автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Исследование ударного изнашивания разделительных штампов и повышение их стойкости лазерным легированием

СО

¿г

С1,

Па праиа\ р\копией

Жостик Юрий Владимирович

Исследование ударного изнашивания разделительных штампов и повышение их стойкости лазерным легированием

05.02.04 - Трение п и знос в машинах 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск 1998

Работа выполнена в Брянской государственной инженерно-технологической академии

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Памфилов Евгений Анатольевич Научный консультант: кандидат технических наук

Инютин Владислав Петрович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Харченков Владимир Семенович кандидат технических наук, доцент Погонышев Владимир Анатольевич Ведущее предприятие: ОАО "Термотрон

Зашита состоится "31" марта 1998 года в" 1У6К> " на заседании диссертационного Совета Д 063.28.01. Брянского государственного технического университета по адресу: 241035. г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября. 7. БГТУ, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянского государственного технического университета.

Автореферат разослан " 2А " _1998 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профессор

В.П.Тихомироп

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Надежность, долговечность и эффективность работы различных инструментов в значительной степени определяются процессами, происходящими в зоне фрикционного контакта. При этом до 80 "и выхода из строя да алей машин и инструментов происходит вследствие износа.

Среди мноюобразия инструментов особыми условиями работы выделяю 1 ся разделительные штампы, матрицы и пуансоны которых подвфтаются ударному натруженпю. действию высоких контактных давлений, доспи аюших 1500 МПа при скоростях деформирования 0,1-5,0 м/ с. Это приводи 1 к значительному износу, а зачастую и выкрашиванию рабочих участков ппампов. что резко сокращает период их нормальной эксплуатации.

Исследования, выполненные российскими и зарубежными учеными в облает кошактною взаимодействия твердых тел и их износа, позволили установим. влияние физико-механических свойств и параметров шероховатости поверхностей на эксплуатационные свойства контакта. О. шако указанные исследования проводились в большинстве случаев без учета свойственного реальным механизмам динамического воздействия. Таким образом, существует необходимость изучения комплекса факторов, определяющих интенсивность изнашивания и поверхностного разрушения режущих кромок ппампового инструмента, исходя из фактических условий их фрикционного взаимодействия. Одновременно необходим поиск оптимальных решений, направленных на повышение их работоспособности.

ю же время выбор и использование для изготовления штампового инструмента новых обьемно-легированных сталей или композиционных ма1ериалов лимитрусгся их стоимостью и дефицитностью, поэтому целесообра зно проведение исследований, нацеленных на повышение стойкости ш К1М1ЮВ01 о инструмента упрочнением рабочих поверхностей.

В пасюяшее время для повышения износостойкости рабочих элементов ра¡делиIс.тьпыч ппампов применяются такие способы химико-термической обработки, как цементация. азотирование. питроцемептация. К их педоекпкам следует- ошесш большую оперт оемкосп,. длительность ттроцессов п. в конечном счете, незначительность эффекта \ прочнепня.Применение вакуумш.тх ионно-плазменпых покрытий для данных цела"! отрапичепо сложностью техполот ического процесса и узким диапазоном рабочих тип рузок. Лазерное летнроваиие вследствие ряда и шестых особенностей наиболее перспективно как с технологической точки зрения, шк и по степепп повышения работоспособности исследуемых инструменте в условиях сложною динамическою пагружения. Однако, применение лазерпо! о да проваппя в промышленности сдерживается недостаточной изученностью физико-химических процессов, протекающих в

зоне лазерного воздействия, и отсутствием данных о динамической поверхностной прочности подобных покрытий для условий работы штампового инструмента, что обусловливает актуальность проводимых исследований.

Цель работы. Исследование закономерностей ударного изнашивания покрытий, получаемых различными методами поверхностного упрочнения и разработка эффективных способов повышения стойкости рабочих элементов ударно-штампового инструмента. Задачи исследований.

1. Изучение кинетики деформирования и поверхностного разрушения штамповых сталей при ударных нагрузках.

2. Анализ разрушения твердых покрытий при ударном нагружении.

3. Разработка критерия износостойкости на основе инженерно-теоретической модели ударного изнашивания твердых покрытий.

4. Исследование ударного изнашивания покрытий, получаемых различными технологическими способами.

5. Разработка научных основ создания лазерных покрытий, износостойких при ударном нагружении.

6. Создание новых составов для лазерного легирования и изучения их свойств.

7. Разработка основ технологии лазерного легирования рабочих элементов разделительных штампов и выработка рекомендаций по ее использованию в промышленности.

