автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Научные принципы выбора материалов для износостойкого режущего и штампового инструмента с учетом оптимизации структурного состояния

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СО О1ЯЦКПМЯ

. .. '"'.1!" I

1 П *.!!? ; РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Но правах рукописи

ФУКС-РАБИНОВИЧ Герман Симонович

кандидат технических наук

НАУЧНЫЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО РЕЖУЩЕГО И ШТАМП ОВОГО ИНСТРУМЕНТА С УЧЕТОМ ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ

Специальность 05.02.01 Материаловедение в машиностроении

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1993 г.

Работа выполнена в Научно-производственном центре "ИНГЕК",

г.Москва.

С^яцнадьше оппоненты

ДОКТОР ПХНИЧСШ НАУК, Г,Р0«СС6»

ВАСИЛЬЕВА Елена Еалентиновна;

«КТО? »ИИТСО-кАТтТИЧЕСКМ НА«. ПРСМССОР

ШТЕЕМЕШЬ Мстислав Андреевич;

4.СК10? ТЕХНЙЧСКНХ НАК

АСТАЖЕВИЧ Борис Михайлович.

Ведущее нрэдпраятле

Филиал Акционерного общества "Всероссийский научно-исследовательский институт электро-тер.итеского оборудования" (г Литра)

к -/ м ¿¿¿^¿/Я" в №

Защита состоится . в/и час на

заседании СпецватзцроаанЕого Совета Д 114.01.04 во Всероссийском научно-исследовательском институте келезнодороаного транспорта по адресу:

123851 Мооква, 3-я Мытищинская ул., д. 10.

С диссертацией мозао ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан

Отзывы на автореферат в двух • заверешше

печатью, просш направлять в адрес,совета.

Ученый оекрэтарь

СпецкалазирозанЕого Совета, -///,.,./ кандидат т-еяЕШокпх наук ^(¿(¿^т Пенькова Г.И.

Актуальность проблем«. В настоящее время одной из актуальных задач металлообработки является ее интенсификация. Эта задача может бить реаена за счет использования высокопроизводительных инструментов, в частности таких широко распространенных на практике, как режущие инструменты различного технологического назначения и вырубные штампы.

Эффективным путем ресения указанной проблемы являетея разработка и выбор материалов для инструментов рассматриваемого типа.

Несмотря на многообразие и сушественные различия в услоп::^: работы этих инструментов, они является трибосистемчмп с сопоставимые условиями нагружения. Поэтому изнашивание их чаете происходит по блнзкюд механизмам. Зго позволяет реализовать едкниЯ подход к разработке гатериалеэ для указанных инструментов. При этом следует учитывать, что перспективные инструментальные материалы, используемые в металлообработке, обязательно долены быть рационально легированшега -и обеспечивать существенную экономив дорогих и дефицитных металлов.

Беализация поставленной задачи предполагает разработку научных принципов выбора материалов для обеспечения заданиях эксплуатационных езойсгз инструмента,что является

самостоятельной и весьма сложной матетааловедческсй проблем-ой. Она предполагает выполнение сисгегикд кошшгксЕых исследований зклвчаших: 1) СЕСтеиатизацго кзхаяпялоз изнашивания к разрупеккя инструментов в зазясигоота от условий кг работы ; 2) определение критериев оценки материалов' ддгг анализируемого инструмента; 3) оптамязациа структура златериалоз с учетом выбранных критериев э зависимости ст врео&эггщего механизма изкавяванкя и разрусения инструмента. Тагхй подход к рэиенкБ рассматриваемой проблем, низший прочщтз научную основу, обеспечивает разработку и зь'бор спгиизхькю: материалов для конкретных услзвпй зкепкуатацж. В результате стакоэптся возможный обесаечгггь как ' глксга.зльную интенсивность мекталдообработки прз лсподьэобзееп инструмента из разработанных материалов, таг. 2 экономив катвргзяьнш: рэсурооз.

ДЕЛЪ2_ргЙ02Н лилась разработка наусас: принципов выбора материалов, обеспечиваизз достикекиэ задшкню: экедлуатациенню; свойств инструмента, а гак:-:.2 создание на. основе разработанных принципов ковш: внсокоэ£ЁЭ1:таз?:кз материалов, технологически: процессоз упрочнения сгструмэнта п ннедр-ЗЕне их в производство.

Лпя достижения указанных целей были поставлены следующие основные задачи:

- классифицировать типовые отказы вырубных штампов;

- установить основные механизмы изнашзашся и разруиенпя вырубных штампов в систематизировать механизмы изнашивания ренущего инструмента;

- обосновать критерии оценки износостойких материалов -для инструмента;

- разработать оптимальные материалы, конструкция, состав,.и структура которых соответствует выбранным критериям и заданным эксплуатационным свойствам;

- разработать и внедрить - технологические -процессы упрочняющей обработки нового поколения-- комплексного -упрочнения инструмента;

- разработать алгоритм и программ автоматизированного выбора материалов для вырубных ыташов;

- осуществить промышленное опробывание и -внедрение з производство разработанных технических решений применительно к условишд интенсифицированной металлообработки инструментом различного технологического назначения.

На.утгт-'д я ИЧ^чияуя

1. Разработана классификация основных -механизмов изнашивания и разрушения вырубных иггашоэ :и режущего инструмента с учетом условий к: работы.

Первая группа процессов - гоэашшкша. Это выкрашивание рабочих кромок вырубных ' штампов, обусловленное явление:; малодакловой усталости. Усталостный износ вырубных штампов подразделяется на : изнашивание по механизму малоциклозоЛ фрикционной усталости и усталостно-адгезионный износ при формировании микроскопических участков наростообразования на поверхности штампа.

Вторая группа процессов связана с уяття.ттядчтам. а результате (гаратшулия. Подразделяется на:

- адгезионно-усталостный износ, возникающий пр& фотшрованян неустойчивого нароста, в том числе при наличш реверсного контакта (при скоростях деформирования до 15 ы/тя.);

- адгезионный - при .формировании устойчивого нароста нг поверхности рекущего инструмента (при скоростях резагия до 4( м/шн);

- адгезионно-диффузионный - при переходе от резания -условиях наростообразования к условиям пластического контакта сс стружкой (при скоростях резания до 80 м/тт).

2-, Установлено, что з зависимости от преобладало го механизма"- изнапивання инструмента износостойкое покрытие в кошозиционном материале на стальной основе играет роль:

- износостойкого зкрана поверхности штампа. измснян:1г-:'г тип фрикционных связей при- усталостном износе;

- инертной твердо!! смазки, изменяющей масштаб и механи'-:.-разрушения яри адгезионно-усталостном износе;

- третье!! среди, минишзирушеЙ схватывание в условиям адгезионного износа. Эффективная роль покрытия з ото'/! случае реализуется при фор?лгровании диффузионного подслоя, обеспечизавдего ииша/альнуи пластическую деформацию поверхности в процессе эксплуатации ;

- барьерного слоя при адгезионно-диффузионном износе, Эффективная райота покрытия совместно с диффузионным подслое;.; реализуется на подложке, предотвращающей птактическую лефор-тян комплексного покрытия при эксплуатации.

3. Предложены критерии оценк;! ' кбШШзиционньк материалов для инструмента:

- по анизотропии ' свсПств- износостойких покрытий. Оценивается по соотношению" сопротивления нориалыом (].икротзердост1! и вязкости по Лалййвисту) и тангенциальна.: нагрузкам (когезнонкоП' прочности). Анизотропия свойств дол>ж

Citó иахскладЬной в условиях адгезионно-усталостного износа, снижаться тф:: адтезко5П-:ок износе и дооптг/л. гашмуге прг; адгезиокко-;$:^-у2иоянс:.'. износе дзи протлЕодейстЕпл ускяежв п стабилизации- сдваивания на конгакгянх граня:: инструмента, Пр?-усталостиом взкавггэяав шшзотрогок свойств дежка быть nomaœm&T. Sizsazsr. анизотропия свойств повгуЯйй сбесяечигсетсл не только гг.сксгьз-:з.'; текстурой, .ко" г: г;> счет- борирсютгол склыак rc:c '«сиаж еглгеЗ" погг'о-подяргд:::, тс.-; ::

кетг&этсспп:;,

по сосакггэ упрочненного ссззрзгсстгсгс

слоя. Оогато^мно пгттр.'г.'.еэтл' zozz&i бить г.

последовательно нарастать s кгпргзлзкн;; от оссога, по глубхгс диффуз ионного слсл- п слоя износостойкого подрэтил по шгрсв&зкзэ г. контактной повер:зостп. Сгзтгзггдпе Еепрзкедкя зоотттаотог :-:а поверхности инструментальной стагз (до -200 '.Из.) дуге« sasaaca на зторлчкув твердость. ПОвыпеннкз сгазгзйЕКЗ изпрягзнпя (до -800 1,51а) обеспечпкжгся при г-".з_чснздънсм ссдэгс-:-!:::: элемента внедрения в твердом растворе азотирсгаздоЯ стали. Еусог.ие сзшгшпе нвпрзЕенпй достпгаэтся при фор.щгоЕазпп покрытий з условиях, прпблкяащйхся к равкоззсныг.1 (для метода И® скорость конденсации до 5 г-яол/ч). Дея обеспечен^ зноодой

трещиностойкости покрытий с . высокой твердостью остаточные напряжения скатил на поверхности инструмента долхщ увеличиваться по мере усиления схватывай:« с заготовкой от -2СХХ до -3000..,3500 ЫПа.

4. Выбрана оптимальная структура инструментальной стали, диффузионного и поверхностного слоев комплексного покрытия I зависимости от преобладающего механизма изнашивания инструменте и с учетом предложенных критериев оцени! материалов.

Высокое сопротивление изнашиванию в результате схватыванш достигается при нанесении многослойных покрытий на базе нитридов переходных металлов сгехиометрического состава при совершенно; аксиально]! текстуре с заданной анизотропией свойств и с зысокс* адгезией к основе. Адгезия многослойных покрытий к основ? обеспечивается переходным слоем, характеризующееся плавны?, снижением по направлению к основе текстуры и остаточню сжимающих напряжений.

Для условий адгезионно-усталостного и адгезионного износа целесообразно наносить покрытие из нитрида титана в равновесны:-условиях, в то время как при адгезионно-диффузионном износе необходимо использовать покрытия из сложнолегированных нитридо* с сильны?® межатомными связями. Причем, в условиях адгезионногс и адгезионно-диффузионного изнашивания покрытие следует осаздата на диффузионный подслой с однофазной структурой высокоазотистогс мартенсита, сформированного при кратковременном насыщении I процессе ионного азотирования.

Высокое сопротивление усталостному износу в композиционно?/ материале достигается нанесением покрытия, в частности иг нитрида титана трехфазного .состава ос - Т1 + Т1гН + Т1Ы, где Т1гК образуется на границе раздела - И и ПК

доотехиометрического ссстава с сильны® металлическими связями. Покрытие необходимо наносить на диффузионный подслой сс структурой малоазотистого мартенсита, образуемого при формировании первых порций избыточны:;: однофазных нитридов I процессе длительного насыщения при ионном азотировании.

Высокое сопротивление тг-грот^т^щт рабочих кромок вырубнш штампов в сочетании с высокой трещиностойкостью достигается прь использовании иташовых сталей со структурой вксокоуглеродистогс (0,4$ С) ыартенсигаого "скелета и с повкпенньм количество» остаточного аустенита (до 35-40$!).

