автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение износостойкости быстрорежущих инструментов на основе исследования условий их трения с обрабатываемыми материалами и реализации новых технологических возможностей

! С; I

ГООУДАРСТВЕННЫЯ КОМИТЕТ РСФСР ПО ДЕЛАМ НАТО! И БНСШЕЙ ПКОЛЫ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СТЛИКОКЮТРЛШГГАЛЬШЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи ВНУКОВ Юрий Николаевич

ПОЕЬШШЕ ИЗЮСОСТОПКОСТИ ШСТРОГЕШИХ ИНСТРПИТГОВ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСЛОВИЯ ИХ ТРЕМЯ С ОБРАБАТЫВАЕМЫМИ МАТЕРИАЛАМИ И РЕАЛИЗАЦИИ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ

Специальность 05.03.01 - "Процессы механической и физико-тех-ничэской обработки, станки и инструмент" «.в

Автореферат

диссертации иэ соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1992г.

Работа выполнена в Украинском научно-исследовательском иноп

туте опьциальншс огалэй, сплавов и ферросплавов г. Запорожье. Официальные оппоненты: ЗаслуЕвшшй деятель науки и техники РСФСР

на заседании специализированного оовега Д 063.42.01 Московского ордена Трудового Красного Знамени отаялоинотруменгалыюго института по адресу: 103055, Москва.Вадковский пер., д.За.

0 диссертацией кокно ознакомиться в библиотеке Московского сганкоинотруменгального инотитута за месяц до защиты.

Баш отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью учрозденк просим направлять в Совет по указанному вдреоу.

д.т.н., проф. Старков Б.К. д.т.н., проф. Якубов Ф.Я. д.г.н., проф. Дрожжин В.И.

Ведущие предприятие "Укроргоганкинпром" г. Харьков

п

1992г. в 11 ЧЕО.

^Ученый секретарь специализированного оовега кф-м.и., доцент

■/ | оваля ХАРА1СГЕРИСТИКА РАБОТЫ

ктуалъность проблема. Развитие обрабатывающих отраслей промш-енности срязано с интенсификацией процессов механической обра-отки, в связи с чем Еопрос о поЕЫшении износостойкости режу-их инструментов выдвигается в ряд наиболее актуальных проблем еикностроенил.

Несмотря на то, что промышеннону использованию быстроре-ур.ей стали (БС) в качестве инструментального материала цля рг.уг.его инструмента уже более 80 лет, однако, и сегодня она роЕдлжепт играть важнейшую роль. Объемы инструментов из БС на аз.пчнпх предприятиях достигают от 40 до 80*. Это связано с

яцсм взпшейиих достоинств, отлачащих БС от других инструмен-■альных материалов, таких как: хорошая обрабатываемости реза-1ием и давлением в отожженном состоянии, возможность взготав-(иевть инструмент сложной Лормн, высокая прочность, вязкость I меньшая чувствительность к динамическим нагрузкам в процессе эксплуатации. В настоящее время в УкрИИИспецсталп, Станкине, Ш АН УССР. ЗШинструменте, ЦНШчермете и др. организациях ;едутся работы по совершенствовании марочного сортамента л ногам технологиям получения БС,'а такие по всевозможным способам поверхностного упрочнения и нанесешш износостойких пленок.

Все ррзрвботки направлены на решение важнейшей задачи -зовншение износостойкости режущего инструмента.

Однако, анализ отечественных и зарубежных исследований показывает, что набор стандартных характеристик, отражающих объемные свойства БС, таких как: вторичная твердость, прочность на изгиб, ударная вязкость и красностойкость не позг хпяют прогнозировать износостойкость реяущих инструментов для конкретных условий резания. Например, порошковые быстрорежущие стали

имеющие высокие и илизкие по значениям пока зь гели. осноены^ сеойств, существенно отличаются по износостойкости.

Более того, легко убедиться, что нанесение пленочных покрытий и упрочнение поверхностных слоеЕ, не изменяя выше приведенных' объемных свойств БС, может увеличить износостойкость инструмента б несколько раз.