Научная новизна. На основе изучения кинетики деформирования и поверхностного разрушения твердых покрытий предложен критерий износостойкости, устанавливающий связь ударного изнашивания с микротвердостыо и критическим коэффициентом интенсивности напряжений.

Разработана новая технология диффузионного боросилицирования, позволяющая значительно повысить динамическую поверхностную прочность конструкционных материалов.

Обоснованы новые составы лазерного легирования, позволяющие получать износостойкие твердые покрытия.

Практическая значимость работы определяется следующим:

- разработаны производственные рекомендации по повышению износостойкости матриц и пуансонов разделительных штампов путем создания на их рабочих поверхностях упрочняющих покрытий на основе соединений бора, кремния и углерода при воздействии лазерного излучения; обеспечено внедрение выработанных рекомендаций в производство, в результате чего достигнуто повышение износостойкости рассматриваемых инструментов в 1Д..З раза.

Реализация работы. Способ комбинированного лазерного упрочнения и технология лазерного легирования внедрены на заводе "Электродеталь" и Брянском заводе технологического оборудования с

экономическим эффектом 44 тыс. рублей.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-практической конференции "Теория и практика создания, испытания и эксплуатации триботехнических систем (г.Андропов, 1986); Всесоюзной научно-технической конференции "Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки ма териалов" (г.Брянск.1986 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Обеспечение надежности узлов трения машин" (г.Ворошиловград, 1988 г.); научно-техническом семинаре "Повышение триботехнических свойств деталей машин и инструментов ионно-лучевыми и другими технологическими способами (г.Брянск, 1988 г.); 2-й Международной научно- технической конференции "Износостойкость машин" (г.Брянск, 1996 г.).

Пу бликами И. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 научных работ, получено 7 авторских свидетельств на изобретения.

Структура работы. Диссертация состоит нз введения, шести 1лав, основных выводов, списка литературы из 150 наименований, приложения в виде двух актов внедрения,содержит 42 фотографии и графика, 7 таблиц.

Содержание работы

Введение включает обоснование актуальности темы и основные положения работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы стойкости разделительных штампов.

Стойкость разделительных штампов определяется конструкторско-технологичсскими факторами и условиями естественною поверхностного разрушения, вызванного динамическим характером приложения нагрузки. Этот процесс прежде всего обусловлен напряженно-деформированным состоянием в зоне контакта пуансон-заготовка-матрица, а также физико-механическими свойствами контактирующих материалов. Под действием ударно-циклических нагрузок происходит интенсивное накопление остаточной деформации режущих кромок во времени, что сопровождается значительным ис тиранием рабочих поверхностей за счет ударно-усталостного изнашивания.

Исследования ударного изнашивания во всех его формах и проявлениях были начаты в нашей стране в 60-х годах В.Н.Виноградовым, Г.М.Сорокиным, затем продолжены в работах Б.Р.Матвеевского. Е.А.Памфилова, Л.И.Погодасва, Ю.В.Колесникова, Т.А.Полянской.

Наиболее полно изученным в настоящее время является ударно-усталостное изнашивание, реализуемое по механизму многоцикловой усталости. При попадании в зону контакта твердых частиц (пыль, частицы вырыва мостиков адгезионной связи, фрагменты выкрашивания,

сцементированные пластинки износа) возникает изнашивание в его наиболее разрушительной форме - ударно-абразивное, реализуемое но механизму малоцикловой усталости.

Однозначной зависимости между износом и отдельно взятой механической характеристикой не существует. В производственной практике необоснованно считается, что повышение твердости рабочих поверхностей является достаточным для повышения стойкости штампов. Однако исследованиями Г.М.Сорокина показано, что зависимость потери массы от твердости при ударно-абразивном изнашивании, так же как и при ударно-усталостном, претерпевает излом в области вязко-хрупкого перехода. Именно поэтому на необходимость использования критического коэффициента интенсивности напряжений, определяющего сопротивление материала развитию магистральной трещины, в расчетах на износ и поверхностное разрушение указывают С.Н.Бобров, Н.А.Буше, Ю.Н.Дроздов, Б.А.Памфилов, Ю.В.Колесников и другие авторы.

Анализ условий работы рабочих элементов разделительных штампов выявил ведущий механизм изнашивания - ударно-усталостный и показал необходимость применения технологических способов повышения поверхноежои прочности штамповых сталей, обеспечивающих не только высокую твердое il. и ударную вязкость, но и достаточную грешиносгойкосгь.

