автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Повышение эксплуатационного ресурса твердосплавных режущих пластин химико-термической обработкой

Кубанский государственный технологический университет Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

На правах рукописи

005013130

Мансиа Салахалдин

«Повышение эксплуатационного ресурса твердосплавных режущих пластин хнмико-термической обработкой»

Специальность: 05.16.09 —материаловедение (машиностроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 МАР 2012

Санкт-Петербург - 2011

005013130

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» и в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Соколов Александр Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Атрошенко Светлана Алексеевна

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ЦНИИ КМ «Прометей» Тимофеев Борис Тимофееевич

Ведущая организация:

НПФ «ПЛАЗМАЦЕНТР», г. Санк-Петербург

Защита состоится "18 " апреля 2012 г. в 16 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.229.19 в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, лабораторно-аудиторный корпус, кафедра «Машины и обработка металлов давлением».

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан " 14 " марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертацион ного совета,

доктор технических наук; профессор

Востров В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Высокопроизводительная обработка материалов резанием достигается использованием для обработки твердосплавного инструмента. Несмотря на то, что общее количество режущего инструмента из твердых сплавов не превышает 25%, этим режущим инструментом снимается до 65% стружки от общего объема стружки, снимаемого инструментом, изготовленным из всех применяемых инструментальных материалов. Однако интенсификация производства, применение в конструкциях новых труднообрабатываемых материалов и автоматизация процесса обработки предъявляют все более высокие требования к стойкости, надежности инструмента и качеству обработки резанием, вследствие этого проблема является весьма актуальной не только у нас в стране, но и во всем мире.

Наиболее перспективным направлением повышения эксплуатационного ресурса твердосплавного инструмента является направление нанесения на поверхность твердосплавного инструмента покрытий. Данное направление интенсивно развивается ведущими фирмами мира, такими как Sandvik Coromant (Швеция), Hertel (Германия), Kennametal (США), Mitsubishi (Япония) и др., а также российскими производителями: Кировоградский инструментальный завод, Sandvik МКТС, ЗАО "Холдинговая компания "Инструментальные заводы" и др., занимающимися производством твердосплавного инструмента.

Для нанесения покрытий на твердосплавный инструмент в настоящее время используются, в основном, два способа: первый - это метод химического осаждения CVD и его усовершенствованный метод низкотемпературного осаждения MT-CVD, и второй - метод физического осаждения PVD. Данные технологии широко используются ведущими мировыми компаниями, специализирующимися на выпуске твердосплавного инструмента, такими как: Sandvik Coromant, Hertel, Kenmnametal Hertel, Walter, и др.

Покрытия, получаемые данными методами, представляют собой слои из химически инертных и тугоплавких соединений, таких как карбид титана, нитрид титана, оксид алюминия, циркония и др. Нанесение покрытий на твердые сплавы позволяет значительно увеличить скорость резания, а, следовательно, и производительность процесса обработки, повысить стойкость инструмента, его геометрическую стабильность и качество обработки. Однако покрытия, нанесенные методами CVD и PVD, имеют ряд существенных эксплуатационных и технологических недостатков. К числу этих недостатков относятся, прежде всего: низкая адгезия, это особенно характерно для покрытий, получаемых методами CVD, высокая хрупкость, которая приводит к снижению прочностных свойств твердого сплава и накладывает ограничения на остроту режущей кромки инструмента, а затупленная режущая кромка - это возрастающие усилия в зоне резания и выделение тепла. Кроме этого, нитридные, карбидные,

оксидные покрытия обладают низкой теплопроводностью, что также способствует повышению температуры в зоне резания, а разогрев в зоне резания приводит к снижению стойкости инструмента и возникновению наростообразования на инструменте, что ведет к снижению качества обработки. При этом, способы химического и физического осаждения для их реализации требуют сложного, дорогого, энергозатратного оборудования, и технологические процессы связаны с использованием агрессивных, ядовитых сред.

Повышение эксплуатационных характеристик твердых сплавов может быть достигнуто также применением для нанесения покрытий технологии диффузионной металлизации твердых сплавов из среды легкоплавких жидкометаллических растворов. Соколовым А.Г., Артемьевым В.П., Соколовым Е.Г. предлагается наносить на поверхность твердосплавных пластин двухкомпонентные никель-медные покрытия, обладающие сочетанием уникальных свойств, таких как высокая вязкость и износостойкость.

Однако на данный период остаются практически неисследованными кинетика и особенности процесса формирования никель-медных покрытий на твердых сплавах, влияние режимов металлизации и состава покрываемого сплава на толщину покрытий, их состав, строение, структуру и свойства. Не исследован механизм упрочнения покрытий, возникающего в процессе механического воздействия на них. Не изучено влияние данных покрытий на стойкость режущего инструмента, качество обработки, а также на его технологичность. Отсутствуют рекомендации по технологии нанесения никель-медных покрытий и по рациональному использованию режущего инструмента с диффузионными никель-медными покрытиями. В соответствии с этим исследования, касающиеся изучения процесса формирования никель-медных покрытий на твердых сплавах и оценки влияния данных покрытий на эксплуатационные свойства твердосплавного режущего инструмента, являются весьма актуальными.

Цель работы и основные задачи исследования. Цель настоящей работы - исследование, анализ процесса и механизма формирования диффузионных никель-медных покрытий на твердых сплавах из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, а также оценка влияния данных покрытий на стойкость режущего инструмента и качество обработки труднообрабатываемых сплавов.