'РРгЧ.КТтгтрсуяр тгрквог'.тт. и тяр.шта'гтптр реау.тпттр.тпя * цроиыиленнйсш. На основании проведенных исследовали! разработаны: новая порошковая сталь Х12ФЗМТ; новый порошковьй материал на базе быстрорежущей стали Р12ЫЗФ2К8 и 20£ 71 С;

технологии упрочнения птампового и режущего инструмента нового поколения(комплексного упрочнения) с использованием методов ионного азотирования и конденсации нитридов переходных металлов в вакууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ); новые режимы термической обработки ытамповой стали Х12М,обеспечива;т.г,:г. высокую надежность упрочненного инструмента. Все предложенные технические решения защищены 12-ю авторскими свидетельствами и патентами.

'Результаты внедрения в производство разработанных материалов и технологических процессов упрочнения позволили: повысить стойкость инструмента в 5-10 раз; интенсифицировать режим резания в 2-4 раза; использовать инструмент на базе разработанных материалов взамен твердосплавного.

Предложены алгоритм и программа выбора при помели ЭВМ материалов для изготовления вырубных штампов. Внедрение в производство разработанных рекомендаций позволило повысить стойкость вырубных птампов в 1,5-2,0 раза.

^г^у от внедрения разработанных материалов, технологически процессов и рекомендаций составил 1 млн. руб.

¿.прпбятрт? работу у ттуб.тататтои Основные результаты исследований представлялись .зга отраслевых, региональных, республиканских, всесопзннх и • мездукародшо: научных конференциях. По теме диссертации опубликовано 52 работы, получено 12 азторских свидетельств и патентов.

Птруч^фд П ттчг.р.ор^ятттг Диссертация состоит из

введения, шест;; глаз, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 268 страницах машинописного текста; содержит ЭЭ рисунков; 55 таблиц; 164 наименований источников. Акты цроьапхеннкх испытаний к внедрения приведены з лрияогении.

Содержание диссертации.

"•---■■•=-г -^-п. ту»У>пгк посвядека анализу современного состояния вопроса з области разработки современна:: износостойких материалов и' покрытий для инструментов. Анализ условий нагрузенш рекузих инструзлектоз I: вырубных птагаов позволил классифицировать кх как тякелояагрукеньые трпбэсистем.ы, работаэдие при повышенных те<лпературзх. Особенность» этих трнбослстем является наличке рз:-луцей (дешорлгрушей) кре:":::. Это требует использования материалог с повышенной трешкосгойкостш для предотвращения вьсяпшпгания крэ:лкп.

Закономерности изнатшвакня г. разруЕеяпя тякелонагрухенных тркбосистем изучены в работах И.В.Крательского, Н.Д.Буше, Л.П.Семенова, Б.И.Костецкого, 3.С.Ивановой, И.М.Любарского,

Л.С.Палатника, Д.И.Бершадского, Б. ¡Л.Астапкевича, H.H.Су, Г.Фляйшера, З.Трента и др.

Результаты исследований доказали, что основными процессами, зызыващиш разрушения конта&тшк поверхностей тяхелонагрухеннш трибосистем являются: усталость, чала всего малоцикловая; явление схватывания; процесс микрорезания на поверхности; окислительные и диффузионные процессы.

Согласно классификации Б.И.Костецкого все многообрази« процессов трения подразделяют на нормальное трение и явление повреждаемости. Чаще всего металлообрабатывающий инструмет работает з условия:-: повреждаемости. Основной целью управленш трением является регулирование процессов трибоактиЕации ! пассивирования поверхностных объемов таким образом, чтобы • максимально возможной степени расширить диапазон нормальной трения к минимизировать износ з этом диапазоне.

Эффективным средством сдерживания процесса активирование является упрочнение поверхности. По своему воздействию кг поверхность упрочниздуз обработку :ло:кно подразделить на дв« группы методов, которые позволяют сформировать : I) высокопрочные первичные структуры, экранирующие поверхности инструмента от повреждаемости при трении ; 2) высокопрочны; вторичные структуры, возникающие з процессе работы инструмента з способствующие приспосабливаекости системы "инструмент-заготовка".

Представляется целесообразным совместить указанные эффект; и разработать комбинированную по воздействию на поверхности технология упрочняющей обработки.

Среди методов упрочнения поверхности инструмента ш комплексу технологических параметров предпочтение следует отдат; иояно-ялазменнъм. С учетом необходимости обеспечения повышенног« запаса пластических свойств упрочненного слоя инструмента < рабочей стойкой предпочтительно создавать на поверхност! высокопрочные покрытия и диффузионные слои на базе азотиотьп соединений. Поэтому в качестве основного способа упрочнена выбрано ионное азотирование; способа нанесения покрытия ■ конденсация вещества в вакууме с ионной бомбардировкой (мето; КИБ). В качестве конденсируемого вещества использованы нитрид; переходных металлов, в первую очередь, нитрид титана.

Б литературе встречается много работ, посвященных метода] упрочнения птаъшов 'л реяущего инструмента, выполненных Лахтины Ю.М., Коганом Я.Д., Минкевичем А.Н., Захаровым Б.В., Ляховиче; К.С., Бельским Е.И..Андреевым A.A.,Гавриловна А.Г.Дабакоьы: З.П.,Цирлкным Э.С. и др. Результаты проведенных нсследовани:

позволяют наметить пути оптимизации улрочнякцкх покрытий для инструмента.

Вместе с тем, большое влияние на свойства инструмента с покрытиями оказывает прагилькый выбор материала основы, со термической обработки. 3 этом направлении основной научный зале.-; создан' работами Ю.А.Геллера, З.Ф.Моисеева, Л.Г.Кремкева, В.А.Брострета, Поэняка Л.Л,, Скрыкченко Ю.И., Попандопуло А.Н. и ДР-

В последние годы появились новые поколения иошю-плззмчнкых покрытий - комплексные, основанные на комбинации процессов упрочнения поверхности основы и ко;гденсадии износостойких покрытий. Такие покрытия являются новы:-.: витком в технолог::;: упрочнявдей обработки. В работах А. С. Верещит, В.М.Мацевитого, Ю.Г.Кабалдика, Б.С.Хомяка и др. предложен ряд конструкций КОМПОЗИЦИОННЫХ З.'ЛТерЯЗЛОВ С ИЗНОСОСТОЙКИЙ ПОКРЫТИЯМ! для инструмента с рабочей кромкой. Зтп конструкции требуют усовершенствования,а такке. оптимизации структуры поверхностных слоев и стальной основы применительно к конкретным условиям работу инстру?.:ента, что явилось предметом настоящего исследования.

т?о втотг.у т.т^дв работы изложена методика исследований структуры и свойств материалов. Исследования проводились на основных типе-;-: гатер'.'.алоз, ксполъзуемпх для изготовления рзяущих и штзкповых тяерркентоэ: 1) зь'екмазпфовашш:; штгмгазю: зталях двух основ nia групп Х12К, 212, 2S54M, Л2Ш„ 23312, упрочняэьос: п&срздстес:.'. закгякя и тглзюто отпуска, к 8Х4В2С2М2, 5X4J.Î2IC, упрочнения: путем заваззш ï; зуссиэгс отпуск;

2) быстрорг^гих сталях ушрзякой теплоPIS, PSK5; ïOBïsrsHHOf. теплостойкости кобальтовых Р12Г-1К5, ?9М4К8$, ?12.M3ï;2'"3, HS}u<ililST, i: высокой сеягосгойккет "обзльток-; 311Î.Î7K23; С) лорегкеги-: г.-згерпала;;в то:.: *д:еяс локогкоез" ягеля X12Ï3HÎ; ;оль?1гу.:о-1:об2льтов!с: тверды:: спжха: тага ВКЗ, ЗК20, ТТ7К12; карйиостаг^ с основой пз ?iC на баге стала;: ?5M5KS, P12M322K3 :: П4Г10Т6; -1) кектезотшаг: кэтеряаязг, зезгсшзвх катеркздш перечисленных составов с ажвяексйш: трочкяпзЕки покрытая д нового поколе:-:::.;, н&еосгсззз! с юполвзованкем методов: конного азотирования и ШШ. Метол КйБ эбеспечивает относительно якэку» температуру конденсации (оЗО"") ; позволяет накосить по-фытия с вкссеой еягзеаой без вгргупчизакия стальной основы, что sa-жо для рассгатрлваеигх шетрументов.

Б качестве конденсируемых соединений для локрыткй

юпользованы нитрида переходных металлов, в перзуз очерздь штрид титана. Зто обусловлено электронной стррчтурой нитридов,

обеспечивающей сочетание высокой твердости при повышенном запасе пластичности.

В качестве технологии формирования диффузионного слоя комплексного покрытия выбрано ионное азотирование. Ионное азотирование позволяет сформировать слои повышенной твердости при максимально возможном запасе пластичности по сравнению с другими методами химико-гершческой обработки. Полученные диффузионные слои обладают химическим сродством к нитриднык покрытиям - это улучшает их адгезию. Ионное азотирование, выполненное на специализированном технологическом оборудовании нового поколения, позволяет гибко управлять структурой и свойствами упрочненных слоев, в особенности при кратковременной насыщении, что необходимо для инструмента с тонкой рабочей кромкой.

Выпохнялось системное комплексное исследование указанных материалов. Изучались их состав, структура и свойства. Для этогс использованы методы ОКЕ-спектроскопии с использование!; электронного спектрометра типа СКМБ-Ж-2, на которог. определялись химическая неоднородность, атомная и электронная структуры поверхности вырубных штампов. Применялся микрорентгекоспектрапышй анализ с использованием спектрометра энергетической дисперсии "КЗВЕКС". Фазовый состав изучался на дифрактомегре "ДРОН 3,0". Ка этом не приборе исследовалисг характеристики кристаллической структуры: параметр решети прецизионным методом с учетом остаточных напряжений; концентрация 'углерода в- мартенсита методом третьего момента; аксиальная текстура (ГШ TiN. (методом Харриса и методе: полюсных фигур) и тонкая структура (дисперсия шкроискаяешй. плотность дислокаций) с использованием гармонического анализг рентгеновской линии. Рентгеновским методом "скользящего пучка1 на приборе "ИРИС 3.0" исследованы структурные превращения ¡ контактной зоне вырубного штампа (изменения количеств; остаточного аустенита; упирени'е лчнип (211) мартенсита). Мщфострукгург материалов изучалась методами количественно] метаапагращЕШ. на. приборе "Квантимет" и ка микроскоп! "Heo$or-3Q16.

Изучение: топографии поверхности инструментов. i фрактограйичеакш асследозания выполнены на растрозы: электронных микроскопах С4-10' и JSM-30. Изучались свойств; материалов: физико-механические, з т.ч.: твердость на прибора: Рокзелла и Виккерса, шкротвердость на приборе БМТ-З, прочносг: при изгибе и ударная вязкость по стандартным методикам; вязхост разрупения - на компактных образцах;- остаточные напряжения методом ректгенозской тензометрии (метод sin2 t<f ); адгези

покрытий к основе методом царапания; вязкость покрытий по методу Палмквиста и пластичность по методу шкровдавливания на приборе МГИ-2М ШАШ АН Р5; износостойкость и коэффициент трения при испытаниях по схемам "вал-плоскость" и п ере кре щи в апдих с я цилиндров. Эксплуатационные свойства материалов исследовались при резании стали 45 со скоростью 20-250 м/мин и стали 12Х18Н9Т (для имитации износа при схватывании) и по специально'! методике натурных испытаний инструментальных материалов в условиях вырубки. Эксплуатационные свойства материалов определялись при вырубке листа стали с разной структурой (аустенит, перлит, феррит, троостпт) и цветных сплавов. Износостойкость штампов оценивалась по: величине заусенца на огытамловакной детали; величин износа рабочих кромок, измеренных с помощи микроскопа УШ-21. На этом мэ приборе измерялась величина выкрашивания рабочих кромок.