Наиболее применяемой в произволе! венной практике является химико-термическая обрабогка (ХТО): цементация, азотирование, цианирование, хромирование, борирование. Все эти варианты ХТО повышают поверхностную твердость, а при малых контактных давлениях -износосюйкость. В последнее время широкое распространение получают ноппо-лучевые мсюлы поверхностной обработки инструментов, в частности нанесение ионно-плазменных покрытий и лазерное облучение.

Однако специфика данных методов накладывает ряд ограничений на использование их для упрочения рабочих элсмешов раздели 1сльных ииампов.

Проведенный анализ показал, что наиболее перспективным для повышения иэпососюйкосп! \iaipiin и пуансонов являск'я способ лазерной хпмико-1ермпческой обработки (лазерное легироваппе). Большой вклад в îcxno.ioi ию лазерпою .ici ирования и понимания физической суш явлений этот процесса внесли .'КП.Мпркип. А.Г.Григорьяпц. Г.А.Абильсииюв. А.Н.Сафонов. lO.M.Jlaxniii. В.С.Коваленко. А.А.Уктов. В.В.Ковалевский.

Механизм лазерною .'ici ирования ввиду ci о сложное! и може! бы п. описан в первом приближении следующим образом: расплавление лш апры и \iaipii4iioio Maiepua.ia. взаимное их копвекiпвное движение, высокоскоростная диффузия, прок'капис сложных химических [Реакций, сверхбыстрое охлаждение с возможным образованием аморфоподобпых с 1 р\кI>р. Полому при разрабо1ке |верды.\. kik называемых лазерных покрышй. необходим комплексный подход.учи i ываюшип как режимы лазерной oôpaôoïKii. kik h соскпш .ici прующнх компоиеиюв. способы их

нанесения применительно к конкретным условиям работы инструмента.

По мнению мпотих авторитетных ученых в облает триботехники и фнзикохимических методов обработки материалов, лазерное легирование является одним из перспективпыхлто недостаточно изученных технологических способов повышения эксплуатационных свойств инструментов и деталей машин.

На основании проведенного анализа сформулирована цель работы и поставлены основные задачи исследовании.

Во второй главе приведены методы исследований, оборудование и используемые материалы.

В качестве объекта исследований при проведении постановочных экспериментов использовались нормализованная сталь 20 и закаленная сталь 45. которые широко применяются в качестве модельного материала в различных экспериментах и о свойствах которых накоплено в литературе достаточно сведений для сравнения. В качестве основных материалов исследований применялись сча.ти У8 и Х12М. прошедшие закалку и низко[смпературный отпуск по технологии изготовления пггампового инструмента. 1 1спытуемые образцы представляли собой цилиндры различно) о диаметра и длины со шлифованными до Яа=].25 мкм рабочими торцами.

Легирующие элементы вводились в состав обмазок в виде мелкодисперсных порошков на основе связующею. Химико-1ермичеекую обработку проводили из обмазок при нагреве в муфельных электропечах и токами высокой частоты. Нанесение ионно-плазменных покрытий на основе нитрида титана осуществлялось на установках вакуумпот о напыления "Пуск-77" и "УВН11ПА-1 -001" по аандаргной 1ехнологии.

Лазерное термоупрочпенис и легирование проводилось на технологической лазерной установке "Кванг-КХМ". работающей в режиме свободной генерации иа длине волны /. = 1.06 мкм. Зона лазерного воздейавия представляла собой прямоугольное пяпю размером 1.5x4 мм. Варьировались такие пара моры лазерной обработки, как плотность энер! ни и длительность импульса.

Металлографические исследования проводились на металлографическом микроскопе МПМ-8. МБС-2. Микрот вердость измерялась па микро1вердомсрс ПМТ-3. Ренп еносфукгурный анализ проводили на дпфрактомефе ДРОН - 2.0.

Ударные испьпапня осуществляли на разработанной совместно с Ю.В.Колесниковым установке, имитирующей условия работы реальных штампов. Критериями оттенки поверхностной прочности и износостойкости являлись диаметр оскиочнот отпечатка (остаточная деформация), число поверхностных радиальных фешии, их средняя длина, относительная потеря массы образцов.

В третьей главе приведены результаты исследований механизмов деформирования и разрушения штамповых материалов и твердых покрытий

па них при ударном mu ружснии.