Из этого следует, что дальнейшее развитие физических представлений, теоретических и экспериментальных исследований явлений и закономерностей трения и изнашивания инструментов из ЕС представляет собой актуальную задачу, решение которой позволит значительно поексигь эффективность разработок, направленных на создание новых инструментальных материалов и технологий цдя повышения износостойкости быстрорежущих инструментов.

Исследование проводилось автором в отделе инструментальных сталей Украинского научно-исследовательского института специальных сталей, сплэеое и ферросплавов г. Запорожье.

Работа выполнялась по ежегодным координационным планам научно-исследовательских работ Министерства Металлургии СССР по направлению 1.26.1. Инструментальные стали. Гяц основных разделов работы выполнен по постановлениям ГКНТ и Госплана РССР )ё .72/248 от 12.12.80 программа 0.16.08 задание 03.02 И й 211/425 от 06.II.81 программа '0.16.08 задание 03.01, а такЕе по Постановлению СССР от II.02.B6 г. Зе 212 (Приказ №1 ССОР от 17.03.86 И 431) "О дальнейших мерах по развитию производства и восстановлению деталей и изделий с улрочняаща-

ыи покрытия,'«! на 1986-1990 гг. и "Государственной научно-технической программе "Перспективные материалы" утв. Постановлением ГШ от 23.02.89 г. (Разработка новых материалов с высокий демпфирующими и триботехническами ово;чствь,ли).

1Ыо работы является повыпение износостойкости быстрорежущих зтрументов путем реализации новых технологических возможней на основе экспериментального исследования процессов зния и изнашивания приповерхностных слоев инструментально и обрабатнваемого материалов при резании.

учная новизна работы заключается в установленных закономерно-к процессов контактного взаимодействия инструментального и рабатываемого материалов при трении в условиях резания, на ковании которых разработана методология аттестации $изико-иических свойств инструментальных материалов, определяющих носостойкость режущих инструментов.

годы исследований.

Для исследования условий совместного контактирования и из-

шивания приповерхностных слоев БС и обрабатываемого материа-без разрушения зоны трения при резании, разработана специ-ьная методика (A.C. И 776747, СССР).

При определении роли контактной температуры на условия ения и стружкообразования при резании, в режущую пластину одили тепловой источник, позволяющий изменять контактную тем-ратуру инструмента непосредственно во время обработки.

При изучении тешгофизических сеойств инструментальных стай использовали нестационарный метод продольных температурных лн в коротких стержнях.

При изучении приповерхностных характеристик.инструменталь-х материалов разработаны специальные методы и созданы прибо-цля измерения: - адгезионной активности с обрабатываемы.! материалом :.Р. Л 4854879/28 от 28.05.91 г.);

. • - сопротивления обратимому и необратимому тепловому разупрочнения во времени (П.Р. И 4666891/25-28 от 27.03.89г.);

- фрикционной усталости при резании (П.P. J5 4846198/28 oí 7.05.SO г);

- прочности сцепления пленочного покрытия с подложкой;

- толщины многослойных и композиционных пленок на быстрорежущей подложке.

Исследование проводили на БС PI8, Р6М5, Р2АМ9К5, РШ5ФЗ, Р6М5К5 (ГОСТ 19265-73) I0P6M5X5 (ТУ I4-I-I884-76), порошковых БС Р61Д5ФЗ-Ш1, РШ5К5-МП, Р9М4К8-ШТ, Р12МЗК5Ф2-МП (ГОСТ 28393-89), Р12МЗК8ФЗ-МП и Р12Ф2ЮШЗ-Ш1 (ТУ I4-I-3647-8: на иарбддостали и других марках БС опытных составов.

Термообработку БС проводили по рекомендациям и в условия: УкрНЖспецстали.

Работоспособность быстрорежущего инструмента изучали при точении и фрезеровании различных обрабатываемых материалов в широком диапазоне изменения условий резания.

Обрабатывай резанием следующие', материалы: сталь 45, ЗОХГСА, 12X15, 12Х1Ш10Т, 20X13, жаропрочные сплавы на никелевой основе ХН77ТЮР (ЭИ 437Б), XH73MBTÏÏB (ЭП 800), ХН65КШ0Б (ЭИ698), на железной основе ХН35ВТЮ (ЭИ787), а также титановы сплавы BTI-00, ВГ6, ТС-5 и технически чистый молибден.