Понно-плазмекные покрытия наноситесь в атмосфере азота на установках типа ЯНВ 6.6-И1 при слэдушж значениях технологически: параметров: температура поверхности - 5005С; давление азота - 9,2x10-' - 6,6 Па; опорное напряжение 0 - 350 3; ток дуги испарителя - 60--160 А; ток магнитной фокусирующей катупки - 0,2-1,0 А. Для материалов катода использовались технически чистые титан, цирконий, гафний, гром.

Конное азотирование выполнялось на установке типа НШВ 6.10/8-111 с комбинированным нагревом. Тешзратура уврочнящэй обработки составила 400-530°С. Процесс проводил:: зря ааздудак значение: технологически: параметров: плотность тока разряда изменяли в ярзделзх 3-10 А/м*; иродоапятельпость гамп-зния от 10 мяк до 6 часов; давление - 265-655 Па; состав гаса -25£Нг +• 75;С"12 (д^ссоциирогак-да! ш;Ег?.).

приведена длассв^ккащш мзданлзмэв износа вирус"'": штампов к рэаутаго етстрргантг различного технолоркческсго назнэявкис. "слоеня работа дар; указавши тдлоз инзтрумонтов различается весьма значительно. выделнть супественЕНе обгие мэмгкп:. Ляс сбопх тгаоз хжструмзята удельные нагрузки находятся з предела:: 500-1500 Ша. Температуры на контактных гранях изменяется в предало: ог 40Э*С до 750'С и вше. В зоне малых температур (до 500°С) преобладает усталостные явления, реализуется вненнее тренго, в схвзткгазкэ носит подчиненный характер. Однако, при обработке пдзстичеье материалов п при более высоких температурах б рабочей зоне схватывание становится процесса?, оцрздблягздл условия контактного взаимодействия. Механизм износа вкрубнкх шевас® п ревущего инструмента в этом случае сопоставил. Поэто:.5у инструмент с рабочей кромкой ковко подразделить на две основные

группы. Первач группа инструментов, эксплуатируется при умеренных температурах и преобладании усталостных явлениях на контактных гранях. Это большинство вырубных штампов. Вторая группа - это инструмент, работающий в условиях изнашивания при схватывании. В эту группу входят как определенная часть вырубных штампов, так и основные типы режущего инструмента.

Одной 513 теоретических основ настоящего исследования является определение основных закономерностей изнашивания и разрушения контактных поверхностей инструмента при вырубке. Отправной точкой этих исследований явилась классификация типовых отказов вырубных штампов в зависимости от технологических факторов, определяющих работоспособность птаглпового инструмента.

В результате исследования поверхности штампов доказано, что при вырубке стальных заготовок основным процессом, вызывающе,! разрушение, является ^,утп7пг--лг>?я.сг уотят'ос^т.. Износ на наиболее нагруженных торцевых рабочих поверхностях происходит по механизму отслаивания ели --тг-туло^пц гртуттттпитгпд усталости Этот механизм износа наблюдается и ка боковых поверхностях. Мзлоцикловой характер нагрукения подтверждается визуально обнаруживаемой пластической деформацией околокромочкой зоны, которая накапливается при эксплуатации штампа.

Кинетика процесса детально изучена для наиболее пирокс используемой для вырубных штампов стали Х12М. При износе штампа по механизму малоцикловой фрикционной усталости происходи! первоочередное послойное разрушение тртеноитной матрицы за счет трещшгообразования вблизи мелких вторичных карбидов. Глубина текущей послойно разрушаемой зоны - около 0,5 мкк. Особенности процесса является то, что ледебуритнке карбиды з процессе трения благодаря своей высокой твердости з ьвешкальной степек:: подвержены изкашшаншо; заметного разрушения карбидоз также не обнаружено. Обнажившиеся в результате износа мастенситкой основь карбиды достаточно слабо удерживаются матрицей. При далькейшз* эксплуатации штампа они выкрашиваются под воздействием усилий I зоне трения. Слабая связь карбидов с матрицей подтвер-'йдаетс* тем, что магистральная трещина при разрушении стали 7121 проходит преимущественно по мехфазовой границе.

Разрушение контактных поверхностей итампа при тренш непосредственно связано со стадиями его износа. Основное разрушение поверхности происходят на ранних стадия? эксплуатации, в стадии приработки. Это обусловлено ке толькс интенсивной пластической деформацией, но такае неблагоприятно! структурой к напряженным состоянием исходной поверхности, которые формируются в результате вторичной закалки пр: плифозакии.

- И -

При эксплуатации птампа когасурирущее глияние на структуру и свойства поверхности оказывают два процесса: а) пластичеокой деформации; б) термического воздействия при трении. В начальном периоде эксплуатации (з стадии приработки) преобладают деформационные явления, что подтверждается интенсивны:.!

¿Г — с*. превращением (при сохранении других характеристик слоя). При дальнейшей работе штампа начинают доминировать термические процессы. Результаты исследован;!" указывают на структурно-энергетическую приспосабливаемость систем "итамп-заготовка". Это подтверждается наличием вторичных структур, зафиксированных в стадии нормального износа. Они являются соединением железа и кислорода с амортизированной структурой. Указанные структуры стабилизируют износ. Однако, одновременно происходит постепенное накопление в поверхности дислокации к других дефектов кристаллического строения. Это вызывает рост поверхностной энергии, в результате усиливается разруиение поверхностных слоев, что проявляется, з возрастании шероховатости контактной поверхности. Процесс переходит в стадии усиленного иэнапкзания, непосредственно на поверхности формируется зона вторичной закалки. Нижележащие слон подвергается отпуску, соответствующее нагреву при температуре 400-450гС. Твердость и концентрация углерода в мартенсите падают; поверхность обгоняется хромом; начинается лавинообразный ззла© карбидов силам? тр-зння. Индикаторов усиленного износа является сферические оплавленные продукта износа, являвдпеся p-ззультато!? терловспылек, происходяллт; з этой стадии процесса.

Наряду с ростом поверхностной энергпл ускяениз рагрупенця способствует транс-фор,'"зл^я электронно* структура поверхности. Она ззкдзачйетс.': з постепенной замене кзтгллетес-zsz: езяэе? з исходном с ocrosa::: на го-г-го-псйщряке з стадия уевлексого взноса, что вызывает позэрзяооп:.

Соответственно дасоэдаеттЕгг структурным прсврзцеЕкег изменяется напряженное состояние поверхности. В ней -"садятся растягпзгвдпе остаточные гзкряшпргжгдо., постепопю дсстккжгб зелкчккн ^875 !.Ша. Зггго,. что характер «гменения. кризис зелкчк:; износа к остаточднх нахпгганий з зазкеадоатп от ^цсла натруженкй близок. Это позволяет цргдпогюгпгь, что остаточные напряжения являются гатогяетром, одрзделяшпг з заметной мере износостойкое:::-. зкрубннк птзиааз жп усталостном износе.

На tíoKosir; яоверкностях пташа усталсстн-й износ несильно трансоорг.тфуется за счет зозеике&ззнпя гпскрооеопкческя очагов еззатазаяия с заготовкой. Такой механизм kosho г-лаасианадгроЕатъ как . Износ по указанию," игханг.зму

проявляется на начальных периодах эксплуатация з образовании на

поверхности штампа шкроскопических вырывов, сфорлированных за счет .удаления из зоны трения карбидных частиц. Схватывание с поверхностью заготовки усиливает усталостные процессы, но не играет определяющей роли в этом воде износа. Вырывание карбидов вызывает глубинное разрушение материала. Этим, объясняется интенсивный износ штампа в зоне приработки. Усталостно-адгезионное изнашивание сопровождается микрорезанием (абразивным износом) - поверхности штампа выкрошенными карбидными частицами, что дополнительно интенсифицирует процесо.

На тонких рабочих кромках вырубного штампа наряду с процессами износа по выявленным механизмам наблюдается их выкрашивание. Основной механизм выкрашивания - малоцикловая усталость. Это подтверздается: а) наличием зон пластической деформации кромки; б) наличием б очаге выкрашивания характерных зон усталостного разрушения; в) особенностью строения некоторых очагов разрушения, имеющих характерный для усталостных" изломов полосчатый характер. Результаты изучения кинетики процесса разрушения рабочих кромок свидетельствует о тесной связи процессов износа и выкрашивания аташов.

Обобщение и анализ заявленных механизмов повреждаемости поверхности штампов позволгл разработать структурную схему контактного разрушения вырубных инструментов. Разрушение рассматриваемых материалов обусловлено локальными процессами, происходящими на границе карбида с мартенситно-аустенитной основой. Позрекдаемость ' поверхности при износе штампа проявляется в' основном а выкрашивании ледебуритных карбидов под воздействием сил трения. Слабая связь карбида, с матрицей приводит к тому, что ыекфазную границу монно рассматривать как потенциальную трещину, в связи с этим процесс износа связан не с зарождением, а с распространением трещин, т.е. трещияостойкостью матрицы, так как карбиды в рассматриваемых условиях трения разрушаются ышашально.

Процесс разрушения поверхности трения происходит в двух уровнях. Еа первом уровне он связан с трещинообразозанием на вторичных карбидах; на втором - с формированием трещин в прилегающих к ледебуриткыд карбидам слоям основы. Развитие трещины И выход ее на поверхность вызывает выкрашивание карбида.

Важно, что . ледебуритннэ карбида обеспечивают износостойкость штампа к воспринимают силовое воздействие заготовки, эффективно экранируя ыартенситно-аустенитную матрицу. Если бы карбиды не выкрашивались, то износостойкость системы была бы высокой. Отсюда следует, что карбиды должны длительное время удерживаться на своем месте мартенситной матрицей. Для этого она должна сочетать высокую твердость при температурах

эксплуатации и повышенную трещиностойкоотъ. Образовавшаяся на меяфазной границе трещина в карбид не идет, благодаря его высокой прочности. Изменение свойств на межфазной границе должно быть скачкообразным. Когерентность или взаимная растворимость фаз нежелательны. В противном случае, трещина, зародившись на границе, будет распространяться в хрупкий карбид. Поэтому для предотвращения разрушения карбидов выгодно иметь в материале межфазные границы, вдоль которых трещина может развиваться, не задевая при этом износостойкой фазы. Б результате карбиды, как это характерно для стали Х12М, остаются практически не разрушенными до момента своего вырывания силами трения и играют роль износостойкого каркаса.

Сталь Х12М и ее структурные аналоги являются материалами, близкими к оптимальным по трибоструктурнцм характеристикам в условиях усталостного износа; вольфрам,о-кобальтовые сплавы в меньшей степени удовлетворяет сфорлулированным требованиям. Карбидостали и порошковые стали отвечают им з значительно большей степени.