PaccMOipciiiic характера изменения кошактпых деформации от числа циклов ударно-пикдическо1 о nai ружснии пока чало, чю для с i алей У8 и X12М кривая роек: условно можгм бьиь разбит на три учас1ка. На первом, пока ма1сриал обладас! дос i a i очной пластичностью, идем ингспсивное накопление деформации, за i см па в юром учас1кс происходи! стабилизация, и на трсм.ем, koi да исчсрги>1вас1ся упрочнение, начинаемся 01слоепие части поверхпосш. приводящее за ! ем к значительному выкрашиванию и возможному разрушению образца. Увеличение кинетической энергии удара ишснсификпруе! процесс зарождения трещин. Распроарансние и пересечение радиальных и дуговых грсишн приводи: к образованию фра!.менюв выкрашивания. Эю по/иверждает необходимоеп, создания на поверхпосш упрочняющих покрышй. тормозящих процесс накопления остаточных деформаций и трсщинообразованис.

Однако если в понимании процессов динамическою повсрхностою разрушения различных однородных материалов досшгпуг определенный прогресс, ю изучение динамической поверхностной прочност материалов с покрышями еще только начинается, и поэтому на предварительном этапе исследований необходимо было выяснить, как происходит в эшх условиях процесс трешипообразования и фрагментации твердых покрытий.

В результат проведенных исследований было установлено, чю после контактного удара на поверхности покрытия остается отсчаюк диаметром d. за ipanuneii коюрого образую 1ся радиальные [ретины и незначительное число дутовых диаметром (l...l,3)d (рис.1). Было обнаружено, чю до определенной эпер! пи скорость прироста длины трещины jвеличиваеюя. а затем она стабилизируемся (рис.2). Эгог уровень энергии соогвсчавует i дубине внедрения инденюра. сопоставимой с юлшипой покрытия, поэюму линейная чаек, i рафика I cooiBeiciByer процессу деформирования гюкры шя совместно с основным ма 1ерпалом. Более преде 1авптельпой хараклериешкои являемся нормированная длина радиальной фешины. косвенным образом показывающая ошошеннс чает энер1 пи удара, за траченной па разрушение,к част энергии, расходуемой на пластическое деформирование.

Рис. 1. Вид

I . контакшой зошл и

. . фрагмента

ч ' ' выкрашивания при

; • г различной базе

" _ испытаний ударно-

а 0 циклическою

; _ . nal ружения:

; ' • - > - • " . • а. б - 1(1(1 циклов: в.

Z' ' «• . г - 5000 циклов

v

I»:

У?-.

Мг

о / 2 з

Рис.2. Изменение длины радиальной трещины (1) и ее нормированной длины (2) от энергии однократного контактного удара Было установлено, что энергия, необходимая для отделения фрагмента разрушения с поверхности покрытия, примерно равна энергии, накопленной в результате многократного нагружения до отделения подобного фрагмента. По изготовленным шлифам была выяснена картина развивающегося в сечении покрытия разрушения: при малых энергиях удара дуговая трещина локализуется на границе контактной зоны отпечатка и. искривляясь, распространяется в глубь покрытия, не превышая по своим размерам его толщину. При больших энергиях дуговая трещина находится на некотором удалении от границы контактной зоны (рис.3). При многократном контактном нагружепии картина разрушения аналогична, а увеличение числа циклов приводит к стабилизации процесса трещипообразовапия в пределах толщины покрытия, сохраняя при этом его работоспособность.

Таким образом, проведенные исследования наметили пут ь к пониманию механизма разрушения твердых покрытий при ударных контактных нагрузках и позволили приступить к разработке инженерно-теоретической модели ударно-усталостного изнашивания материалов с твердыми покрытиями. При рассматрении реального механизма контактирования в начальный момент как локального, из-за особенности геометрии рабочих поверхностей матрицы и пуансона, и основываясь на представлениях механики контактного разрушения, был предложен критерии износостойкости для твердых покрытий:

(1)

где п = (1.33...4.0) - показатель, зависящий от геометрии контакта.

в

Рис.3. Общин вид радиальной трещины (а) и начинающейся фрагментации {б, в) в сечении покрытия

Проведенный теоретический анализ показывает, что в расчетах на износостойкость твердых покрытий необходимо использовать не только микротвсрдость Н, как делалось ранее, но и важную характеристику механики разрушения материалов К|г - критический коэффициент интенсивности напряжений.

В четвертой главе рассматриваются различные технологические способы повышения поверхностной прочности штамповых сталей.

