графита, крупных зерен WC и их скоплений. Ударная вязкость увеличивается с ростом содержания кобальта в сплаве, а при одинаковом содержании кобальта она выше у сплавов группы ВК [103.

Как видно, вышеназванные свойства твердых сплавов, используемые в технологическом контроле производства инструмента, структурно чувствительны, т.е. являются функцией отклика состояния структуры и состава сплавов на макроуровне. Работоспособность режущего инструмента может быть существенно повышена за счет изменения структуры и состава твердосплавного материала либо во всем объеме [103; либо в поверхностных и приповерхностных слоях [113, когда рабочие площадки МРИ способны наиболее эффективно сопротивляться изнашиванию и разрушению, а объемы материала должны сохранять свою несущую способность. Решение данной задачи возможно за счет применения упрочняющих технологий.

1.2. Особенности изнашивания и разрушения инструментальных материалов с металлическими матрицами при нестационарном резании.

Увеличение объемов машиностроительного производства при непрерывном повышении номенклатуры обрабатываемых деталей, качества выпускаемой продукции и сокращении общего количества операторов, вызвало форсированное развитие станков с числовым программным управлением (ЧПУ), в том числе многоцелевых и гибких производственных модулей на их базе.

Отличительной способностью технологического оборудования гибких

производственных систем (ГПС) состоящего из многоцелевых, агрегатных и специальных станков является возможность комплексной обработки деталей, при обеспечении высокопроизводительного и точного выполнения различных способов лезвийной и абразивной обработки резанием (сверление, точение, шлифование, фрезерование и т.п.). По сравнению с традиционными станками многоцелевые станки характеризуются: высоким уровнем автоматизации; повышенной точностью; высокой производительностью за счет повышенной жесткости, мощности и скорости привода главного движения.

Учитывая высокие затраты на инструментальное обеспечение ГПС (12-15 % от стоимо