Очаги и продукты нзнось быстрорежущего инструмента изуча ли на растровых электронных микроскопах "Stereoscan-SЧ" и » QESM-T 300", хкг;'л.ескай в разметших анализ проводили на ОЛ спектрометре ( LAS- 2000).

Ери нанесении кзн, .¡огтсйках пленочных покрытий в у с та hoi ках злектродугоЕОГО испарения в вакууме, плотность тепловых потоков плазменных сгруь исследовали по ьно рззработ

ной методике, в которой использована орягщшьйй§ элементы:

блок рззЕязки высокого напряжения от сигнала термо Э.Д.С. и измерительные токосъемники (П.Р. № 4836080/10 от 29.04.91 г.) Характеристики качества нитридных пленок (1У-У1) групп переходных металлов Периодической системы элементов оценивали на яи-фрактометрах ДРОН-2 и ХЦГ-4/Л-2, ультрамикротнердомере

" Micro DuramatAООО" и толщиномере "Microderm" {мр-700).

При анализе результатов исследований использовали методы математической статистики. Расчеты проводили на PC "Правец-16".

Практическая данность и реализация результатов работы заключается в:

1. Создании приборов и устройств, позволяющих количественно оценивать характеристики приповерхностных слоев инструментальных материалов, в том числе с износостойкими пленками.

2. Разработке ряда оригинальных инструментальных материалов, в которых различными технологическими приемка улучшены их эксплуатационные характеристики, повывающие износостойкости:

- БС со сверхрзЕновеснш.! содержанием азота (Per. .4 82366, Болгария), с повышенны,! содержанием ниобия (A.C. lb I0S8973);

- композиционный инструментальный материал, содержащий антифрикционные добавки (A.C. Л 1280908);

- инструментальный матричный сплаи с карбицонасыщенннм : эверхностчым слоем (A.C. .'s I47862I);

-многослойный инструментальный Материал, в котором износостойкие слои чередуются с адгезионно-активными слоями (A.C. J6 1559760);

- спеченный инструментальный материал с износостойкой пленкой, обладающей особо прочным сцеплением с подложкой (П.Р. й 4654551 от 09.01.89 г.)|

- многослойное пленочное покрнтиь для обработки келезо-углеродистых материалов (П.Р. № 4892193/21 от 17.12.90 г.)

3. Разработке обобщенных рекомендаций по рациональному использованию в промышленности инструментов из традиционных и новых марок БС.

4. Разработке методологии конструирования многослойных пленочных покрытий и принципиальной схемы оптимизации вакуумно-плазменной технологии их нанесения на основе обобщенного критерия качества износостойких пленок.

Экономическая эффективность от внедренных разработок, подтвержденная актагля внедрена, составляет 2 млн.480 тыс. рублей.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы до-локены, обсждены и были одобрены на: Всесоюзной конференции "Теплофизика технологических процессов", г.Золгоград, 19В0 г.; Всесоюзном семинаре "Состояние и перспективы развития инструментального производства", г.Москва, 1981 г.; Зсесоизной конференции "Совершенствование методов термической и химико-термической обработки в машиностроении",г.Ряиань, 1983 г.; Республиканском семинаре "Разработка, производство и применение инотруыектальных материалов", г.Киев, 1987г.; I и 2 Всесоюзных симпозиумах "Современное электротермическое оборудование

и

для по~ерхяосгяого улрочнеюш деталей ыашн и инструментов, . г.Саратов, 1988 и 1990 гг.; У национальной молодежной конференции, г.Варна, 1038г.; Республиканской конференция "Перспективные метода обработки труднообрабатываемых материалов", г.Мариупояь, 1989г.; Международной конференции "Високоазотнн стомани - 89п,г>.Еарка, ¿989г.; Республиканской конференции "Проблемы повыаэяия вхопь.атавд'лнкнх свойств инструмента к

ехнологической оснастки", г. Рига, 1990; Республиканском се-• шаре "Разработка, производство и применение инструменталь-ых материалов", г. Запорожье, 1990 г.; Международной конвекции "Трещшнообразогзние и разрушение", г. Варна, 1991 г.; еждународном семинаре "Проблемы резания материалов в оовре-енных технологических процессах", г. Алушта, 1991 г.