Нанесение иопно-плазменных покрытий на основе нитрида титана ввиду малой его толщины (до 10 мкм) применимо для условий низкоэнергетического нагружения. Поверхностное разрушение таких покрытий проявлялось в виде сетки радиальных трещин вокруг контактно] о отпечатка при ударе. В результате исследований установлено, что наиболее оптимальным с точки зрения рабоил элементов штампа является нанесение на них покрытий толщиной 5 мкм. При этом кош акт пая деформация может быть снижена более чем на 20 "<>. Однако повышение плотности энергии деформировання приводи 1 к растрескиванию, а затем и выкрашиванию покрытий. Полому такие покрытия мотут быть рекомендованы лишь для условий эксплуатации в узком диапазоне пизкоэиертегичсских ударных нагрузок.

Среди различных вариантов химико-термической обработки

наибольший интерес с точки зрения повышения динамической поверхностной прочности представляет боросилипирование, поэтому была предпринята попытка создания технологии печного.а также с нагревом ТВЧ диффузионного боросилицирования.

Результаты испытаний свидетельствуют о следующем: наилучшие диффузионные покрытия можно получать с помощью ТВЧ из обмазок оптимального состава - смесь 60 "<> буры и 40 "» карбида кремния. Такие диффузионные покрытия показали наилучшую рабо тоспособность в условиях действия контактных динамических нагрузок. Однако необходимо дальнейшее изучение данного метода получения покрытий с целью совершенствования технологического процесса.

Общий заключительный вывод состоит в том, что для получения твердых высокопрочных покрытий целесообразно привлечение мощных высокоскоростных источников нагрева, к которым в настоящее время относятся лазерные.

В ПЯТОЙ главе освещается разработка новых износостойких покрытий с помощью лазерного легирования.

Принципиально новые возможности в практику поверхностного упрочнения материалов вносит лазерная химико-термическая обработка (ЛХТО) или лазерное легирование. Однокомпонентное лазерное легирование сталей, в частности бором, хотя и позволяет значительно повысить микротвердость поверхностного слоя, по вместе с тем увеличивает его хрупкость. В решении проблемы наметились два пути. Первый заключается в многокомпонентном, как минимум двухкомпонентном, легировании элементарными компонентами типа. Другой путь заключается в получении на поверхности сталей под воздействием лазерного излучения композиционных покрытии ни базе твердых тугоплавких соединений типа карбидов, нитридов и боридов при непосредственном введении последних в зону расплава.

Поскольку рентгеноструктурный анализ образующихся фаз при лазерном легировании из обмазок сложного состава затруднен, были проведены модельные исследования на базе составов, включающих элементарные компоненты (Б!. С), а также Бт'С. На предварительном этапе исследований была предпринята попытка прямого синтеза частиц карбида кремния и их равномерного распределения в поверхностном слое железной матрицы за счет лазерного проплавления обмазки, содержащей кремний и углерод. Полученные результаты (рис.4) свидетельствуют о невысокой деформационной сгойкоаи поверхности с покрытием при многократном ударном нафуженип. Реппеноструктурный анализ показал.что в описанном случае присходиг процесс лазерной цемен тации и поверхпоет пый слой сое 1 опт из мартенсита (рис.5). Мпкротвердость на поверхности такою покрытия колеблется и составляет 650...1410 . на самом покрыши наблюдаются следы неравномерное!и проплавления.

5 Ш

5-Ю Ю'

5 Юг ЮЪ

N циклов

Рис.4 Зависимость роста остаточных контактных деформаций ог числа

циклов ударного нагружения: I - нормализованная сталь; 2 - легирование кремнием и уллеродом; 3 - легирование карбидом кремния; 4 - легирование кремнием и карбидом кремния.

Рис.5. Профиль рентгеновских линий после лазерного легирования из различных составов: а - кремний и углерод; б - карбид кремния: в - кремний

и карбид кремния.

В результате анализа (рис.5)усыновлено, что на поверхпосш образцов. .ici ированных из обмазки, содержаще!! карбид кремния, отмечается наличие исходного ли ируюшсго элемента. При л ом линия (НО) сильно искривлена, чю свидетельствует о значительных искажениях кристаллической решетки и наличии твердых растворов. Микротвердое п. поверхности полученного покрытия распределена крайне неравномерно и составляет 890...2210. Поверхность покрытия хороню сопротивляется однократным динамическим нагрузкам (рис.4), однако из-за неравномерности ею физико-механических свойств остаточная контактная деформация на базе 5 тысяч циклов становится уже сравнимой с деформацией сини без покрытия.