Вторая группа инструментов с рабочими кромками - это инструменты, в которых схватывание становится доминирующим процессом на контактных гранях. Для рассматриваемой группы инструментов характерен единый механизм износа - изяпп д результате р.уря.-птящ^ у инструментов различного технологического назначения и различных схем деформирования, т.е. режущего инструмента и вырубных итгшоз. Этот шяанпзгз износа можно подразделить на ряд разновидностей. Если касаться вырубных птампов, то. изноо в результате схватывания наблюдается при обработке пластичных ттериалов (типа коррозионно-стойкой стали 12Х18БЗТ). Механизм изнашивания вырубных штамма в рассматриваемых условиях подобен явлениям, нроксходящш на контактных гранях резца при обработке с малыми скоростями (до 15-20 м/мпн), т.е. резашэ з условиях неустойчивого яаростообразованпя,- Процесс харсктерпзуе тся формированием зароста в локальных участки: поверхности, временным объединением этих участков к посхедуядшл отслоением нароста. Наличке оплавленных продуктов износа свидетельствует о значительном загреве поверхности. После схода нароста схззтызалпе становится ленее пнтенспвным, гщдэ, в результате окисления поверхности шструмента; на контактных гранят. инструмента усиливается усталостные процессы. - Износ по описанному механизму сласспФпщфэван как готут^з. Ванной особенностью

адгезионно-усталостного пзноса является то, что тангенциальные гсилкя, возкикакцие на поверхности инструмента з результате зоздействпя поверхности среза вырубаемой заготовки гид*

формирующейся при резании элементной стружки, относительно невелики.

Вторая разновидность износа э результате схватывания характерна для инструмента с режущими кромками, обработка которым происходит .при скоростях до 40-50 м/мин. Это вызывает усиление теплового потока при резании, формирование сливной стружки. В результате схватывание возрастает, нарост становится более устойчивы?.!, а усталостные явления ка поверхности ослабевают. Адгезионно-усталостный износ трансформируется в р-л-рвятчут-Ж. в условиях повышенной теплонагрукенности режущего клина (при температуре поверхности свыше 600°й) глубина поверхностного слоя, претерпевшего пластическую деформации, составляет 30-50 !.га.

Наконец, увеличение скоростей металлообработки до 80 м/мин и более делает контакт со слпзной стружсой еще более устойчивы:!. Происходит переход от резания э условиях наростообразования к формированию струкки, контакт крутацеУ с инструментом з зоне пластического, течения. Температура поверхности достигает 700-7500, глубина гони пластической двфоржщца прьзысает 100 мкм. Иатенсифицщзуется хшшчесное ззаитлодействие поверхности инструмента с заготовкой. Процесс переходит в аттп^ттст-ттмг^уяттотттп-г^ ття'доп.

Нанесение износостойких покрытий способствует приспсоабливаемости системы "инструмент-заготовка" при всех выделенных механизмах изнашивания.

Так, в условиях усталостного изнашивания нанесение покрытия позволяет существенно расширить стадию нормального изнашивания. Для этого требуется оптимизация структуры и свойств покрытия. Главным, как 'следует из анализа структурных превращений ка поверхности атампа, яеляэтся создание э' алое сильных и стабильных сачзей металлического типа, ' а такие обеспечение высокого сопротивления пластической деформации при температуре до 500°С. При выполнении этих требований покрытие становится экраном контактных поверхностей, главным' образом в начальных стадиях эксплуатации, и видоизменяет'тип.разрушения фрищионннх свЛзей.

При адгезионно-усталостном изнашивании основным типом нарушения возникающих менду поверхностью заготовки и инструмента фрикционных связей является глубинное вырывание. Заметно снизить глубину разрушения поверхности гоз:ло:шо при формировании третье!! среды, которая позволяет преобразовать возникшую трещину отрыва в приповерхностную трещину сдвига. Зто реализуется при нанесашш покрытия, структура и свойства которого обеспечивают развитие трздшы на минимальной глубине. Таким образом знается изменить

—масштаб и механизм разрушения, что было недостижимо для традиционных материалов, г! в результате минимизировать износ. Одновременно покрытие должно быть инертным, а также твердым для противодействия . заметным нормальным усилиям. В связи с незначительный тангенциальными усилиями при неустойчивом наростообразовании высокие свойства инструмента с покрытием достигаются при обеспечении максимально возможной анизотропии свойств слоя за счет невысокого сопротивления сдвиговым нагрузкам.

Переход к адгезионному изнашивание видоизменяет требования к покрытию: схватывание с деталь» необходимо минимизировать; анизотропия свойств должна быть- ниже , т.к. сопротивление тангенциальны.', нагрузкам должно вырасти в связи с усиливающим воздействием сливной струкки. Одновременно глубина зоны пластической деформации . в несколько раз превышает толщину покрытия. В этом случае последнее играет роль упругой среды, передающей больщу» часть контактных, нагрузок на стальную основу. В результате происходит совместное пластическое деформирование покрытия и поверхности стальной основу инструмента. Покрытие, тлеющее значительно меньший запао пластических свойств, разрушается и быстро сходит с контактных граней. Поэтому под покрытием необходим упрочненный слой, препятствующий интенсивной пластической деформации поверхности. Так возникла идея покрытий нового поколения - комплексных или комбинированных упрочняхщс: покрытий. Наиболее рациональным путем формирования подобного подслоя является насыщение .поверхности элементом внедрения з процессе химико-термической обработки. Бабзщдаемое существенное расширение диапазона нормального трення инструмента следует связать о комбинированный воздействием на поверхность комплексного упрочнения. Оно заклпчаэтея в экранировании поверхности в начальной стадии'эксплуатации и формировании после схода покрытие устойчивые: вторлчньс структур па поверхности азотированного слоя.

При эксплуатации инструмента з условиях адгезионно-диффузионного изнашивания(требования к покрытию траясфор'.тгруется в еще большей степени. Для -противодействия сливной стружке сопротивление сдвиговым нагрузкам з ' слое должно быть увеличенным. Следовательно, анизотропия свойстз долкна быть минимальной. Продолжительный контакт со стругкой требует обеспечении высокой теплостойкости, а гаксе химической стабильности слоя для предотвращения интенсивного взаимодействия козтактнрущкг поверхностей. Роль покрытия трансформггруется. Око становится барьерным слоем, птепятствуюдил хгагс интенсивному схватывании, так п дпффузии элементов с поверхности, резца в

обрабатываемую заготовку. В условиях адгезионно-диффузионного износа комплексное покрытие эффективно только при правильном выборе материала основы, который определяется температурой на поверхности инструмента. Дело в том, что при этом виде изнашивания глубина зоны пластической деформации превосходит толщину зоны комплексного упрочнения. При использовании материала с достаточной теплостойкостью достигается необходимый эффект от использования покрытий.

Таким образом заданное влияние упрочненного слоя на процесс износа реализуется в том случае, когда внешние термохимические 'и механические воздействия локализованы в объеме формируемых на поверхности высокопрочных и стабильных покрытий, по возможности не распространяясь на нижележащие слои инструмента. Это может быть достигнуто за счет оптимизации: 1) конструкции упрочняющего покрытия; 2) состава, структуры и свойств упрочненного слоя.

Я чйтвррто» -pjTa-Rff работы приведены результаты по оптимизации структуры и свойств материалов для вырубных штампов, эксплуатируемых при доминировании усталостных явлений. Результаты исследований показали, что для подобных трибосистеы закономерно используют штамповые стали.

• Показано, что работоспособность штамповых сталей е инструменте при вырубке следует оценивать как стойкость против износа по механизмам малоцикловой фрикционной усталости и усталостно-адгезионному, а также стойкость против выкрашивания. Эти свойства, в значительной мере определяются структурны!» состоянием итампозых сталей.

Существенное влияние на износ и разрушение вырубныз пуансонов оказывает концентрация углерода в мартенсите, изменение которой достигалось увеличением температуры отпускг стали Х12И от 180° до 520С. Стойкость штампов против износа пс механизму малоцикловой • фрикционной усталости снижается пропорционально уменьшению концентрации утлерода в мартенсите. Противоположное влияние оказывает концентрация углерода i мартенсите на усталостно-адгезионное изнашивание и выкрашивание рабочих 1фоиок " в вырубном инструменте. Образование малоуглеродистого мартенсита (0,25$ С) при твердости стал! HRC 59...60 обусловливает минимальную интенсивность вырыванш карбидов при трении. Аналогичное влияние малоуглеродистой мартенсита установлено при изучении процесса выкрашивания.

В работе реализовано повышение стойкости инструмента проти! выкрашивания путем увеличения количества остаточного аустенита з структуре стали. Наибольшая стойкость против выкралшванш достигается при наличии в структуре стали Х12М около 40/

остаточного аустенита. Дальнейшее повышение его количества гложет привести к исчезновению мартенсигного скелета, смятию рабочих кромок и усиленному вырыванию карбидов. Снижение количества остаточного аустенита вызывает рост величины выкрашивания. Положительное влияние аустенита обусловлено его высоким сопротивлением распространению трети;. .На прочие эксплуатационные свойства влияние остаточного аустенита менее значительно.

Карбидная фаза оказывает в зшлетной мере определяющее влияние на эксплуатационные свойства вырубного инструмента. Замена части карбидов М^ на МС а такне увеличение количества карбидов улучшает сопротивление усталостно!.^ износу. Вместе с тем размеры вырывов возрастают пропорционально величине частиц избыточных карбидов, с ростом карбидной неоднородности. При неблагоприятной структуре стали может произойти изменение механизма разрушения контактной поверхности. Транскристаллитное развитие магистральной трещины на межфазной границе "карбид-матрица" может меняться на интеркристаллитное по телу карбида. В результате разрушение контактной поверхности резко возрастает. Для предотвращения, этого явления структура стали должна удовлетворять следуодгал ограничениям: расстояние менду частицами карбидов в зоне их скопления долено быть не менее 3-4 икм, а расстояние между соседними' карбидными полосами - не менее 15-20 мкм. Зто реализуется при карбидной неоднородности не вызе 3-4 баллов. Вално, чтобы величина избыточных карбидоз не превышав 4-6 ка:. При обеспечении указанны?: структурных характеристик количество карбидов молет быть повышено до 20-25$.

Исходя из полученных результатов мокко прогнозировать оптимальную структуру, обеспечивашув высокий коыллекс эксплуатационных свойств, т.е. шниальное разрушение поверхности при трзшгн и пониженное выкрашивание кроток. Такой структурой является комбинация ьсиюуглеродастого высокопрочного мзртенсита (НЕС 58...60) и остаточного аустенита ' (15-20%) з зтамтовой стали с дисперсной карбидной Фазой. Данный прогноз подтвержден экспериментально. .Обеспечение высокого уровня эксплуатационных свойств• за счет указанного структурного состояния предполагает, что одновременно будут достигаться высокие механические • свойства шташозых сталей. Показано, что прямая корреляция мегду эксплуатационными и механическая свойствами в большинстве случаев отсутствует. Мояно сделать только косвенные визоды.

Важнейшим механическим свойством, определяющим стойкость против усталостного износа, являются остаточные напряжения. Установлен уровень этого параметра -103...-200 !51а,

обеспечивающий высокие эксплуатационные свойства вырубного штампа. Другим механическим свойством, определяющим стойкость против выкрашивания, является вязкость разрушения К,с . величина которого должна быть на уровне 30-35 МПаУм-". В меньшей степени на работоспособность штампа влияют прочность на изгиб и, особенно, ударная вязкость. Структура . сталей, обеспечивающая заданный уровень'свойств, описана выше. Указанные закономерности являются основой для разработки и выбора составов и режимов термической обработки сталей.

В наибольшей степени удовлетворяют сформулированным трибоструктурным требованиям и заданному уровню механических свойств порошковые стали с карбидами М7Сз + МО, количество которых увеличено до 20-25^, в частности, разработанная в работе сталь Х12ФЗМТ.