Диссертационная работа в целом рассмотрена л одобрена на аседаниях НТС "Металловедение и металлофизика" УкрНИИспецста-и, кафедры "Резание материалов и реяуиие инструменты" ХПИ м. В.И. Ленина, кафедр "Резаная материалов" и "Кетрлловеценяя : химии" мосстанкина.

публикации: По результатам выполненных исследований опублкко-ано свыше 80 печатных работ, в том числе 2 монографии (н со-вторстве) и 14 авторских свидетельств и положительных решекпй,

Структура и объем работа. Диссертационная работа состоит из ¡ведения, 6 глав, выводов по глава;.:, общее выводов и прияояе-:гл; диссертация азлояена на 263 страницах ¡¿ашинописного текста, ¡одержит 131 рисунок, 38 таблиц, список литературы из 261 нви-¡енований. Общий объем работы составляет 371 страницу,

У дуктутао-чогкческая схема работы. Работа представлена в слэ-[упцей логической последовательности(Рлс. I):

Анализ различных взглядов на процессы трети и изнасивания >ег.ущах инструментов позволил сформулировать цель и задачи лс-(ледованля, в которых определена необходимость ка современном 'роЕне с использованием ковейвих методов рассмо;реть особеннее-•и условий контактирования инструментальных г. обрабатываемых гатеркалоЕ. По результатам этих ;:сследоЕЗ"п;'! представлены моде-[и условий трения и изна-дивания контактных поверхностей а пред-

Сюрукаурно-логическая схема работы

Ран. 1

локена принципиальная схема влияния основных и припоЕерхност-!шх свойств инструментального материала на его износостойкость.

Для количественной оценки приповерхностных свойств инструментальных материалов разработаныЬг>'. новые методы и созданнся приборы для их измерения.

На базе новых методов исследования проведено изучение при- • поверхностных свойств всех классов быстротекущих сталей, а также ввкуумяо-плазменных пленочных покрытий китридных соединений (1У-У1) групп металлов на быстрорежущей поддонке.

В результате этих исследований разработаны рекомендации по рациональному использовании быстрорежущих инструментов из различных марок сталей, в том числе и с покрытиями, в промышленном производстве, а также,разработан ряд новых марок сталей и пленочных покрытий,.позволяющих значительно увеличить износостойкость режущих инструментов. Разработка научно обоснованной методологии аттестации физико-химических свойств контактной поверхности инструментов позволила провести усовершенствование взкуукно-плаз-менной технологии нанесения пленочных покрытий.

Краткое содержание работы.

Во введении приводится обоснование необходимости повышения износостойкости режущих инструментов, связанной с интенсификацией процессов механической обработки. ПогеГ "Зна роль и место современных БС в ряду инструментальных материалов, перспективы их дальнейшего совервенствогания. Раскрыта значимость прогнозирования износостойкости инструментальных материалов и показана необходимость дальнейшего развития физических представлений, теоретических и экспериментальных исследований закономерностей трения и 'изнашивания реяущнх инструментов.

Обоснована актуальность темы, научная проблема и проведен краткий анализ вопросов, решенных е диссертации и составляющих научную новизну.

I. СОВРЕМЕННЫЕ БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СШИ, АНАЛИЗ ТЕОРИЙ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ РЕОТЩ КНСТРЛЕНТОЗ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧ]'! КСМЕДОВАНИЯ

Этот раздел работы посвящен общему анализу состояния исследований по различным направлениям совершенствования быстрорежущих сталей, а та;гне современным взглядам на физическую природу трения и изнаовЕсния ревущих инструментов.

Показано, что основными путями совершенствования БС являются: разработка ствлей новых марок, совершенствование традиционной технологии и разработке новкх технологических приемов их производства.