Для создания гомогенной структуры нокрьиня в исходную обмажу, содержащую карбид кремния, необходимо дополнительно вводим> связку, которая незначительно отличается от пето по своим физико-механическим свойствам. Проплав.тение такого состава должно способствовать созданию композиции, в которой отдельные зерна карбида кремния равномерно цементированы относительно вязкой составляющей. В качестве такой связки был выбран кремний, который обладает хорошей пот лаща т ельной способностью лазерной энергии и жидкотекучестыо. Полученные в результате покрытия обладают высокой динамической прочностью как при однократном, так и при многократном нагруженни (рис.4).Фазовый анализ такого покрытия (рис.5, в) показывает, что кроме наличия карбида кремния происходит образование ферросилпцида FcSi,. Микротвердость поверхности выравнивается и составляет 1780 - 2340.

Таблица I

Результаты исследований трещиностойкости лазерных покрытии при ударно-циклическом нагруженни.

Со став Содержание, мае. % в состава Микротвердость, Радиальные трещины К 1С 5 х 10"*

Силикомар-ганец Карбид кремния Оксид никеля Пор отпечатка, мм Кол-во Средня» длина, мм

I - - - ТОО Ш0-20Ю 0,861 8 0,468 тл 0.2

2 20 ТО 2 Остальное 1230-1950 0,861 7 0,588 0.7 0.1

3 25 12 4 1310-21.30 0,847 6 0,431 1,2 0,2

4 28 15 6 1520-2580 0,806 2 0,417 4,3 1,7

5 34 20 10 1520-2580 0,750 1 0,396 9,3 6,0

6 40 25 12 1520-2580 0,806 1 0,396 7.0 3,8

7 45 30 15 950-1410 0,807 1 0,431 6,4 3,6

8 26% SiO, + 14% В;0, + 60% SiC 1Ш (средняя) 0,750 4 0,325 3,5 1.0

Рис. 6. Зависимость износостойкости покрытий при ударном нагружении от прочпосшог'о критерия (Номера покрытий соответствуют таблице 1)

Таким образом, из проведенных исследований следует вывод, чю при разработке составов лазерного легирования на основе карбида кремния необходимо введение компонешов.совместимых с последним по физико-химическим свойствам. При этом необходимо учитывать, что при лазерном проплавлеиии должны возникать пластифицирующие соединения, цемен гирушис карбид кремния.

Протекающие при лазерном воздействии химические реакции носят термодинамически неравновесный характер, однако в первом приближении возможно прогнозирование образования тех или иных соединений. В результат с физико-химическот о анализа был разработан состав для лазерног о карбоборосилицирования. с целью получения покрытий, обладающих повышенной грсппптостойкостыо при ударных нагрузках (а.с. 1636476). Анализ данных, (табл.1) показывает, что использование указанною состава позволяет повысить трсщиностойкость обработанных стальных изделий в 24 раза.

Проводились исследования по ударно-усталостному изнашиванию покрытий, полученных на основе приведенных в табл. 1 составов, с це.тыо ранжирования их по износостойкости. Предварительно осуществлялись испытания по определению грсшиносгойкости покрытий (критическою коэффициента интенсивности напряжений К ) контактным методом. Полученные результаты сведены в таблиц}' 1 и находятся в хорошем соответствии с данными фундаментальною справочника но свойствам твердых соединений. Как и следовало ожидать, наилучшие показатели фодемонстрировал состав Л': 5, хорошие - близкие по лигатуре составы № 1 и № 7. На основе этих данных по формуле 1 определялся прочностной критерий 5. значения которою также занесены в табл. 1, Экспериментальные танные представлены на рис.6. Корреляция оказалась достаточно приемлемой. Гаким образом, введенный прочностной критерий может служить мерой

износостойкости при оценке свойств разрабатываемых лазерных покрытий.

Штампы, обработанные по технологии лазерного борокарбосилицирования с применением последнего состава, также прошли производственные испытания и внедрены в промышленности.

В шестой главе приведены технологическая инструкция и технологический процесс лазерного легирования рабочих элементов разделительных штампов с приложением актов внедрения.

Внедрение технологии лазерного легирования рабочих элементов разделительных штампов составами на основе карбида кремния позволило повысить срок службы последних в 1.5...3 раза и получить экономический эффект в размере 44 тыс.руб.

Основные выводы

1. В результате литературного обзора и предварительных исследований установлено, что ударно-усталостное изнашивание режущих кромок является основным механизмом износа рабочих элементов разделительных штампов. Одновременно показана возможность повышения их износостойкости путем нанесения упрочняющих покрытий с заданным комплексом физико-механических характеристик.