Комплекс необходимых структурных характеристик и свойств штамповых сталей, в частности стали Х12М, может быть реализован за счет оптимизации температурно-временных параметров термической обработки стали. Закалка стали Х12М выполнялась от температуры 1080°С для обеспечения необходимой теплостойкости (450-500°С)'. Исследовались влияние температуры и времени отпуска стали в интервалах температур 400-550С. Наиболее важные превращения, обеспечивающие заданную структуру, происходят в интервале температур 450-500С. Именно при температуре свыше 5СОС з стали наводятся остаточные сжимающие напряжения, необходимые для обеспечения высоких эксплуатационных свойств. Выполнение многократного отпуска усиливает эффект, но вызывает снижение трещиностойкости. .Это может быть предотвращено при: а) сокращении времени отпуска; б) неполной изотермической закалке в горячей среде. Сокращение длительности отпуска до 0,5 ч при 500-520С позволяет обеспечить необходимый уровень твердости (НЕС 58...53), трещиностойкости 30 МШЛйГ*, остаточных напряжений на поверхности - около -100 МПа. После указанной терлообработки в структуре стали сохраняется около 10% остаточного аустенита, концентрация углерода в мартенсите понижена (0,3$), т.е. реализовано прогнозированное структурное состояние, которое и обеспечивает ■ необходимые свойства стали Х12М. Неполная изотерическая закалка при 300°С з течение 30-40 мин с последующим многократным отпуском при 500-520°С также позволяет избежать снижение трещиностойкости при обеспечении твердости стали на уровне НЕС 59...61 и остаточных сжимающих напряжений на поверхности на уровне -190 МПа.

В... пятп? изложены результаты оптимизации состава,

структуры и свойств основных составляющих калпозицконных материалов с комплексным упрочнением: износостойких покрытий,

диффузионных подслоев и теплостойкой основы для инструментов, эксплуатируемых в условиях износа при схватывании, а татае усталостного износа.

Изменение указанных характеристик покрытия из нитрида титана достигалось за счет варьирования технологических параметров процесса . осаждения: давления азота, тока дуги испарителя, тока ' фокусирующей катушки, опорного напряжения. Основным параметром, определяющим структуру и свойства слоя, язляется давление азота. Содержание азота в покрытии и фазовый состав изменялись с увеличением давления азота. С ростом давления азота до 0,4-0,5 Па состав покрытия приближается к стехиометрическому (55$ атомн.азота). При дальнейшем увеличении давления газа-реагента (до 2,6 Па) содержание азота в слое снижается.

Фазовый состав изменяется при этом от трехфазного-ос- Ti +TizN +■ TiN, при давлении азота' до 6,6х10'2 Па. к двухфазному ос- Ti + TiN, при давлении азота до ОД Па и к однофазному Tifl, при давлении 0,2 Па и внле. Установлено, что существование неравновесной! трехфазной структуры з анализируемых покрытиях возможно а интервале температур вплоть до комнаткой, в отличие от равновесного состояния, когда три фазы ос - Ti +Ti2l! + TiN одновременно существуют только при температуре 1050°С. Это обусловлено тем, что при конденсации плазмы реакция ос - Ti +TiN —- Ti2N не проходит до конца вследствие высоких скоростей осаядения. Дисперсные частицы новой фазы TizN образуются на границе 'раздела нитрида титана и капельной фазы ( ос- Ti). Это превращение возмояно при содержании азота До 42%.

Параметры тонкой структуры определяются содержанием азота з покрытии. Параметр решетки, дисперсия мякроиска-кеяий, плотность дислокаций изменяются пропорционально содержанию азота в покрытии и имеют экстремумы в области нитрида титана стехпометрического состава. Рост давления азота з камере вызывает усиление аксиальной текстуры покрытий, проявляющееся з увеличении количества кристаллитов с ориент.дией (III) параллельной поверхности основы. При давлении азота 0,6 Па текстура приближается к 95,? и при дальнейшем увеличении давления азота остается практически неизменной. Аналогичная зависимость наблюдается .для остаточных сжимающих напряжений з покрытиях, величина которых резко возрастает от -200 до -1300 .МЕа с увеличением давления азота от SxlO-3 до 0,6 Па. Дальнейший рост :о-: несколько замедляется и при давлении азота з камере 2,6 Яа они достигают -1700 Ша. Важно, что характер изменения указанных параглетров обусловлен, главным образом, условия?® осаздепял

покрытий. Увеличение давления газа-реагента уменьшает энергию ионов, прибывающих на подложку. Это снижает температуру фронта кристаллизации формируемого слоя. Ери давлении азота более 1,3 Па покрытия формируются в близких к равновесным (для КИБ) условиях (их можно характеризовать скоростью осаждения, которая должна быть не более 5-6 мкм/ч). Это вызывает усиление текстуры и рост остаточных сжимающих напряжений. Причиной образования высоких сжимающих напряжений в конденсатах, осажденных при давлениях азота более 1,3 Па, 'может явиться сохранение в структуре большого количества точечных дефектов (вакансий), которые мигрируя в субшкропоры, вызывают изменение удельного объема.

Одновременно с тонкой структурой и остаточными напряжениями изменяется микроструктура покрытий. С ростом давления азота закономерно ■ уменьшается диаметр столбчатых кристаллитов, количество капельной фазы. Строение капельной фазы трансформируется с ростом давления азота. При низких давлениях азота, от 6,6х10_2Па и ниже, частицы капельной фазы представляют собой композиты (твердая, ^5=35 ГПа, поверхность и мягкая, Но<5=7 ГПа, сердцевина из ос-титана). При больших давлениях азота ( > 0,1 Па), капельная фаза состоит из ос-титана.

Структура покрытий;существенно зависит от других параметров конденсации. В работе ' найдены оптимальные интервалы значений технологических параметров конденсации покрытия, обеспечивающие несбходимув структуру и свойства слоя.

Твердость покрытий определяется их фазовым составом. Максимум микротвердости (К0>5=35 ГПа) достигается при переходе от двухфазной к трехфазной' структуре. Вязкость покрытий по Палмкзисту также является структурно-чувствительной характеристикой. Высокая вязкость и пластичность. достигаются в однофазном слое Т1Н стехиометрического состава, с совершенной аксиальной текстурой и мелкодисперсными кристаллитами (1-2 икм) при отсутствии или минимальном количестве капельной фазы ■(5-7/0,а также при повышенном уровне сжимающих остаточных напряжений в покрытии (-1300 Ша). .Адгезия покрытий к подложке одновременно с когезионной прочностью монотонно уменьшаются с ростом давления азота. Это обусловлено, в перзую очередь, снижением энергии ионов титана, прибывающих на подложку из-за умекьиения длины их свободного пробега. Вместе с тем, в покрытия снижается доля металлических связей, увеличивается аксиальная текстура, возрастает градиент остаточных напряжений на границе раздела покрытия с подлоекой.

Эксплуатационная стойкость инструментов с покрытием из нитрида титана, работающих в условиях адгезионно-усталостного

износа, существенно зависит от фрикционных свойств слоя, определяемых величиной коэффициента трения. Минимальная величина коэффициента трения обусловлена главным.образом высоким уровнем ■аксиальной текстуры. Осаждение покрытий в условиях, близких к равновесным, при сохранении стехиометрического состава TiH позволяет обеспечить наилучше фрикционные свойства слоя (коэффициент трения минимален и равен 0,28). Одновременно происходит увеличение микротвердости до 30 ГПа, вязкости по Палглквисту до 50 H/w4 и снижение сопротивления сдвиговый нагрузкам (К«ог=0,20), что обуславливает максимальную анизотропию свойств слоя, способствует ¡трансформации глубинных трещин отрыва, возникают« при схватывании с заготовкой , в приповерхностные трещины сдвига и минимизирует износ. Такой слой имеет низкую адгезию к подложке. Для обеспечения его стабильной работоспособности необходимо осаздение многослойного покрытия с адгезиозными подслоями. Таким образок реализуется комплекс свойств, определенны!! ранее .при анализе фрикционного взаимодействия мекду инструментом и заготовкой при адгезионно-усталостном износе.

При переходе к условиям адгезионного изнашивания требования к свойствам покрытия изменяются. Усиливается схватывание на гранях резца, возрастают тангенциальные усилия на поверхность со стороны сливной стружки. Наибольшую износостойкость тлеет покрытие с рабочим слоем из стехиоыетрического нитрида титана с умеренной анизотропией свойств , (&ог=0,4-0,5). Дальнейшее увеличение стойкости инструмента, эксплуатируемого в условиях адгезионного износа,достигается при исключении частиц капельной фазы на поверхности покрытия. Это реализуется при конденсации ионно-плазгленного покрытия из нитрида титана с использованием плазмооптической системы. Использование • плазмооптики позволяет также проводить конденсацию покрытий в'равновесных для метода КИБ условиях (скорость конденсации' до 5мкм/ч). Это предопределяет высокий уровень механических свойств слоя. Основными технологическими параметрами, определяющими структуру и свойства слоя, являются давление азота и опорное напряжение. Установлено, что нанесение покрытий со стабильными свойствами достигается при давлении азота в пределах 0,25-0,6 Па. Foct опорного напряжения вызывает изменение аксиальной текстуры (III) в однофазном покрытии из нитрида титана. Текстура усиливается при росте напряжений до 100 В, но затем несколько снижается. Подобным образом изменяется и параметр реаетни. Чрезвычайно высокую дисперсность имеют столбчатые кристаллиты: их размер составляет до 0,3 мвм. Твердость покрытий высока и достигает величины 36-37 ГПа. Вязкость анализируемых покрытий по

Палмквисту также очень высока и достигает 150 Н/м-4 , что в несколько раз выше, чем у нитрида титана, конденсированного по традиционной технологии. Это обусловлено дисперсностью кристаллитов, прочностными свойства:® слоя, а также уровнем остаточных сжимающих напряжений. Они доходят до -3500 МПа (вместо -1700 МПа по традиционной технологии). Когезионная прочность покрытий остается повышенной, IW не ниже 0,4-0,5. Как видно из приведенных данных по комплексу структурных характеристик и физико-механических свойств покрытия, нанесенные с использованием плазмооптики, заметно превосходят обычные. Поэтому стойкость таких покрытий примерно в 2 раза выше. Важно, что в связи с невысокой адгезией к основе описанные покрытия должны быть многослойными, " причем принципы конструирования адгезионных подслоев такие же, как у традиционных покрытий. В связи с усиленным теилопотоком в инструмент при адгезионном износе покрытия необходимо наносить на диффузионный подслой, структура которого описана ниже.

Наконец, " 'при переходе к адгезионно-диффузионному изнашиванию изменяются требования к покрытию. Пластический контакт со сливной стружкой увеличивает тангенциальные нагрузки на контактной поверхности, наблюдается заметное химическое взаимодействие с.обрабатываемой заготовкой. Требуется переход к покрытиям с минимальной анизотропией свойств за счет обеспечения высокой когезионной прочности (К«г=0,8). Одновременно необходима высокая твердость покрытия, при повышенной температуре в зоне резания. Такое сочетание свойств при сохранении совершенной текстуры, которая требуется для минимального схватывания заготовкой, может быть достигнуто не за счет изменения условий конденсации покрытий из нитрида титана, а при использовании сложных покрытий на базе переходных металлов. Электронна.'; структура" этих покрытий должна обеспечивать наличие сильных межатомных связей. Причем необходимо иметь в нитриде стехиометрического состава как сильные ионные связи типа sjr между металлом и неметаллом, так и сильные металлические связи типа d5 . Наличие сильных металлических связей обеспечивается двумя путями: за счет роста атомной массы и при увеличении количества неспарешшх электронов на карузпннх электронны?: уровнях переходкого металла, на базе которого сфор.шрован нитрид. Оптимальным является нитридное покрытие на базе твердых растворов, в котором элементы IV группы частично заменены элементами той ке труппы с большей атомной массой: титан на цирконий, цирконий' на гафний или элементами VI группы -например, хромом. Причем области использования покрытий разных составов при ацгезюшю-диффузионкогл износе д^ференцированы.