Помимо разработки нонах составов и технологий получения БС, определяющих "обьеинне" свойства инструментального материала, в настоящее время получают развитие различные технологические способы повышения свойств поверхностных слоев и особенно нанесения пленочных покрзтяй. Причем, существенной особенность!) является то, что щишенеше новых технологий не позволяет пользоваться стандврткш кошлексоы основных, свойств инструментальных материалов для врогиосирогашш их извосостоакости. Например, аспользогйяае пэроакогой хфадцтаалыю пзмаютчвй

структуру ВЗ, такган^а-;"' отсуг'охвяо фев качэетагнаоЁ силой ос-нсга-х свойств (ггерцостх, тешгоггеЕкоотв, протяеотп щя: изгибе и ударной ¡¡кзкоегд) с в?цосзс5-о$яос?ы& регущего яяструылгса. Совершенно очевыцао отсутотаао тако2 «¡язи аеяцу ооноьнши свой стЕаг.с'. 1С и харекте-исгияаш аогерхноомо упрочненных слосв пла

¡юсостойких пленок. " г

В связи с этим, пдя совершенствования сущестЕуюндах и соз-ния новых инструментальных материалов, разработки различных хнологий их поверхностного упрочнения и нанесения пленочных крытий, необходимо изучение условий трения и износа инстру-нта, позволявшее определять комплекс аттестационных характе-стик, отранакдих его способность сопротивляться изнашиванию процессе резания.

В настоящее время имеются различные точка зрения на йпзи-

¡скуга природу и осяошие закономерности процесса трения при

им

¡зании металлов. Соответствующие исследования мсжнс раздень на 3 направления:

1. Некоторые авторы рассматривают средний коэффициент зения на передней поверхности инструмента как коэффициент гешнего трения, но с оговорками, связанными со специфичностью зловий резания.

2. Вторые считают, что существование двух различных кон-эктных процессов обуславливает также двойственную природу от-ошения касательной силы к нормальней, т.е. средний коэф$:щЕент рения одновременно характеризует инпрягенкое состояние е зоне онтзхтного пластического сдвига и коэффициент внесшего трения.

3. По мнении третьих, условия трения при резании подчинятся те;; .те закономерностям, что а при пластическом п?5ормиро-анка.

Анализ работ, расскатрзгаищих природу транп при резании зтеразлов подэзыгэег, тго экспериментальные результаты и рас-ета подтверждают мнение асслздо2г, млей, счлгоада, что •• ос-:о2е процесса трэния лежат деформационные явления сдвига л -'о-;ее мягком (обрабатываемо:-.;) материала, закономерности протека-

'нкя которых коренным образом отличаются от условий внешнего ("машинного") трения. Анализ теорий изнашивания и экспериментальных данных показывает, что в основе механизмов изнашивания

инструментов из БС лекат пластические деформации и усталостные в.

процессы, развивавшиеся приповерхностных слоях инструмента, в то время как формулы, определяющие работоспособность инструментального материала, построены на использовании его объемных сеойстэ. Таким образом, становится очевидной необходимость , разработки количественных критериев оценки ряда важнейших характеристик приповерхностных слоев инструментальных сталей, оцрецелящих их износостойкость.

С учетом изложенного, а данном разделе была сформулирована вниецриреденаая цель диссертация, здя достЕненгя которой ре шаются следующие задачи:

1. Разрабатывается методология изучения сущнооти характера совместного контактирования приповерхностных слоев инструментального и обрабатываемого материалов при резании без раз-рупенЕЯ зоны трения с цельв определения особенностей механизма изнашивания быстрорежущего инструмента.

2. Выявляются основные закономерности 2 особенности фри:-цаоняой (адгезионной и рельефной) активности инструментального материала с целью установления ее влияния на контактные хараиз ристики, струЕКОобразование и формирование очагов износа при рззаниз различных обрабатываемых материалов.

3. Обосновываются модели условий трения при резании мета: лоз, определяющие интенсивность изнашивания инструмента,с цел] построения принципиальной схемы важнейших связей влияния оскоз кых свойств и приповерхностных характеристик БС на работоспос< цость инструмента.

4. Разрабатываются научно-методические принципы аттестат дни физико-химических свойств приповерхностных слоев ннструмен-гальных материалов и создаются приборы для их измерения.

5. Проводится изучение влияния химического состава, режимов термической обработки и технологии производства БС на приповерхностные свойства с ц?лыо разработки научно-обоснованных рекомендации по рациональному использованию быстрорежущего инструмента в промышленном производстве.