Задачи исследований: 1. Разработать технологии нанесения диффузионных никель-медных покрытий на твердые сплавы из среды легкоплавких жидкометаллических растворов и их деформационного упрочнения, а также произвести оценку влияния данной совокупности технологий и режимов этих технологий на работоспособность и технологичность твердосплавного режущего инструмента, производительность, качество обработки вязких труднообрабатываемых сплавов.

2. Установить влияние на состав, строение, структуру и свойства покрытий и переходного слоя, формирующихся под ними насыщающей среды, режимов металлизации, состава твердого сплава, а также выявить особенности и представить модель формирования диффузионных №+Си покрытий на твердых сплавах.

3. Установить влияние на структуру, свойства никель-медных покрытий, и, конечном итоге, на эксплуатационные свойства твердосплавного инструмента деформационного воздействия, возникающего в процессе механической обработки резанием и предварительной приработки покрытого инструмента.

4. Провести анализ и оценку влияния диффузионной металлизации, путем нанесения никель-медных покрытий, на паяемость твердосплавных пластин.

5. Разработать рекомендации по оптимизации процесса металлизации, применению технологии приработки режущего инструмента, а также рациональному использованию диффузионной металлизации для повышения работоспособности, технологичности инструмента и качества обработки.

Научная концепция. Разработка технологического решения повышения эксплуатационных свойств твердосплавного инструмента, имеющего общепромышленное и специальное применение, за счет диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов, а также научное и экспериментальное обоснование этого решения. Научная новизна

1. Установлено, что нанесение диффузионных никель-медных покрытий может эффективно использоваться для повышения стойкости твердосплавного инструмента и качества обработки труднообрабатываемых сплавов. При этом состав, строение, структура и свойства диффузионных никель-медных покрытий определяются составом насыщающей среды, режимом (температурой, длительностью) процесса и составом покрываемых твердых сплавов.

2. Установлено, что покрытие формируется в виде двух слоев. Поверхностный слой представляет собой твердый раствор № - Си - Бе -Со и ЧУ. При этом N1, Си, Ре присутствуют в покрытии вследствие их изотермического переноса транспортным свинцово-литьевым расплавом на поверхность твердого сплава и последующей их диффузии, Со и \У -вследствие диффузии этих элементов в покрытие из твердого сплава. Под поверхностным твердорастворным слоем формируется переходной слой, содержащий карбидные соединения для сплавов типа ВК - \УС, а для сплавов типа ТК - (\У/П)С. Твердая связка этих карбидов представляет собой твердый раствор № - Си - Ре - Со. Свойства этого слоя определяются составом покрываемого твердого сплава.

3. Обнаружено, что механизм формирования покрытий на твердых сплавах и протекающие при этом процессы имеют особенности, заключающиеся в наличии изотермического переноса железа из поверхностных слоев

стенок стальной ванны, в которой осуществляется процесс диффузионной металлизации, вследствие этого в покрытии содержится железо, а также в образовании переходного слоя значительной протяженности.

4. Выявлено, что механическое воздействие на твердосплавные пластины с никель-медными покрытиями, возникающее в процессе обработки резанием, или вследствие проведения предварительной приработки инструмента, приводит к росту его твердости, уменьшению коэффициента трения и повышению износостойкости покрытия, что связано с их наноструктурированием.

5. Установлено, что диффузионные никель-медные покрытия улучшают механические характеристики твердого сплава. Возрастает предел прочности на изгиб, вязкость разрушения 1цС, сопротивление усталостному разрушению, а также обеспечивают повышение стойкости режущего инструмента, качества и производительности обработки не только относительно режущего инструмента без покрытий, но и относительно инструмента с Р\Т) покрытиями.

6. Показано, что диффузионные никель-медные покрытия обеспечивают улучшение смачиваемости твердых сплавов припоем, увеличение адгезионной связи твердого сплава с припоем и компенсируют разность коэффициентов линейного расширения твердого сплава и материала корпуса инструмента. Это обеспечивает высокую прочность паяного соединения в паяном инструменте, и 100% выход годного инструмента при пайке труднопаяемых твердых сплавов.

7. В результате проведенных исследований получены новые технологические решения, подтвержденные заявкой на изобретение.

Практическая ценность работы

1. Разработаны технологии нанесения диффузионных никель-медных покрытий на твердые сплавы и технология приработки инструмента, обеспечивающие повышение его стойкости, точности, качества и производительности процесса обработки резанием, и рекомендуются для обработки вязких труднообрабатываемых сплавов, а также при прерывистом резании.

2. Определены режимы и технологические этапы нанесения диффузионных никель-медных покрытий на твердые сплавы типа ВК и ТК, обеспечивающие повышение стойкости режущего инструмента, изготовленного из этих сплавов, а также повышение качества и производительности процесса обработки.

3. Разработаны рекомендации по выбору твердого сплава и режимов диффузионной металлизации, обеспечивающиех улучшение качества обработки резанием труднообрабатываемых сплавов.

4. Нанесение никель-медных покрытий позволяет значительно расширить область применения экономнолегированных твердых сплавов, а также

снизить стоимость и сократить номенклатуру применяемых твердых сплавов.

5. Результаты работы были использованы на предприятии ЗАО «Станкозавод Седин».