2. На основе изучения кинетики деформирования и поверхностного разрушения штамповых сталей при ударных контактных нагрузках установлено, что накопление контактных деформаций с увеличением числа циклов пагружения подчиняется степенному закону. Исчерпывание запаса упрочнения приводит к поверхностному выкрашиванию.

3. Установлено, что разрушение твердых покрытий при ударном шнружепии происходит за счет слияния дуговых и сегменговидпых в плане радиальных трещин. При многократном нагружении картина разрушения аналошчпа. а увеличение числа циклов приводит к стабилизации процесса трещинообразовапия в пределах юлшины покрьпия, сохраняя при эгом ею работоспособное и,.

4. В резулыаге анализа ипженернотеоретической модели ударно-ус 1 алоеi кого изнашивания 1вердых покрытий предложен критерий innococi ойкосгн, устанавливающий ее связь с микро i вердос i ыо и кршичсскн.м корффппиентм шпененвпост напряжений.

5. Вакуумные иопно-плазменпые гюкрытя па основе ширила пиана Moi \ I бьпь (рекомендованы для нпзкоэпер!ешческих условий эксп.туактпн в узком днапа johc ударных копгакшых nai рузок.

6. Во {можно ol ранпченное применение ятя повышения п hiococioükoci и пиамиовою ппечрумеша. ввиду сложноеш обеспечения icxiuxionpieiKoi о иропееса.,ин|х])\ ¡ионных покрышй па основе карбида кремния.

7. РенпепоеIрукiyрный анализ лазерных гюкрьппй сложно! о соскпза выявил наличие ipy.nio идеи !н(|)ннируемыч фаз и пока'.ал необходимоеп>

применения физико-химических методов анализа при разработке составов лазерного легирования. Оптимальными в плане повышения динамической износостойкости определены лазерные покрытия на основе карбида кремния с дополнительными функциональными добавками.

8. Определены оптимальные режимы лазерной обработки боросилицированых покрытий и лазерного боросилицирования, позволяющие повысить долговечность разделительных штампов. Причем для лазерного боросилицирования оптимальным является следующий режим: плотность энергии 10 МДж/м2, длительность импульса 8 мс при 50 % перекрытия зон лазерного воздействия.

9. На основе проведенных исследований разработаны новые составы лазерного легирования, повышающие ударную прочность и износостойкость штамповых сталей.

10. Разработан типовой технологический процесс лазерного легирования рабочих элементов разделительных штампов, позволяющий повысить их долговечность в 2-3 раза.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Жостик Ю.В.,Инютин В.П.,Колесников Ю.В. Комбинированное лазерное упрочнение рабочих элементов вырубных штампов //Информ. листок № 66-86. Брянск: МТЦНТИП, 1986 -4 с.

2. Инютин В.П..Колесников Ю.В., Жостик Ю.В. Влияние лазерного борирования на контактные деформации стали 45 при ударно-циклическом нагружении //Электронная техника. Сер.6. Материалы. 1986, вып.4(215). - С.77-78.

3. Колесников Ю.В.,Инютин В.П..Жостик Ю.В. Снижение динамического износа стали различными способами гитанирования //Теория и практика создания, испытания и эксплуатации триботехнических систем. Тез. докл. Всесогоз. научн.-пракг. конф. Андропов, 1986. - М. 1986. - С.96-97.

4. Колесников Ю.В..Ишотин В.П.,Жостик Ю.В. О величине остаточной деформации при ударном ППД //Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов: Тез. докл. Всесоюз. научн.-техн. конф.Брянск,1986- Брянск. 1986. - С.85.

5. Колесников Ю.В..Жостик Ю.В. Повышение динамической износостойкости сталей лазерным боросилицироваиисм //Обеспечение надежности узлов трения машшкТез.докл.Всесоюз.иаучи.-техн.конф.-Ворошиловград, 1988. - С.10-11.

6. Жостик Ю.В..Говоров И.В..Колесников Ю.В. Совершенствование ехнологни пористого силицирования для повышения поверхностной фочности стали. //Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств

деталей машин: С'б.иауч.тр.БИТМа/.- Брянск. 1988. - С. 120-124.

7. Колесников Ю.В.,Ананьевский В.Л..Жосп1К Ю.В. Повышение динамической поверхностной прочности cia.ni 45 боросилицироваиием // Физико-химическая механика материалов. - 1988. -.М' 5 - С.86-88.