6. Устанавливаются и обосновываются основные закономерности повышения износостойкости быстрорежущих инструментов с пленочными покрытиями а определяются важнейшие показатели их качества с цельи алгоритмизации процесса совериенствоЕьлия ваку-умно-шгазменной технологии нанесения износостойких пленок.

7. Осуществляется практическая реализация разработанных положений я результатов выполненных работ.

Рассматриваемые задачи охватывают довольно широкий круг ЕопросоЕ тесрии резания, трения и износа. Поэтому, проведенные различные экспериментальные исследования могут иметь и самостоятельное значение. Например, исследование структуры БС или условий формирования износостойкой пленки, в процессе ее конденсации в вакууме на быстрорежущую подложку и др. Эти вопросы,касающиеся различных аспектов связанных. к ' . износостойкостью быстрорежущего инструмента, не целесообразно и довольно

трудно объединить в рамках единого обзора литературы. Поэтому, СЯ

тлеющая необходимая информация по конкретным вопросам излагается в соответствующих разделах работы.

В целом работа базируется на фундаментальных положениях

теории резания, трения и износа, которые "свешаются в исследованиях Алексеева Н.М., Бокучава Г.З., Зерецаки A.C., Гуляева А.П.,

ib

Гуревича М.Д., ыщфакова Г.И., Зорзва H.H., Кабалдина Ю.Г., „ Кремнева Л.С., Лоладзе Т.П., Макушра D.M., Нихина Н.М., Оета-фьева В.А., Поле тики , Розенберга A.M., Семе юва А.Н., Синопальннкова В.А., Старкова В.К., ТалантоЕа Н.В., Таишицко-го Н.И., ШустераЛ.Ш., Якубова Ф.Я. и многих других.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ ШСТРУМЕНШЬНОГО МАТЕРИАЛА Б еОРМИРОВАНШ КОНТАКТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК, СТРУЖООЕРАЗОВАКИЯ. И ОЧАГА ИЗНОСА ПРИ PEaUMI

В рассматриваемом газделе работы приведены результаты экс-перше нтальных исследований, посвященных раскрытию роли свойств инструментального материала на формирование контактных характеристик (гушну контакта стружки с передней поверхностью - С, удельную силу трения - ^ и среднее контактное давление - Cj/Ar CTpyzKOOÖpLJObaiiHe (усадка стружки - jSa ) . размер и место рас-полокения очага износа.

Известно, что на условия формирования контактных характеристик и струккооброзоганая оказывает влияние уровень средних контактных температур и контактная активность фрикционной пары (способность инструментального материала к схватыванию с обрабатываемым) .

В ре зделэ проведено изучение возможного влияния теплофи-зических характерней:!; больпой группы БС различного легирования, I. зеле различных рзззмэв термической обработки на изменения уровня кентакгыой геклэратури. ЗЕоперплзктально установлено, что иоэффЕЦвен?!; адглоп^оаезкооти п ткллгратуропрогодкостн инструментальных стозий tjsfsmz хар^атергагашга доствгочао устойчдт-.rü V nsMOEi: j.-ecc;:aro cesresa :t температуры аус-тенвтизшпи пра терьшчзскоЗ обрзбетко б вареном диапазоне их

эти* xnoaK.'iSpiicTüK

8вача1шй. Различая в anas aaaxViicotiircBr 6-8 Для твэрдых

:плавов, например, изменение химического состава меняет есличц-коэффициента теплопроводности до 5 раз. Теплог-цмп расчетами токазано, что привлечение теплофпзпческих характеристик БС для объяснения различий в температурных условиях контактирования л !зноса быстрорежущего пнетруиента является спорным. Очевидно, залоперспективньми являются разработки инструментальных сталей, заправленные на улучшение их теплофизических характеристик. В разделе подробно исследована роль адгезионней активности инструментального материала в формировании сложно-напряженного сос- • гоянпя в зоне,-контакта, стружкообразовании и разЕит"п очагоЕ-износа. Исследовали процессы протекающие ::э контактных поверхностях инструментов с пленкой из нитрида титана и БС Р0.15, отличающиеся характеристиками схватывания со ст:лью 45 более, чем в 3 раза.