Достоверность результатов обеспечивается использованием

фундаментальных положений теории и практики химико-термической обработки сплавов, большим объемом экспериментов, выполненных с привлечением современных методов исследований (электронной и оптической микроскопии, микроретгеноструктурного, микрорентгено-спектрального анализов и др.) опытно-промышленными испытаниями. Апробация работы

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 3 международных конференциях:

- Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сборник статей Международной научно-технической конференции. - Пенза: 2010;

- 13 международная научно-практическая конференция «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» 12-15 апреля 2011г. Санкт-Петербург;

- Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии» 7-9сентября 2011г. Ростов-на-Дону.

Публикации результатов работы

Основное содержание работы отражено в 7 печатных работах, в том числе в 3-х статьях, из них 1 работа опубликована в издании, входящем в список ВАК РФ. Библиографический список основных работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, основных выводов, библиографического списка и приложений. Содержит 163 страниц основного текста, включая 33 рисунка и 11 таблиц. В приложениях помещены акты внедрения результатов работы и промышленных испытаний. Библиографический список включает 120 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность и изученность проблемы использования технологий нанесения покрытий на твердые сплавы, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств твердосплавного режущего инструмента. Проведен анализ достоинств и недостатков методов СУБ и РУЭ, а также возможности применения для повышения эксплуатационных свойств твердосплавного инструмента технологии диффузионной металлизации из среды легкоплавких растворов, в частности,

технологии нанесения на твердый сплав диффузионных никель-медных покрытий. Сформулированы цель и задачи исследований. Приведены: перечень проведенных в работе исследований и работ, научная новизна, практические результаты исследований, положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ применяемых в настоящее время способов повышения эксплуатационных свойств твердосплавного режущего инструмента. В частности, выявлены факторы, влияющие на эксплуатационные свойства режущего инструмента, причины потери режущим инструментом работоспособности. Проведен анализ состава и классов твердых сплавов, применяемых для режущего инструмента, современных технологий поверхностного упрочнения инструмента ХТО, физических и физико-химических методов осаждения химических элементов или соединений с выявлением достоинств и недостатков технологий легирования и поверхностного упрочнения твердосплавного инструмента. Осуществлен обзор имеющихся сведений о свойствах металлических покрытий, наносимых методом диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов. Поставлена цель и сформулированы задачи исследований.

Во второй главе описано технологическое оборудование, применяемое для диффузионной металлизации инструмента, методики определения состава покрытий переходных слоев, а также их строения, структуры и свойств. Дан перечень материалов, на которых проводились исследования. Описаны методики проведенных исследований эксплуатационных свойств твердосплавного режущего инструмента, опытно-промышленных испытаний.

В третьей главе проведен анализ процесса и особенностей формирования диффузионных никель-медных покрытий. Выявлены факторы, влияющие на процесс и кинетику формирования покрытий: температуры, длительности процесса металлизации, состава покрываемого твердого сплава, и определено влияние этих факторов на возможность формирования покрытий, а также на их состав, структуру, свойства и покрытого твердого сплава в целом. Выявлены особенности механизма, определена модель формирования покрытий на твердых сплавах. Проведены исследования и сделан анализ влияния пластического деформирования покрытий на их структуру и эксплуатационные свойства покрытий. Установлено, что №-Си покрытия, образующиеся на твердых сплавах (рис. 1,2), имеют поверхностный слой, представляющий собой твердый раствор № - Си - Бе - Со (рис. 3.4). При этом N5, Си, Бе присутствуют в покрытии вследствие их изотермического переноса транспортным свинцово-литьевым расплавом на поверхность твердого сплава и последующей их диффузии, а Со и ХУ - вследствие диффузии этих элементов в покрытие из твердого сплава.

Рис. 1 - Твердосплавные шестигранные Рис.2 - №-Си покрытие па сплаве ВК8 пластины игЫЦМ-080404 с №-Си покрытиями (светлые) и без покрытий (темные).

Под поверхностным твердорастворным слоем формируется переходной слой, содержащий карбидные соединения для сплавов типа ВК - (рис.3), а для сплавов типа ТК - (\У,П)С (рис.4). Твердая связка этих карбидов представляет собой твердый раствор № — Си - Ре - Со.

100 .

i * 90 j

| о 80 i

| г 70 -{

: щ 60 ••

■: ^ 50 4

V

! 1 40 i

\ ü 30 :

I « 20 ;

! I ю ]

S 0 -

Рис.3 - Распределение элементов в Рис.4 - Распределение элементов в покрытии,

покрытии. Сплав ВК8. Сплав Т15К6.

При формировании покрытий на сплавах типа ТК переходной слой имеет более высокую твердость (HV21000 МПа), чем основа (HV18660 МПа), что связано с большим содержанием титана в карбиде (W,Ti)C, чем в основном материале.

Механическое воздействие на твердосплавные пластины с никель-медными покрытиями, возникающее в процессе обработки резанием, приводит к значительному изменению свойств твердорастворного слоя, в частности, возрастает его твердость, уменьшается коэффициент трения (0,04) и повышается износостойкость покрытия. Изменение свойств покрытия связано с их наноструктуированием - дроблением зерен с образованием субзерен размером от 14 до 50 нм.

25000

г..................¡..и деформации

О 10 20 30

Расстояние от края, мши

Рис.5 - Изменение микротвердости в приповерхностных слоях после пластического деформирования диффузионных никель-медных покрытий. Сплав Т15К6.

Диффузионные никель-медные покрытия улучшают механические характеристики твердого сплава. Возрастает предел прочности на изгиб в 1,2 раза, вязкость разрушения Кю, сопротивление усталостному разрушению.