8. Жосшк Ю.В. Лазерное лаировгнше рабочих элементов разделительных штампов //Пов1.штенис гриб01схпических свойств деталей машин и инструментов иоино-лучевыми тт другими 'технологическими способами:Тез.докд.научи.-техн.семинара. Брянск.1988. - Брянск. 1988. - С.10.

9. Говоров И.В..Жостик Ю.В..Колесников Ю.В. Эффективность различных т ехполот ттческих способов лет ирования хромом и бором поверхности конструкционной cia.m //Проблемы повышения качества, надежности и долговечности машин. Сб.пауч.тр.БИГМа. - Брянск. 1989,-С.N3-117.

10. Григорьянц А.Г..Жостик Ю.В..Колесников Ю.В. Прочностные свойства покрытий на основе карбида кремния.полученные при различных условиях лазерной обработки //Изв.вузов.Машиностроение, - 1989.AI1 6. -С. 125-129.

11. Жостик Ю.В..Колесников Ю.В..Миркин Л.И. Динамическая прочность и структура покрытий из кремния и карбида кремния, полученных лазерным легированием //Физика и химия обработки материалов. - 1989.-№ 1 - С.71-74.

12. Колесников Ю.В..Качурин А.А..Жостик Ю.В. Планирование и анализ эксперимента при разработке лазерных покрытий.износостойких в условиях контактного удара //Трение и износ. - 1989. Л1> 3 - С".536-539.

13. Сорокин Г.М.,Колесников Ю.В..Жостик Ю.В. Особенности разрушения твердых покрытий иа стали при контактном ударном пагружении //Трение и износ. - 1990.№ 3 - С.490-494.

14. Жостик Ю.В. Влияние толщины ионно-плазменных покрытий на поверхностное деформирование штамповых сталей при контактном ударе // Износостойкость машин:Тез.докл. 2-й Междунар.научн.-техн.конф.Брянск, 1996 г.-Брянск, 1996.-С.85.

15. Памфилов Е.А.,Колесников Ю.В..Жостик Ю.В. Прогнозирование износостойкости твердых лазерных покрытий при ударе на основе прочностного критерия //Трение и износ. - 1997.№ 3 - С.399-403.

16. A.c. 1452.177.М.Кл. С23С8/00. Состав лазерного легирования стальных изделий/ Ко. -ечков Ю.В..Жостик Ю.В. //БИ,№ 34,1989.

17. A.c.1508607.М Кл. С23С14/34. Состав для лазерного легирования стальных изделий/Григорьянц А.Г..Жостик Ю.В..Колесников Ю.В. // - БИ, № 34,1989.

18. A.c. 1573052.М.Кл. С23С12/00,26/00. Состав для лазерного легирования/Колесников Ю.В.,Жостик Ю.В..Говоров И.В. // - БИ,№ 23,1990.

19. A.c. 1607433. М. Кл. С23С12/02. Состав для борохромирования

стальных детален при лазерном нагреве/Колесников Ю.В..Говоров П.В..Жостк iO.B. //- БП.Ле 42.1990.

20. A.c. 1636476.M.K.i. C23C8/72. CociaB для лазсрпою дотирования сильных пзделнп/Сорокин Г.М.,Жостик Ю.В..Колесников Ю.В. // -Ы1.МЧ 1.1991.

21. A.c. 1650775.М.Кл.С23С 10/52. Состав для лазсрпою дотирования смальпых изделий/Колесников Ю.В..Сорокин Г.М..Жос1пк Ю.В. И - ЬИ. .Vj 19.1991.

22. Д.с. 1641893.М.Кл. С23С14/34. Состав для лазсрпою лошрования cia.Ti.in.ix пздслпи/Жостик Ю.В..Колесников Ю.В..Сорокин Г.М.// - Ы1. М> 14.1991.

Жостик Юрий Владимирович

Исследование ударного изнашивания разделительных штампов и повышение их стойкости лазерным легированием.

Лицеи и] и I ог .104.Подписано в печа1ьЛ^££ф(>р\|а1 М)\Н4 1/16, |>\ма1а ними рафская

.М 2. Офсе! ная печать. Печ. д. I Уч.-и ¡д. д. I Г. 100 ж :. !ака!/^Ьееп.инно.

Брянским 1 ое\ даре I венным техническим минорен км. 241(> I. Брянск. очдьвар 5(1-дс1Ия Окд яоря. 7. Лаоораюрия оперативном но.шграфип ЬГ ТУ. \ л. Инетш \ текая. (6.