п

Перзый путь легирования, при использовании элементов IV группы предпочтителен при скоростной обработке конструкционных углеродистых сталей. Таким нитридом является (2г,НГ)Н. Второй путь при использовании элементов IV и VI групп рекомендован при резании труднообрабатываемых материалов, например стали 12Х18НЗТ. Это покрытие СИ,Сг)И При комбинации обоих путей легирования появляется возможность получения покрытия универсального применения в условиях адгезионно-диффузионного износа. Это состав (Ti.Zr.iIf,Сг)Н. Покрытия указанны:! составов обеспечивают заданную анизотропию свойств, высокую твердость (НЭ|5=30.. .37) и теплостойкость. В результате стойкость подобны:: покрытий превосходит уровень Т1Ы з 3-4 раза л более. Для обеспечен^ высокой адгезии указанных покрытий основе также чесбходам , адгезионны!! подслой с лзиеняакэйся текстурой. ?эзультзтн проведенных исследований поззсдяз? сфоркуллрозать зледршке принципы конструпгобдния мкогоолойнх: лскштяй для лсех зыделенных зэдоз кзшшзанпя якструке'та при сдзатывая*.к1.

1. Минимальное схватывание покрытия с обрабатываемой деталью реализуется при низко!' поверхностной энергии слоя. Зто обеспечивается аксиальной текстурой покрытия, близкой к совершенной. Необходимое изменение анизотропия свойстз слоя может быть достигнуто не только при изменении условий конденсации покрытия, но и за счет трансформации электронной структуры при изменении состава покрытия.

2. Обеспечение высокой стойкости инструмента достигается при формировании многослойного покрытия, которое имеет зысскуто адгезию к оснозе, постепенное изменение адгезионных свойств по глубине слоя и' минимальное схватывание с заготовкой на поверхности при заданной анизотропии свойств. Для всех списанных 'типов _ покрытий адгезия многослойного позгатпя к основе .обеспечивается переходным слоем, характеризуема! плавшвя снижением по направлению от контактного слоя к основе текстуры и сжжлающих остаточных напряжений. Для различных технологий нанесения и составов покрытия этот обицй принцип достигается при изменении разных технологических параметров процесса конденсации (давления азота - при традиционной технологии, опорного напряжения - при использовании плазмооптякя, тока фокусирующей катушки - при конденсации сложнолегирозагпшх покрытий).

Выше отмечалось. что иояно-плазменнке покрытая из нитрида титана могут успешно применяться для условий усталостного износа, но при этом требуется другая структура и свойства.

Действительно, износостойкость покрытий з условиях сухого трения скольжения при высоких удельных нагрузках, которая пропорциональна износостойкости внрубннх стзмдоэ, изменяется по

экстремальной зависимости, достигая максимума в трехфазной области при наличии сильных металлических связей в нитриде титана достехиометрического состава. Это позволяет реализовать следующий комплекс свойств: высокая микротвердость (НоД=35 ГПа) и пониженная анизотропия свойств. ' при повышенной когезии в слое (К«г=0,7). Высокое сопротивление сдвиговым нагрузкам обеспечивается незначительной (до 50$) текстурой. Подобные структура и сочетание свойств обеспечивают высокое сопротивление износу отслаиванием, доминирующему при работе вырубных штампов.

Наряду со структурой и свойствами износостойких покрытий изучались аналогичные характеристики диффузионного подслоя комплексного покрытия в зависимости от параметров технологического процесса ионного азотирования. В качестве основы использованы стали Р6М5 и Х12М. Установлено, что наибольшее влияние на структуру и свойства азотированного слоя оказывают время и температура процесса. Показано, что при температуре 500®С обеспечивается достаточно интенсивная диффузия, необходимая для насыщения поверхности азотом; плотность ионного тока дсшша быть невелика, порядка 3 А/мг. Глубина азотированного слоя составила 40-50 мкм. Увеличение времени азотирования изменяет азотонасыценность -твердого раствора. Уже после 10-20 шн азотирования стали Р6М5 образуется слой насыщенного ос-твердого раствора. Через 30 мин на поверхности образуется концентрация пересыщения. Для стали Х12М эти не процессы происходят с задержкой по времени (после 1,0-1,5 ч). Наиболее интенсивное изменение периода решетки и уширение линии (211) ос -фазы наблюдаются в интервале времени насыщения до 2 часов. Вероятно это связано с выделением азота в поверхностном слое из -твердого раствора при . образовании предввделений. Избыточные нитриды в. виде £ -фазы (Рег.5Ю появляются только после 2 часов насыщения. После 4-х часов азотирования фиксируются £ (Рег.3Н) и фазы.

Микротвердость упрочненного слоя стали Х12М практически не зависит от времени азотирования и не превышает 12,0 ГПа. В стали Р6М5 шкрствердость выше (14,5-16,0 ГПа), т.к. твердый раствор более легирован. При азотировании твердый раствор интенсивно насыщается азотом, что при последующем охлаждении приводит к формированию предввделений, обусловливающих высокую твердость.

Коэффициент пластичности азотированной стали Р6М5 изменяется по кривой, обратной характеру изменения микротзераости. В азотированном слое стали Х12М коэффициент пластичности изменяется по сложной зависимости. При отсутствии избыточных Едтрэдоз юасткчнооть изменяется в соответствии с содержанием азота в поверхностное слое,которое шкво косвенно

о

охарактеризовать величиной параметра решетки <х _фаЗЫ больше азота в поверхности и больше параметр решетки т<=м ниже пластичность и наоборот. Низкая пластичность связана со значительны?,1 искажением решетки -твердого раствора за счет внедрения в нее азота, что проявляется в значительном уширении линии 211 с*поэтому запас пластичности слоя понижен Чаксгалальная пластичность ' достигается птш появлении первых юрций избыточных нитридов, что можно объяснить следующим В начальной фазе формирования избыточных нитридов irc количество лало и оно незначительно охрупчиваег сталь, особенно когд^ рормируется один вид нитридов ( £ ). Одновременно, содержание гзота з твердом растворе понижено и близко к уровню характерному для неупрочкенной стали. Такой твердый твствор хластичен, а роль нитридов не является определяющей " Когда формируется смесь нитридов ( & и та много, пластически

<аракгеристики резко надают. Пластические свойств^ в определенной мере зависят от остаточных напряжений в слое которые определяются в основном легирозакностью ^вер^ого раствора. Напряжения тем выше, чем больше'растворяется азота з злое и более интенсивно формируются ' предввделения при зхлаетении. Объем поверхностного слоя при этом увеличивается и {аводятся сжимающие напряжения. Поэтому в стали Х12М с менее тегированным твердил раствором напряжения ниже, чем з стали ■6Мо Переход от растягивающих напряжений к сжв/шйцим являемся здной из причин роста пластичности з стали Х12М Высокие шатающие напряжения в стали Р6М5 способствуют предотвращению шкрашвания режущих кромок при эксплуатации инструмента ~

Высокая износостойкость при резании в условиях адгезионного ¡зноса достигается при максимальном содержании азота з ос -твердом растворе и превышает уровень кеупрочкенного инструмента гримерно в 2 раза. Максимум износостойкости в условие ^радостного износа соответствует началу появления первых порций гзбыточннх нитридов. Такая структура обеспечивает оптимальною [зносостойкость, превышающую з 4 раза уровень неупрочненной [оверхности. '

Следовательно, в диффузионном подслое комплексного почрытил да режущего инструмента 'из быстрорежущей стали ксплуатируемого в условиях адгезионного и адгезиовно-дффузионного изнашивания, должно быть исключено наличие избыточных нитридных фаз, одновременно з слое необходимо форлировать при кратковременном насыщения высокоазотистый артенсит с повышенными сжимающими напряжения™ н пластическая Еойствамк. '

Для условий усталостного изнашивания инструмента, изготовленного из высокохромистых ледебуритных сталей, необходимо тлеть структуру малоазотистого мартенсита, который формируется при более длительном насыщении за счет образования незначительного (до 5%) количества избыточных нитридов. Б таком слое сочетаются максимальные пластические свойства, высокая твердость и наводятся остаточные сжимающие напряжения.

Наряду с параметрами поверхностного слоя выбирался состаЕ основы композиционных материалов с комплексным упрочнением. Выбор обусловлен, главным образом, температурой, возникающей на поверхности инструмента в процессе его работы. Теплостойкость стали должна быть такой, чтобы обеспечить минимальную пластическую деформацию поверхности при эксплуатации. В противном случае эффективность при использовании покрытий резко снижается. Поэтому в условиях усталостного изнашивания используют стали типа Х12М с термической обработкой по указанно!; выше технологии, при адгезионно-усталостном и адгезионном износе - быстрорежущие стали умеренной, теплостойкости типа Р6М5. Особенно актуальным становится вопрос о выборе оптимального состава основы при адгезионно-диффузионном износе, когда глубина зоны пластической деформации инструмента превышает толщину комплексного покрытия. ;В этом случае необходимо использование более теплостойких материалов. Быстрорежущие стали, тлеющие теплостойкость ниже 640-650°С, т.е. содержащие ( W +1,4 Wo) менее 13-16% и кобальта менее недостаточно эффективны в рассматриваемых условиях. 3 тоже врекж стали, содержащие более 8/1 Со, не позволяют обеспечить высокую стойкость инструмента с комплексным покрытием, т.к.' кобальт заметно снижает интенсивность дкффузшг азота з поверхность инструмента 5 процессе ионного азотирования. Зто- приводит к уменьшению глубины упрочненного слоя и, естественно, стойкости инструмента.

Использование высоколегированных быстрорежущих стьле?-позволяет эксплуатировать инструмент с комплексным упрочнение?.: при скоростях около 100 м/кин и даже до 150 iVi.se. Однако, тзр-. этом он значительно, в несколько раз, уступает по стойкости твердосплавному инструменту. Jjjl црнйхижеЕие уровня стойкостх. инструмента с комплексным упрочнением к твердосплавному был:-: использована карбидосталк с содержанием карбидов титана 20£ на базе быстрорежущих сталей с указанным уровнем легирования. Показано, что использование карбидосталк на базе стали P12M5S2K8 позволяет обеспечить стойкость инструмента с комплексным упрочнением в условия}: адгез110Кно-диффузионЕого износа, сопоставимую со стойкостью твердосплавного инструмента.

я ггргтоА р.тта.яд рдбоч'ч приведены практические результаты исследований, а такле т реализация в

промышленности. На основании результатов исследований разработаны новые материалы, технологические процессы термической и хшлико-терлической обработки, нанесения многослойных иакно-плазыегешх покрытий.