Нанесение никель-медных покрытий увеличивает теплопроводность поверхностных слоев сплава, что обеспечивает снижение температуры

режущей кромки твердого сплава до 150°С, при этом также снижается возможность адгезионного схватывания твердого сплава с обрабатываемым материалом, что обусловлено наличием в покрытии меди.

Механизм формирования покрытий на твердых сплавах и протекающие при этом процессы, в отличии от механизма формирования покрытий на сталях, имеют особенности (рис.6): Рис. 6 - Схема процесса - наличие изотермического переноса железа из

формирования диффузионных поверхностных слоев стенок стальной ванны покрытий из среды легкоплавких (диффузионные ПОТОКИ ]Ре 0; .]о,Ге; ]ис,о), в которой растворов натвердахсплавах осуществляется процесс диффузионной металлизации, вследствие этого в покрытии содержится железо. Причиной этого переноса является отсутствие железа в твердом сплаве;

наличие значительного по протяженности переходного слоя, характеризующегося достаточно плавным (для переходного слоя) изменением концентрации элементов, находящихся в этом слое. В четвертой главе проведен анализ влияния диффузионных никель-медных покрытий на эксплуатационные свойства твердосплавного режущего инструмента. Проведена сравнительная оценка качества обработки вязких и твердых труднообрабатываемых сплавов непокрытым режущим

инструментом, режущим инструментом с РУП покрытием и с диффузионным никель-медным покрытием, нанесенным на режущий инструмент по исследуемой технологии. Кроме этого, оценено влияние диффузионных никель-медных покрытий на паяемость твердосплавных пластин и прочность паяных соединений. В частности, установлено, что нанесение диффузионных никель-медных покрытий на твердые сплавы обеспечивает повышение качества обработки труднообрабатываемых сплавов групп резания М и К, что связано со снижением склонности твердых сплавов с никель-медными покрытиями к адгезионному схватыванию - наростообразованию, механическому и коррозионно-механическому износам. При этом шероховатость поверхности (параметр Яа) (рис.7) может снижаться в 4,3 раза относительно поверхности, обработанной пластинами без покрытий, и в 1,8 раза - относительно поверхности, обработанной пластинами с РУО покрытиями.

Рис. 7 - Зависимость параметра Ка шероховатости поверхности алюминиевого сплава АМц от наличия на твердом сплаве покрытия и скорости резания. Режим 1 -Ури=60м/мин; Режим 2 -Ури=80 м/мин; Режим 3 -Урез=100 м/мин.

1 2 3

Рис.8 - Состояние поверхности трубы из стали 12Х18Н10Т после обработки твердосплавными РЬШМ - 110408 пластинами из сплава Т15К6. Скорость резания 140м/мин. 1 - обработка пластиной без покрытия; 2- обработка пластиной с никель-медным покрытием; 3 - обработка пластиной с РУЭ покрытием.

При обработке тонкостенных изделий исключается образование на обработанной поверхности шагрени (рис.8).

Нанесение диффузионных никель-медных покрытий на твердые сплавы приводит к повышению стойкости режущего инструмента с твердосплавными пластинами при обработке даже твердых, имеющих карбидные включения сталей (Х12МФ), при высоких скоростях резания, что обеспечивает повышение произ- водительности процесса обработки. Так, при точении твердосплавными пластинами из сплава Т15К6 период стойкости пластин с никель-медными покрытиями относительно непокрытых пластин выше в 3,6 раза, относительно пластин с РУБ покрытиями - в 1,64 раза.

Диффузионные никель-медные покрытия повышают технологич-ность твердого сплава, в частности, обеспечивает высокую прочность паяного соединения в паяном инструменте, при этом одновременно упрощается и удешевляется технологический процесс пайки за счет исключения необходимости применения никельсодержащих компенсационных прокладок. Прочность паяного соединения возрастает в 3,5 раза.

Кроме этого, диффузионные никель-медные покрытия, нанесенные на твердый сплав, устраняют явление растрескивания твердосплавных пластин, возникающего при пайке инструмента. При пайке даже без применения компенсирующих прокладок выход годного инструмента достигает 100%.

В пятой главе приведены рекомендации по выбору твердого сплава и режимов диффузионной металлизации с целью повышения качества обработки резанием труднообрабатываемых сплавов, а также рекомендации по использованию разработанного в данной работе способа повышения износостойкости никель-медных покрытий путем проведения приработки инструмента на легкообрабатываемых сплавах. В частности, установлено, что нанесение никель-медных покрытий позволяет значительно расширить область применения экономно-легированных твердых сплавов, а также снизить стоимость и сократить номенклатуру применяемых твердых сплавов.

Для повышения работоспособности никель-медных покрытий в диссертационной работе был разработан и запатентован способ обработки инструмента, упрочненного никель-медными покрытиями. Для повышения работоспособности никель-медных покрытий предлагается в технологический цикл вводить этап упрочняющей приработки покрытого инструмента на материале пониженной твердости (10... 18 Н11СЭ), при величине контактных напряжений от 2000 до 5000 МПа, в течение 2...5 минут. При такой обработке диффузионное никель-медное покрытие самоупрочняется, его микротвердость повышается до 6000...7000 МПа, и при этом не наблюдается уноса материала покрытия вследствие образования задиров. Сформировавшееся в результате приработки покрытие обладает высокой стойкостью к адгезионному схватыванию, механическому истиранию и деформированию при сохранении тех положительных эксплуатационных свойств, какими обладают никель-медные покрытия.