Рассмотрение "ти1шт"шх" кривых (?ис. 2)при резании с дополнительны:,! нагревом контактных поверхностей быстрорежущего инструмента показывает, что изменение вида кривых при увеличении контактной температуры наблюдается только у инструмента без износостойкой пленки из нитрида титана.

Для инструмента с износостойкой пленкой изменение контактной температуры на 400 °С не оказывает существенного влияния на вид "типичных" кривых. Результаты расчетов средних контактных напряжений показывают, что увеличение температуры нагрева контактной поверхности не изменяет Ееличпну сопротивления сдвигу контактного слоя стручки, а для инструмента без покрытия значительно повышает среднее нормальное давление. Рассмотрение корней струякн прп обычном резании и с дополнительным нагревом показывает, что прп нагреве быстрорежущего .шетрумекта без пленки наблюдается варокцение нароста, ко не за счет его теплового

Г le. 2. Характер "п-яичных" wyvm's при резаный с нагревом. 1-2 - РШ5; 3-*i - bb.V,S + 71//' ; 1,3 - 20°С; 2,4- 400°С. Свободное ортогональкоз ге^енм Сталг:45. и - 0,3 is.;, з: з 1,5 мл, J¡' IG0, оС = 8°.

¡азупрочненля, а за счет повышения сложно-напряженного состо-, шия у режущей кромки, приводящего к выполнению условий пластичности е этой зоне.

При резании инструментом с покрытием нвростообрэзование

^значительное а имеет одинаковый вид как при обычном резания, реганчи с

гак л при^дополнительныи нагревом.Результаты исследования тан-■енциальной адгезии показывают, что при повшении температуры сонтакта интенспфицируютсся процессы образования "вторичных" :труктур активных компонентов среды (воздуха), пленки которых ¡меют характеристики схватывания с обрабатываемы:.! материалом

тачительно ниже, чем БС. При резании инструментом с покрытием 13 нитрида титана, которое характеризуется незначительным схва-'ыганием с обрабатываемым материалом, образование "вторичных" ■трзктур при нагреве существенно не изменяет условия нолтзктг-ювания.

Результата описанных исследований носят принципиальный

арактер, т.к. позволяют экспериментально подтвердить "£рпкцл-нкуто гипотезу H.H. Зорева о ток, что температура контакта не вляется единственным г. даже главным фактором, через посредст-о которого условм резания влияют ка стружхообразогонхе. Это редположение е течение длительного времени ^спаривалось А.И, озенбергом, А.Н. Еремины:.! :: др. исследователя:.'.:!.

При рассмотрении роли адгезионных процессов на передней оверхности до си* пор остается экспериментально не доказанным опрос о том, какая часть зоны контакта "пластическая", лрнлега-дая к режущей кромке, пли "упругая", находящаяся в месте неус-эйчпвого дискретного контактирования, оказывает ресаюсее зна-эние на контактные характеристики и характер стружкообразова-

ния. 1.1.Б. Гордо:! считает, что адгезионная составляющая силы трения имеет максимальное значение у рекущей кромки и постепенно снижается, приближаясь к точке отрыва стружки. Н.В. Талантов утверждает, что главную роль в процессе стружкообразо-вания играет зона пластического контакта, точнее ее начальный участок упрочнения, связанный с зоной стружкообразоЕания. По мнению автора, адгезионная активность инструментального материала, формирующая уровень сложно-напряженного состояния е зоне контактных пластичен лих деформаций, в основном, определяется условиями трения на "упругом" участке контакта. Это утверждение доказывается экспериментально. На рис. 3 приведены "типичные" кривые для инструментов с различными адгезионными условиями е разных зонах контакта, полученные путем избирательного нанесения износостойких пленок. "Типичные" кривые расположены .-парами в строгой закономерности. У первой пары(варианты I и з) е зоне "упругого" контакта, нет покрытия, а у второй па-ры(2 и 4)имеется.

Приведенные эксперименты носят принципиальный характер при обсуждении механизмов влияния износостойких пленок на повышение работоспособности инструментов.