Для условий усталостного износа разработан новый состав порошковой стали марки Х12ФЗМТ, содержащей повышенное количество карбидов за счет увеличения содержания углерода до 2-2,5$. Повышенный уровень прочности и зязкости стали обеспечен наличием дисперсной (размером до 3-4 ыкм) карбидной фазы, минимальной карбидной неоднородности, а такие измельчением зерна з результате комплексного микролегирования (А.С.СССР N1167234). Разработаны ренимы 1) горячего пластического дефорлированля стали методом прямой прокатки, обеспечивающие пониженную пористость; 2) термической обработки, вглэчазщей зшсалку от темлегатур 1080-1100°С и отпуск в интервале температур от 180° (HRC 62. . !б4) до 520С (НР.С 63.. .65).

использование стали X12f3I.IT для. вырубных штампов позволяет повысить irc стойкость з 5-8 раз, что приближается к уровню стойкости штампов из твердого сплава, а в ряде случаев превышает его. Причем это достигается при значительно более рациональном легировании, обеспечивающем как высокий уровень сзойств, так и эконолшчность при изготовлении оснастки. Данный результат обусловлен тем, что указанный материал алеет структуру и комплекс свойств, оптимальных для конкретных условий эксплуатации.

Разработаны способы получения комплексных материалов путем нанесения методом ЮШ двухслойного покрытая из нитрида титана дсстехиометрического ■состава на диффузионный (азотированный) подслой пташовой стали. В рабочем слое покрытия наивысшая износостойкость достигается при давлении азота в камере установки 6,6хЮ"2Па (Шлонителънее решение по заявке на патент 114790040/02). Пр;пленеиие данного покрытия позволило повысить стойкость вырубных штампов з 6 раз. Азотированный подслой формируют при насыщении в атмосфере диссоциированного аммиака з течение 2-х часов. (Положительное решение по заявке на патент N4886912/02). Необходимые структура и свойства птамповой стали достигаются з результате термической' обработки, включающей закалку стал:! от позыиекшх- температур (.для стали 212М lOSO-C), с высоким ( 500-520°С), сокращенным (0,5 ч) дзукратным отпуском (А.С.СССР П1724703) для штампов, упрочняемых аошьвдазшгшгз п о крыт ия I, и закалку о многократным высоким отпуском

(520-530°С) в вакууме для комплексного упрочнения штампов (положительное решение по заявке на патент Н4923708/02).

Для условий износа в результате схватывания, в частности, для адгезионно-усталостного изнашивания, необходимо наносить многослойное покрытие из нитрида титана, в котором сочетается минимальное схватывание с обрабатываемой деталью и максимальная адгезия к подложке. Это реализуется при конденсации покрытия с нарастающим давлением азота от подложки к рабочему слою; (А.С.СССР N1580872; положительное решение по заявке на патент N4923703/02). Использование разработанных многослойных покрытий позволяет повысить стойкость инструмента в 5-7 раз.

Для условий адгезионного износа целесообразно использовать комплексное упрочнение, включающее многослойное покрытие из нитрида титана, осажденное на диффузионный подслой» с использованием методов плазмооптики. Высокая адгезия покрытия достигается при конденсации слоя с нарастающим спорным напряжением. (Положительное решение по заявке на патент N4887674/02). Оптимальные свойства и структура высокоазотистого мартенсита в диффузионном подслое комплексного покрытия достигается з результате кратковременного (0,5 ч) азотирования б атмосфере диссоциированного аммиака, (Положительное решение по заявке на патент N4907585/02). Обеспечение высокой адгезии на границе раздела покрытия и диффузионного подслоя достигается при комбинированной очистке поверхности инструмента газовой и металлогазозой плазмой, проводимой до и после насыщения поверхности. (Положительное решение по заявке на патент N5002455/21}. Использование комплексного упрочнения зля условии адгезионного износа инструмента с тонкой рабочей к,рсжо£ позволяет повысить его стойкость в 5-10 раз к повысить производительность резания з 2-4 раза. Пр;гчем удается сохранить повышенные эксплуатационные' свойства инструмента после его перешлпеовкн.

Для условий адгезионно-диффузионного износа использование комплексных покрытий целесообразно .при наличии многослойных покрытий из сложкояетпровакных нитридов на базе титана, циркония, гавкая п хрэмз, осажденных на • диффузионный подслой. Эффективное использование комплексных покрытий з условие: адгезионно-диЗйузионного износа возможно только з случае применения' з качестве основы высоколегированных быстрорежущих сталей, содержащих 5-8>5 кобальта к (Я -:- 1,4Ко) не менее 13-165, а также карбвдосталеЁ на их основе. (Положительное решение по заявке ка патент N5029552/02). Возможно использование инструмента из указанных материалов с комплексным упрочнением взамен твердосплавного.

Результаты внедрения в производство разработанных материалов и технологических процессов упрочнения позволяют:

- повысить стойкость инструмента в 5-10 раз;

- интенсифицировать режимы резания в 2-4 раза;

- использовать инструмент из разработанных материалов с комплексным упрочнением взамен твердосплавного.

Одновременно проведенные исследования позволили разработать систему машинного выбора материалов, алгоритм и программу, по которой для каждого типового отказа вырубного штампа определяют инструментальный материал для его изготовления. В результате реализован автоматизированный выбор оптимальных областей использования шгампозых материалов для вырубных штампов. Три этом учитывается опыт, накопленный при внедрении этих сплавов в промышленности. Внедрение в производство разработанных рекомендаций позволило повысить стойкость вырубных шампоз з 1,5-2 раза.

Экономический зффект ог знедрения разработанных материалов, технологических процессов л рекомендаций на ряде крупных промышленных предприятий приборостроения л электротехнической промышленности составил около 1 млн.оуб. (в ценах до 01.01.1992г.).

Основные выводы по диссертации:

1. В работе поставлена и решена крупная проблема, разработки научных принципов выбора материалов, обеспечивагщих достижение заданных эксплуатационных свойств инструмента и на этой основе решена ва-шая народнохозяйственная задача интенсификации процессов металлообработки инструментом при рациональном использовании дорогих, дефицитные металлов.

2. Разработана классификация основных механизмов изнашивания и разрушения вырубных штампов и ре:куцего инструтлента с учетом условий их работы.

Первая группа процессов - ¡ттвлсоддыд. Зто выкрашивание рабочих кромок вырубных штампов, обусловленной явлением малоцикловой усталости. Усталостный износ вырубных штампов подразделяется на: изнашивание по механизму малоцикловой усталости, усталостно-адгезионный износ при формировании локальных участков наростообразования на поверхности штампа.

Выявлена кинетика: 1) форкгоования зтор:!ЧЯЫх структур; 2) структурны:: превращений; 3) изменения напряженного состояния на позерхностп вырубных штампов при усталостном износе о целью определения путей управления структурой я свойствами

поверхности, обеспечивающими высокую износостойкость инструмента.

Вторая группа процессов связана с ианащив2ни£М_в_реву^1КЕат£ схватывания и подразделяется на:

- адгезионно-усталостный, протекающий при формировании неустойчивого нароста, в том числе, при наличии реверсного контакта (при малых скоростях деформирования, до 15 ;

- адгезионный, проявляющийся при формировании устойчивого нароста (при скоростях резания до 40 м/мин);

- адгезионно-диффузионный, * означающий при переходе от резания в условиях наростообразсвания к условия;.", пластического контакта инструмента со стружкой (скорости резания до 80 м/мин).

3. Предложены принципы конструирования композиционны:-; материалов на стальной основе для инструмента. Композиц!!онные материалы должны включать:

- основу из теплостойких инструментальных стале!: шп: материалов ка их базе;

- диффузионный подслой значительной толщины(25-45 мкм);

- износостойкое покрытие (толщиной 5-10 шал).

В композиционном материале рациональной конструкции обеспечивается плавкое изменение в направлении от сердцевины г. поверхности основных характеристик слоя. Изменения состава от сердцевины к поверхности заключается б последовательно!.: увеличении содержания элемента внедрения, причем, содержание элемента внедрения доеяю быть различным для разных условий кзкапсзгккя. Бри усталостном износе в упрочненном слое должки обеспечиваться сильные игтшышческвб связи, а при взносе в результате схватывания - понно-полярные за счет максимального содер^шя элемента внедрения для данного типа соединения у. каждом слое.

Изменение свойств от сезвдевкны к поверхности заключается и последовательном увеличении сопротивления шасинеоко!. деформации при сохранении повшенного сопротивления трещинообразовашш. Одновременно основа и какзг: никелешзй! слой должны обеспечивать юшиквиькуа пластическую дефсрлздзэ вышележащего слоя в процессе эксплуатации.

4. Предложены критерии оценки материалов для обеспечения высокой стойкости режущих и сташоиш: инструментов.

1). Анизотропия свойств износостойких покрытий. Оценивается по соотношению сопротивления нормальным (мккротвердостп и вязкости по Палкквпсту) н тангенциальным нагрузкам ('когезионной прочности). Анизотропия свойств должна быть максимальная при адгезионно-усталостном износе, снижаться при адгезионном износе, достигая шнинре при адгезионно-диффузионном износе для

противодействия усилению и стабилизации схватывания на контактных гранях икс груме н^а. Для условий усталостного изнашивания анизотропия свойств должна быть пониженной.

2). Напряженное состояние упрочненного поверхностного слоя. Остаточные напряжения сжатия доляны последовательно нарастать в направлении от основы к диффузионному подслою и по глубине слоя износостойкого покрытия к контактной поверхности инструмента.

5. Выбрана оптгслалъная структура инструментальной стали, диффузионного а поверхностного слоев комплексного покрытия з зависимости от преобладавдего кезаназтла •дзнатзакия. инструмента и с учетом предложенных критериев оценки материалов.

Высокое сопротивление :тт"л:т1'Тдоутг.,-| -а рдчУ-^ГЯ1?^ у?а.г.Г;Г)-,р;тсГ достигается при нанесении многослойных ионно-плазмс-нных покрытий на базе нитридов переходных металлов стехисглетричэскогс состава, при совершенно!! аксиально!' текстуре, о зага:-:::.ой анизотропией свойств и с высокой адгезией к оскозо.

Заданная анизотропия свойств достигается путэм.-

1) конденсации покрытий из нитрида титана в условиях, приближающееся к равновесна*. (для: метода !ЛЗ скорость конденсации около 5 мкгл/час); 2) сюрг-нгоования сильных кэзатешза связей iv.SK ионно-полярных, так :: м-зтодлическш:) при использовании покрытий из сдоннслегироза^з-к пктрндов. Адгезия многослойных покрытий к основе обеспечивается переходным слоем, характеризуемы . плавим снижением по цалгргзленияа к основе текстуры и остаточных шшш яапряязнпй.

Необходимое напряженное состоялиз упрочненного слоя достигается за счет усиливающиеся слимазсщяя напряжений, которые достигаются: 1) на поверхности инструментальной стали путем закалки на вторичную твердость (-200 ЫПа и более);

2) з диффузионном подслое при максимальном содержании элемента внедрения в однофазном твердом растворе, сформированном при кратковременном насыщении в процессе ионного азотирования (до -800 !ЛПа); 3) в слое износостойких покрытий, сформированных в равновесных для метода К513 условиях (до -2000.. .-3000 Ша).

Высокое сопротивление может быть

достигнуто нанесением покрытия трехфазного состава <=<.- Т1 + Т1М + Т1211, где Т12М образуется на границе раздела сС -71 и нитрида титана достехиометрического состава, при наличии сильных металлических связей. Покрытие наносят на диффузионный подслой со структурой малоазотисгого мартенсита, образуемого при формировании первых порций избыточных однофазных нитридов в процессе длительного насыщения . при иенном азотировании.