С целью оценки эксплуатационных свойств твердосплавного режущего инструмента с диффузионными никель-медными покрытиями в условиях промышленного производства на станкостроительном предприятии ООО «СП Седин-Шисс» проводились опытно-промышленные испытания. Оценка стойкости режущего инструмента и шероховатость обработанной поверхности проводилась путем точения на карусельном станке 1А516МФ4 железнодорожных колес.

Результаты опытно-промышленных испытаний показали, что нанесение диффузионных никель-медных покрытий на режущие твердосплавные пластины при чистовой обработке железнодорожных колес, изготовленных из стали 65Г, обеспечивает повышение стойкости режущих пластин в 2,1 раза, при этом параметр шероховатости обработанной поверхности Яа снижается в 1,76 раза.

В заключении работы осуществлен анализ проведенных исследований и сформулированы основные выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что нанесение диффузионных никель-медных покрытий из среды легкоплавких жидкометаллических растворов может быть эффективно использовано для повышения работоспособности твердосплавного режущего инструмента, производительности и качества обработки. Так, шероховатость поверхности (параметр 11а) может снижаться в 4,3 раза относительно поверхности, обработанной пластинами без покрытий, и в 1,8 раза - относительно поверхности, обработанной пластинами с РУБ покрытиями. При точении твердосплавными пластинами из сплава Т15К6 период стойкости пластин с никель-медными покрытиями относительно непокрытых пластин выше в 3,6 раза, относительно пластин с РУБ покрытиями - в 1,64 раза.

2. Установлено, что возможность формирования №-Си покрытий на твердых сплавах, кинетика их формирования, а также состав, строение, структура и свойства покрытий зависят от состава транспортного расплава, условий процесса, режимов диффузионной металлизации. При этом покрытия рационально наносить из РЬ-Ы транспортного расплава при температуре 1150°С. М-Си покрытие после диффузионной металлизации твердого сплава состоит из поверхностного и переходного слоев. Поверхностный слой представляет собой твердый раствор № - Си - Бе - Со и При этом

Си, Бе присутствуют в покрытии вследствие их изотермического переноса транспортным свинцово-литьевым расплавом на поверхность твердого сплава и последующей их диффузии, Со и № - вследствие диффузии этих элементов в покрытие из твердого сплава. Переходной слой содержит карбидные соединения для сплавов типа ВК - У/С, а

для сплавов типа ТК - (\У,Т1)С. При этом твердая связка этих карбидов представляет собой твердый раствор № - Си - Бе - Со. В механизме формирования покрытий на твердых сплавах имеются особенности, это:

- наличие изотермического переноса железа из поверхностных слоев стенок стальной ванны, вследствие этого в покрытии содержится железо, оказывающее положительное влияние на прочностные свойства покрытий;

- наличие значительного по протяженности переходного слоя, характеризующегося достаточно плавным (для переходного слоя) изменением концентрации элементов, находящихся в этом слое.

3. Установлено, что на структуру, свойства никель-медных покрытий, и, конечном итоге, на эксплуатационные свойства твердосплавного инструмента оказывают влияние пластические сдвиговые деформации, возникающие в покрытии в процессе обработки резанием, или вследствие проведения предварительной приработки инструмента улучшают механические и эксплуатационные характеристики твердосплавного инструмента. Возрастает предел прочности на изгиб в 1,2 раза, вязкость разрушения К]С, сопротивление усталостному разрушению. Растет твердость покрытий, уменьшается коэффициент трения, повышается износостойкость покрытий. Такие изменения свойств покрытий связаны с их наноструктурированием - дроблением зерен с образованием субзерен размером от 14 до 50 нм.

4. Нанесение диффузионных №-Си покрытий обеспечивает высокую прочность паяного соединения в паяном инструменте, при этом одновременно упрощается и удешевляется технологический процесс пайки за счет исключения необходимости применения никель-содержащих компенсационных прокладок. Прочность паяного соединения возрастает до 3,5 раз. При пайке труднопаяемых твердых сплавов выход годного инструмента составляет 100%.

5. Рекомендуется проводить нанесение №-Си покрытий на экономно-легированные твердые сплавы по оптимизированным в работе режимам и условиям диффузионной металлизации, а также использовать разработанную в работе технологию приработки твердосплавного режущего инструмента с №-Си покрытиями. Это позволяет значительно расширить область применения экономно-легированных твердых сплавов, а также снизить стоимость и сократить номенклатуру применяемых твердых сплавов при одновременном повышении качества и производительности процесса обработки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Соколов А.Г., Мансиа Салахалдин. Диффузионная металлизация твердых сплавов как способ повышения работоспособности режущего инструмента и качества обработки труднообрабатываемых сплавов // Технологии металлов. - 2011. - №7. С. 40 - 46. (Журнал из перечня изданий, рекомендованных ВАК по машиностроению).

2. Заявка №20101400572, МПК С23 С 10/20 (2009.01). Способ обработки инструмента из стали или твердосплавного инструмента / А.Г. Соколов РФ, Мансна Салахалдин РФ от 4.10.10. - заявлено 04.10.10; решение о выдачи патента от 11.01.12.

3. Мансиа С., Артемьев В.П. Формирование диффузионных никель-медных покрытий на твердых сплавах // В сб. «Машиностроение» -Краснодар, 2007.- С.110-112.