6. На основе предложенных научных положений разработаны новые материалы, способы упрочняющей й термической обработки, позволяющие обеспечить необходимую структуру и комплекс свойств инструмента, в том числе:

- гамма композицистшых материалов "инструментальная сталь с комплексным упрочнением" для всех выделенных механизмов износа инструментов;

- порошковая сталь Х12ФЗМТ для вырубных штампов;

- способы термической обработки штамповых сталей, обеспечивающих повышенную надежность работы композиционных материалов.

Разработанные технические решения защищены 12 авторскими свидетельствами и патентами.

7. Практическое применение разработанных материалов позволило:

- повысить CTOiiKOCTb инструмента в 5-10 раз, сохранив ее повышенный уровень после перешлифовки;

- интенсифицировать режимы резания в 2-4 раза;

- использовать инструменты с комплексным упрочнением на базе окстрорекушх сталей взамен твердосплавных.

Разработаны рекомендации по выбору сталей для изготовления вырубных атакпоз, использование которых позволило повысить их стойкость в 1,5-2 раза. Экономический эффект от внедрения результатов работ составил 1 млн.руб.

Основное содержание работ диссертации опубликовано г. следующих работа?;:

1. Моисеев E.g., Фукс-Рабинович Г.С., Быков М.В. Влияние структуры штаиювцх сталей на механизм изнсоа инструмента прг: вырубке.//Технология производства, научная организация труда к управление. -Ы., НИИмаш"'-197Э. -N2 -С.21-24.

2. Моисеев В Л>. ,Фукс-Рабинович Г. С., Быков-М.В. О механизме, износа штамповой стали при вырубке //Металловедение z: термическая обтаботка в автомобилестроении. -М., -1979. -Зып.1. -С.38-44.

3. Моисеев В.о., Фукс-Рабинович Г.С,, Дифференцированное назначение термической обработки внсокохрсшстых ледебуритшд:

штамповых сталей для вырубного инструмента //Технология, организация и экономика машиностроительного производства. -М., ШИмаш., 1982, -МП, -С. 1-6.

4. Кузнецов А.Н., Смольников Е.А., Фукс-Рабинович Г.С. Технология ускоренного отпуска вырубных штампов из стали Х12М //Технология, организация и экономика машиностроительного производства. -М., ЕНИИТЗМР, 1985. -Н9, -С.13-14.

5. Термическая обработка штампов из порошковой стали Х12ФЗМ /Моисеев З.Ф., фукс-Рабинович Г.С., Анох1Ш A.A. и др. //Технология, организация и экономика" машиностроительного производства. -М. •. ЕЕЖГЗМР, 1985. -N7. -С.12-13.

6. Георгиев М.Н., Фукс-Рабинович Г.С., Влияние трещпностойкостн инструментальных сталей на долговечность вырубных штампов //ФХ1ЛМ. -1986. -Н4. -С.89-92.

7. Рентгеновское исследование структурных превращений, происходящих в процессе эксплуатации вырубных штампов /Фукс-Рабинович Г.С., Цауроза Н.К., Строк Л.П. и др. // Прикладная рентгенография металлов.: Тез. докл. Зсесоюз. нонф. -Л., 1986. -С.14-16.

8. Леник К.С., Фукс-Рабинович Г.С. Состояние верхнего слоя инструмента и влияние на него изменяющихся циклических нагрузок з процессе вырубки //2-ой Мездунашдный симпозиум ШСИКОНГ. ' -Краков. 1986. -С.95-103.

9. Георгиев М.Н., Фукс-Рабинович Г.С., Роль твещиностойкости з изнашивании гететэофазкых штамповых сталей пси вырубке //ФШМ. -1987. -N3. -С.63-66.

10. Фукс-Рабинович Г.С. Рациональное применение материалов для изготовления вырубных штампов. -М.: ЕНИИТЗМР, 1988. Сер.8. -Был.7. -36 с.

11. Георгиев М:Н., Фукс-Рабинович Г.С:, Разрушение поверхностей гетерофазннх штамповых сталей з тяжелонагруженных узлах трения.//Трение и износ. -1988. -Т.9. -N5. -С.834-840.

12. Георгиев М.Н.. Фукс-Рабинович Г.С. Требования к структуре материалов ' с точки • зрения триботехнических особенностей разрушения здаубкых итатаоз //Трение и износ. -1988. -Т.9. -N6.'-С.1090-102S.

13. Леник К.С., Фукс-Рабинович Г.С., Кузнецов А.Н. О механизме изнашивания и разрушения рабочих частей вырубных атампов пои штамповке высоколегированной электротехнической стали //КШП. -1988.-Н12. -С.15-17.

14. Влияние фазового состава на износостойкость ионно-плазменных покрытий из нитрида титана /Фукс-Рабиксвич Г.С., Кацуш A.A., Моисеев З.Ф. л др. //Гренле и износ. -1989. -Т.10. -N4.*-С.742-745.

15. Системы автоматизированного выбора материалов для вырубных штампов с упрочняющими покрытиями /Фукс-Рабинович Г.С., Моисеев В.Ф., Кузнецов А.Н. и др. //КПП. -198S. -N12. -С.7-9.

16. Основные факторы,определяющие стойкость инструмента при вырубке /Фукс-Рабинович Г.С., Кузнецов А.Н.,Моисеев Е.Ф. к др. //КШП. -1990. -Н2. -С.16-18.

17. Вязкость и пластичность покрытий "титан-азот" / Моисеев В.Ф., Фукс-Рабинович Г.С., Досбаева Г.К. и- др. //Зав. лаборатория. -1990. -К1. -С.57-59.

18. Использование метода склерометрии для определения адгезионных свойств ионно-плазменных покрытий /Фукс-Рабинович Г.С., Моисеев В.Ф., Кацура A.A. к др. //Зав.лаборатория. -3990, -N2. -С.95-98.

19. Влияние структурных характеристик контактных поверхностей на работоспособность вырубных штампов /Фукс-Рабинович Г.С., Кузнецов А.К., Леник К.С. и др. //КИП. -1990. -№. -С.25-27.

20. Упрочнение вырубных штампов ионно-плазменнымп покрытиями из нитокда титана/Фукс-Рабпнович Г.С..Кузнецоз /.К., Леник К.С. и др.//ЫИ1. -1990. -НЮ. -С.15-18.

21. Фукс-Рабинович Г.С. ,И!аурова Н.К. .Травупкин U.M., Моисеев

B.Ф. Результаты термической обработки стали Х12М для повшения стойкости вырубных птампов. //Сб.натчк. та.ВНШГШ. -N1. -1990. -

C.93-104.

22. ©укс-Вабкнозич Г.С., Еауроьа Н.К., Кузьмина К.В. /Гас-остаточных мзкронапря^енкй ъ обеспечении еысокой работосгюсобност;: вируокых втешоз. //В сб. Прикладная рентгенография Металлов. Тез. докл. П-ой Всесоюзной научно-технической конф. -1990. -С.45-47.

23. еуко-10бйЕ021К Г.С., Досбаева Г.К. г Шаутоза Н.К. /Структура к свойства улрочнЕощпх ИОЕНО-Плйзтннш покрыт;::: т. TiK. //В сб. Подкладная рзкттеногрвфш: металлов. Тез. докл. 11-ой Всесоюзной научно-технической кока. -Л. -1990. -С.47-43.

24. Фукс-Рабинович Г.С., Каптер А.Я., Кацура A.A. к др. /Влияние ионно-Езазкенних покрытий из кнтрпда титана :-„: износостойкость ц контактную вкносдзгаостъ зысоколэгкрозакап-: подшшникозье сталей.//Трение п износ. -1991. -Т.12. -Кб. -С.306-310.

25. Моисеев 3 , Сукс-Вабтаовзч Т.О., досбаева Г.К. к др. /Близкие азота на структуру п свойства упрочняющих поверхностны:; покрытий на основе титана. //ФИЗХОМ. -1991. -К2. -С.118-122.

23. фукс-Рабинович Г.С., Тихонычев З.В., Иаурова Н.К. и др. /Повышение износостойкости быстрорэяувдк и птамповнх сталей при

ион- ном азотировании. //Трение и износ. -1991.-Т.12, -К5. -С.848-854.

27. Фукс-Рабинович Г.С. Комплексные покрытия для .формообразующего стального инструмента //В сб. "Пути повышения стойкости штампов и формообразующего инструмента" Тез. докл. научно-технического семинара. -М. -1992. -С.78-93.

28. Фукс-Рабинович Г.С., Додонов А.И., Огай В.С./Структура и свойства покрытий из нитрида титана, конденсированных с использованием плазмооптических систем.//В сб. "Пути повышения стойкости штампов и формообразующего инструмента. Тез. докл. научно-технического семинара. -М. -1992. -С.99-104.

29. Фукс-Рабинович Г. С.; Афанасьев С.Н. ДТовый композиционный материал: быстрорежущая сталь с комплексным упрочняющим покрытием.//В сб. "Пути повышения стойкости птампов и формообразующего инструмента". Тез. докл. научно-технического семинара. -М. -1992. -С.141-144

30. Цтаг.тювая сталь. -A.C. СССР Н 1167234 (Моисеев В.Ф., ФуксРабинович Г.С., Анохин A.A. и др.)

31. Способ нанесения покрытий на режущий и штамповый инструмент. -A.C. СССР Н 1580872 (Моисеев"В.£>., Фукс-Рабинович Г.С., Досбаева Г.К. и др.)

32. Способ упрочнения штампового инструмента. Положительное решение по зачвке Н 4790040/02 (Фукс-Рабинович Г.С., Моисеев З.Ф., Верещака A.C. и др.)

33. Способ химико-термической обработки. Положительное решение по зачвке N 4886912/02 (Фукс-Рабинович Г.С., Кузнецов А.Н., Моисеев З.Ф. и др.)

34. Способ упрочнения штаглпов из полутеплостойких сталей. Положительное решение по заявке N 4923703/02 (Фукс-Рабинович Г.С., Кузнецов А.Н., Моисеев В.Ф. и др.)

35. Способ химико-термической обработки. Положительное решение по заявке Н 4907585/02 (Фукс-Рабинович Г.С., Кузнецов А.Н., Тихонцчев В.В. и др.)

36. Способ упрочнения режущего инструмента из быстрорежущей стали. Положительное решение по зачвке !! 4887674/02 (Фукс-Рабинович Г.С., Додонов А.И., Огай B.C. и др.)

37. Способ термической обработки штампов из полутеплостойких сталей. A.C. СССР 1724703 (Фукс-Рабинович Г.С., Моисеев В.Ф., Кузнецов А.Н. и др.)

38. Способ комплексного упрочнения ;шструмента из быстрорежущих отаей, содержащих более 3% ванадия. Положительное решение по заявке N 4923708/02 (Фукс-Рабкновяч Г.С., Моисеев З.Ф., Богомолов 3.Г. и др.)

39. Способ комплексного упрочнения инструмента. Положительное решение по заявке ' N 5002455/21 (Фукс-Рабинович Г.С. )

40. Износостойкий порошковый материал. Положительное решение по заявке на патент N 5029552/02 (Фукс-Рабинович Г.С., Моисеев В.Ф., Афанасьев С.Е.).

41. G.S.Fox-Rabinovich. Structure of complex coatings. Wear, 1993, v.160, p. 6?-?6.

Подписано s печатг I*:.CF.P3 Формат бумаги PCxSC I/IP Объем 2,2 п.л. Заказ ДО Тяран 12G еьз. ТЕССграфвг ВНИКЕТ Е-я fâTEaЕйская ул.,д.10