4. Артемьев В.П., Соколов Е.Г., Мансна С. Влияние насыщающей среды на формирование диффузионных покрытий на твердых сплавах // Современные технологии в машиностроении: сб. статей XI Международной научно.-практ. конф. - Пенза, 2007. - 2007. - С.9-11.

5. Соколов А.Г., Артемьев В.П., Мансиа Салахалдин. Диффузионная металлизация твердых сплавов как способ повышения их работоспособности и качества обработки // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сборник статей Международной научно-технической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. С.154-157.

6. Соколов А.Г., Артемьев В.П., Мансиа Салахалдин. Повышение работоспособности твердосплавного режущего инструмента и качества обработки труднообрабатываемых сплавов путем его диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов // 13 международная научно-практическая конференция «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» 12-15 апреля 2011г. Часть 1С. 305-311.

7. Соколов А.Г., Мансиа Салахалдин. Влияние диффузионных никель-медных покрытий на свойства твердых сплавов и работоспособность режущего инструмента // Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии» 7-9сентября 2011г. Ростов-на-Дону, С. 289-293.

Подписано в печать 12.03.2012 г. Гарнитура Тайме. Печать ризография. Бумага офсетная. Заказ № 3032 Усл. печ. лист. 1,0. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии ООО «Копи-Принт». Краснодар, ул. Красная, 176, оф. 3. т/ф 279-10-40. E-mail: copyprint@mail.ru IK «Центр города»

61 12-5/2646

Кубанский государственный технологический университет Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Мансиа Салахалдин

Повышение эксплуатационного ресурса твердосплавных режущих пластин химико-термической обработкой

Специальность 05.16.09 - материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н.

А.Г. Соколов

Санкт - Петербург - 2011

Содержание

Введение................................................................................. 5

Глава 1. Анализ способов повышения эксплуатационных свойств твердосплавного режущего инструмента........................................ 19

1.1 Факторы, влияющие на эксплуатационные свойства режущего инструмента............................................................................. 19

1.1.1 Причины потери инструментом работоспособности при обработке резанием................................................................................. 19

1.1.2 Критерии работоспособного состояния инструмента................. 25

1.1.3 Факторы, влияющие на стойкость.......................................... 27

1.2 Твердые сплавы, применяемые при обработке резанием............ 31

1.2.1 Классификация твердых сплавов по составу............................ 31

1.2.2 Классификация твердых сплавов в зависимости от обрабатываемого материала и типа снимаемой стружки.................... 52

1.3 Способы повышения стойкости твердых сплавов...................... 54

1.3.1 СУБ - покрытия............................................................... 55

1.3.2 РУБ-покрытия................................................................ 59

1.3.3 Химико-термические методы нанесения металлосодержащих

покрытий................................................................................ 62

Заключение. Цель и задачи исследований........................................ 68

Глава 2. Технологии и оборудование для диффузионной металлизации

из среды легкоплавких жидкометаллических растворов. Материалы и

методики исследований............................................................... 72

2.1 Технологии и оборудование для диффузионной металлизации из среды легкоплавких растворов..................................................... 72

2.2 Материалы, образцы и методика нанесения покрытий из среды легкоплавких растворов.............................................................. 79

2.3 Методики исследования свойств покрытий и покрываемого материала................................................................................ 81

2.4 Методики определения эксплуатационных свойств твердых

сплавов.................................................................................... 85

Глава 3 Анализ процесса и особенностей формирования диффузионных никель-медных покрытий из среды легкоплавких жидкометаллических растворов................................................................................ 89

3.1 Факторы, влияющие на процесс формирования покрытий 89

3.1.1 Влияние транспортного расплава и его выбор.......................... 91

3.1.2 Влияние режимов диффузионной металлизации и состава твердого сплава на кинетику формирования покрытий.................................. 96

3.1.3 Влияние состава твердого сплава на состав, строение, структуру и свойства покрытий.................................................................... 107

3.1.4 Влияние деформирования никель-медных покрытий на их структуру и свойства.................................................................. 114

3.2 Влияние нанесения диффузионных никель-медных покрытий на свойства твердого сплава............................................................ 116

3.3 Особенности механизма формирования никель-медных покрытий на твердых сплавах. Модель формирования твердорастворных покрытий

на твердых сплавах................................................................... 124

Выводы по третьей главе............................................................ 128

Глава 4 Анализ влияния нанесения диффузионных никель-медных покрытий на эксплуатационные свойства твердосплавного режущего инструмента............................................................................. 131

4.1 Влияние диффузионных никель-медных покрытий на качество обработки труднообрабатываемых сплавов.................................... 131

4.2 Влияние диффузионных никель-медных покрытий на стойкость режущего инструмента.............................................................. 138

4.3 Влияние диффузионных никель-медных на паяемость твердосплавных пластин и прочность паяных соединений 142

Выводы по четвертой главе......................................................... 147

Глава 5 Рекомендации по применению диффузионной металлизации путем нанесения никель-медных диффузионных покрытий на твердые сплавы для повышения их эксплуатационных свойств. Рекомендации по практическому использованию процесса........................................ 149

5.1 Выбор твердого сплава и режимов диффузионной металлизации для улучшения качества обработки резанием труднообрабатываемых сплавов................................................................................... 149

5.2 Рекомендации по использованию предварительной приработки инструмента для повышения его стойкости..................................... 150

5.3 Результаты проведения сравнительных опытно-промышленных

испытаний твердосплавного режущего инструмента.......................... 153

Выводы по 5 главе..................................................................... 157

Заключение.............................................................................. 158

Основные выводы..................................................................... 161

Список использованной литературы............................................. 164

Приложение 1. Акт об использовании результатов кандидатской

диссертационной работы............................................................ 179

Приложение 2. Акт опытно-промышленных испытаний твердосплавных пластин RNUM-250600 с диффузионными Ni-Cu покрытиями.............. 181

ВВЕДЕНИЕ

Твердые сплавы являются в настоящее время основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов резанием.

Несмотря на то, что общее количество режущего инструмента из твердых сплавов не превышает 25%, этим режущим инструментом снимается до 65% стружки от общего объема стружки, снимаемого инструментом, изготовленного из всех применяемых инструментальных материалов. Такое различие в количестве применения твердого сплава и объемом обработки обусловлено высокой стойкостью твердосплавного инструмента и производительностью процесса обработки.

Однако интенсификация производства, применение в конструкциях новых труднообрабатываемых материалов и автоматизация процесса обработки предъявляют все более высокие требования к стойкости, надежности инструмента и качеству обработки резанием, вследствие этого проблема повышения эксплуатационного ресурса твердосплавного инструмента является весьма актуальной не только у нас в стране, но и во всем мире.

Повышение эксплуатационных характеристик твердосплавного инструмента ведется в двух направлениях: во-первых, это традиционный путь, заключающийся в оптимизации состава твердого сплава путем применения в качестве связующего многоэлементных твердых растворов и в качестве твердой фазы - карбидов, карбонитридов, нетрадиционных для этих сплавов металлических элементов (Сг, НТ, Ъх и др.). Второе направление, обеспечивающее повышение эксплуатационных характеристик твердосплавного инструмента, основано на изменении механических характеристик (в частности,

износостойкости) поверхностных слоев режущей части инструмента за счет изменения их состава, которое осуществляется путем нанесения покрытий.

Второе направление интенсивно развивается ведущими фирмами мира, такими как Sandvik Coromant (Швеция), Hertel (Германия), Kennametal (США), Mitsubishi (Япония) и др., а также российскими производителями: Кировоградский инструментальный завод, Sandvik МКТС, ЗАО "Холдинговая компания "Инструментальные заводы" и др., занимающимися производством твердосплавного инструмента. Выбор данного направления обусловлен тем, что нанесение покрытий обеспечивает создание композиционного

инструментального материала, поверхностный слой которого обеспечивает высокую износостойкость, а сердцевина обеспечивает ему требуемую несущую способность при высоких температурах, возникающих при резании.

Для нанесения покрытий на твердосплавный инструмент в настоящее время наиболее распространенными являются два способа: первый - это метод химического осаждения CVD и его усовершенствованный метод низкотемпературного осаждения MT-CVD, и второй - метод физического осаждения PVD (конденсации с ионной бомбардировкой). Данные технологии широко используются ведущими мировыми компаниями, специализирующимися на выпуске твердосплавного инструмента, такими как Sandvik Coromant, Hertel, Kenmnametal Hertel, Walter, и др [1].

Покрытия, получаемые данными методами, представляют собой слои с кристаллической структурой из химически инертных и тугоплавких соединений, таких как карбид титана, нитрид титана, оксид алюминия, циркония и др. Нанесение покрытий на твердые сплавы позволяет значительно увеличить скорость резания, а, следовательно, и производительность процесса обработки, повысить стойкость инструмента, его геометрическую стабильность и качество обработки. Однако покрытия, нанесенные методами CVD и PVD,

имеют ряд существенных эксплуатационных и технологических недостатков. К числу этих недостатков относятся, прежде всего, низкая адгезия, это особенно характерно для покрытий, получаемых методами С\Т), высокая хрупкость, которая приводит к снижению прочностных свойств твердого сплава и накладывает ограничения на остроту режущей кромки инструмента, а затупленная режущая кромка - это возрастающие усилия в зоне резания и выделение тепла. Кроме этого, нитридные, карбидные, оксидные покрытия обладают низкой теплопроводностью, что также способствует повышению температуры в зоне резания, а разогрев в зоне резания приводит к снижению стойкости инструмента и возникновению наростообразования на инструменте, что ведет к снижению качества обработки[2].

Что касается затратности и технологичности способов химического и физического осаждения, то для их реализации требуется сложное, дорогое, энергозатратное оборудование, и технологические процессы связаны с использованием агрессивных, ядовитых сред.

Решение вышеуказанных проблем может быть достигнуто применением для нанесения покрытий технологии диффузионной металлизации твердых сплавов из среды легкоплавких жидкометаллических растворов. Авторами работы [3] предлагается наносить на поверхность твердосплавных пластин двухкомпонентные никель-медные покрытия, обладающие сочетанием уникальных свойств, таких как высокая вязкость и износостойкость. Износостойкость исходно мягкие пластичные никель-медные покрытия приобретают в процессе работы инструмента. Это связано с интенсивным деформированием покрытий на твердой основе (твердом сплаве), приводящим к деформационному упрочнению, одна из причин которого - дробление зерен (наноструктурная полигонизация), а наличие в покрытии меди способствует возникновению эффекта безызносности[4, 5]. Кроме этого, никель-медные

покрытия обеспечивают низкий коэффициент трения в зоне резания и обладают высокой теплопроводностью и паяемостью.

Диффузионные металлические покрытия - наиболее распространенный способ повышения работоспособности изделий из конструкционных материалов и сплавов в различных эксплуатационных условиях, особенно для защиты от воздействия агрессивных сред. Это объясняется их высокой плотностью, хорошей совместимостью покрытий с основным материалом, так как при диффузионной металлизации происходит легирование материала изделия элементом покрытия с образованием твердых растворов, интерметаллидных соединений, а также твердых карбидных соединений, упрочняющих и стабилизирующих структуру[5]. Однако, несмотря на вышеперечисленное, диффузионная металлизация для повышения стойкости инструмента используется весьма ограниченно (в основном диффузионное хромирование, титанирование), а для твердых сплавов вообще не применяется, что объясняется неотработанностью технологий диффузионной металлизации и малой изученностью влияния диффузионной металлизации на свойства инструментальных материалов.

Теоретические и практические положения, касающиеся ХТО, к которой относится и диффузионная металлизация, освещены в основополагающих работах ведущих ученых: Б.Н.Арзамасова, В.И.Архарова, Н.С.Горбунова, Г.Н.Дубинина, Г.В.Земскова, В.М.Зинченко, М.Г.Карпмана, Я.Д.Когана, Ю.М.Лахтина, Л.С.Ляховича, А.Н.Минкевича, Д.А.Прошкина. Вопросы, касающиеся кинетики формирования металлических покрытий, описания диффузионных процессов при получении покрытий, их работоспособности наиболее полно отражены в работах ученых: В.П.Артемьева, А.Г. Соколова, В.Т.Борисова, Я.Е.Гегузина, К.П.Гурова, Б.Я.Лобова, А.П.Мокрова, М.И.Чаевского, В.Ф.Шатинского, Г.В.Щербединского.

Среди применяемых в настоящее время способов диффузионной металлизации наиболее эффективным способом повышения стойкости инструмента является способ нанесения покрытий из среды легкоплавких жидкометаллических растворов. Данная технология позволяет получать покрытия на инструменте самой сложной конфигурации, при наличии на нем острых кромок, малых отверстий [8]. При этом образующиеся покрытия характеризуются равномерностью по толщине, стабильностью состава, свойств и высоким качеством. Технология диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов с практической точки зрения обладает еще двумя существенными достоинствами - это технологическая простота процесса и простота технологического оборудования для ее осуществления, что делает данную технологию промышленнореализуемой [3, 5, 8].

Технологический процесс диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов основан на явлении изотермического, селективного переноса элементов покрытия, растворенных в легкоплавком расплаве, на поверхность изделия с последующим диффузионным взаимодействием элементов покрытия с основным материалом изделия. Легкоплавкий расплав в данной технологии выполняет функцию промежуточной транспортной среды и сам не диффундирует в объем насыщаемого металла [8].

В настоящее время многие вопросы, касающиеся диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, недостаточно изучены. Авторами патента [3] для повышения стойкости твердых сплавов и качества обработки в для покрытия предлагаются двухкомпонентные никель-медные покрытия. Как показали исследования влияния никель-медных покрытий на работоспособность стального

инструмента [5, 8] и оценочные исследования стойкости твердых сплавов с никель-медными покрытиями, данные покрытия могут существенно повышать эксплуатационные характеристики режущего инструмента. Однако, что касается твердых сплавов, то на данный период остаются практически не исследованными кинетика и особенности процесса формирования никель-медных покрытий на твердых сплавах, влияние режимов металлизации и состава покрываемого сплава на толщину покрытий, их состав, строение, структуру и свойства. Не исследован механизм упрочнения покрытий, возникающего в процессе механического воздействия на него. Не изучено влияние данных покрытий на стойкость режущего инструмента, качество обработки, а также на его технологичность. Отсутствуют рекомендации по технологии нанесения никель-медных покрытий и по рациональному использованию режущего инструмента с диффузионными никель-медными покрытиями.

Цель диссертационной работы - исследование и анализ процесса диффузионной металлизации твердых сплавов из среды легкоплавких жидкометаллических растворов путем нанесения на них диффузионных никель-медных покрытий, обеспечивающих повышение стойкости режущего инструмента и качества обработки труднообрабатываемых сплавов.

Задачи исследований: 1. Разработать технологии нанесения диффузионных никель-медных покрытий на твердые сплавы из среды легкоплавких жидкометаллических растворов и их деформационного упрочнения, а также произвести оценку влияния данной совокупности технологий и режимов этих технологий на работоспособность и технологичность твердосплавного режущего инструмента,

производительность, качество обработки вязких труднообрабатываемых сплавов.

2. Установить влияние на состав, строение, структуру и свойства покрытий и переходного слоя, формирующихся под ними насыщающей среды, режимов металлизации, состава твердого сплава, а также выявить особенности и представить модель формирования диффузионных №+Си покрытий на твердых сплавах.

3. Установить влияние на структуру, свойства никель-медных покрытий, и, конечном итоге, на эксплуатационные свойства твердосплавного инструмента деформационного воздействия, возникающего в процессе механической обработки резанием и предварительной приработки покрытого инструмента.

4. Провести анализ и оценку влияния диффузионной металлизации, путем нанесения никель-медных покрытий, на паяемость твердосплавных пластин.

5. Разработать рекомендации по выбору режимов процесса металлизации, применению технологии приработки режущего инструмента, а также рациональному использованию диффузионной металлизации для повышения �