В разделе содержатся г ;спериментальные данные, показывающие, что наряду с адгезионной активностью для инструментальных сталей необходимо учитывать и роль рельефной активности, т.е. роль мшсрогеометрдн, связанной с размерами твердых фаз (карбидов), входящих в состав БС. Тякшй образом, показано, что фрлкпиояная (контактная) ¿лягаяость инструментального материале ОЕфехзляется двумя характеристиками: сдгьзиэшюй активностью к сораЙатагзз'лдау материалу в. рглье^азй глсагкомы:, которая, формируя реальную влоцга;-. кикгжга. сбаскечигват возможность

Рис. 3. Влияние расположения ня передне:! поверхности зон с различной адгезионной активностью на характер "типичных" кривых.

'реализации адгезионной активности.

Систематизация результатов исследований показывает, что уровень влияния адгезионной активности инструментального материала определяется видом обрабатываемого материала.

При резании труднообрабатываемых материалов с большим содержанием хрома, на никелевой основе, титановых сплавов изменение адгезионной активности инструментального материала не Елияет ка условия резания. При обработке углеродистых, низколегированных ' " . сталей, в т.ч. терыоупрочнен-1шх при прокатке, инструментальных и подшипниковых сталей, некоторых марок чугунсв, а танке жаропрочных сплзеов на осноге железа, содержащих никель, изменением адгезионной .активности можно значительно изменять условия резания, повышая износостойкость инструментов.

Таким образом, в данном разделе экспериментально доказано, что для большой группы обрабатываемых материалов изменением адгезионной активности контактных поверхностей инструментального материала возможно значительно воздействовать на изменение слохно-нацрлженногосостояния в контактной зоне и оказывать влияние на место расположения и интенсивность развития очагоЕ износа. Делается вывод, что создание методов и приборов, оценивавших адгезионную активность инструментальных материалов к обраблвваемым, позволяет создать научную основу для разработки новых инструментально материалов в вакуумно-плазмешщх пленок.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЦЕССА ТРЕНИЯ И МЕШПШОВ ИЗНАШИВАНИЯ ШЕЮ82Ш0С1Ш СЛОЕВ ОБРАБАТЫВАЕМОГО ШТЕРНАМ, и ШС1РОРГОг!ЕГО ШСТГШт

"... само о радикальное из:;е. зние в исследовании трения на _ сегодняшний день заключается с понимании того, что измерение

'коэффициента трения, как такового, говорит нам гораздо меньше' о-природе трения, чем изучение поверхностного взаимодействия и разрушений, производимых самыми процесса::;! тренпя"-5.П.Боуден и Д. Тайбор.

При резании эти процессы протекают в приповерхностных областях контакта инструментального и обрабатываемого материалов.

Рассмотрение осноеных закономерностей движения вещества показало, что при относительном сдвиге трущихся тел в окрестности границы их контакта возникает пластическое течение, охватывающее некоторый объем. При еысоких нагрузках и скоростях деформирования трансляционное смещение более пластичного (обрабатываемого) материала переходит в стадоз пластического разрыхления, а неограниченный сдвиг реализуется по схеме с образованием "молей" и "бегущих трещин", впервые рассмотренной Н.Ц. Алексеевым для тякелонагруженных подшипников скольжения. "Бегущие трещины" возникают в результате потери устойчивости материала ь микронеоднородяом поле больших пластических деформацией сдвига яри высоких гидростатических давлениях. •Автором, экспериментально показано, что склонность к разрыхлении и фрагментации поверхностного слоя обрабатываемого материала, е котором реализуются больше пластические деформации, является обычным процессом, протекащил в контактных слоях тяжело нагрузке нной фрикционной пары, характерным и для контактных процессов протекающих на рекущеи инструмента.

Металлографическими исследованиями установлено, что на контактной поверхности инструментального материала можог.фор.ти-ровать/Наториоженный (калнппий) слой обрабатываемого материала, по которому в дальнейшем и происходит переоценка струзжк к об-

•рабатываемого изделия. Детальное рассмотрение налипшего слоя • показывает, что он может состоять из большого числа тонких прослоек, образование которых происходит путем упрочнения очередной прослойки. В этом случае сдвиг реализуется по менее упрочненным, ш> более удаленным от контактной поверхности уровням.

Способность налипших елосе в течение длительного времени сохранять свою целостность и обеспечивать устойчивость трения определяется уровнем сл:жно-напряженного состояния на контактных поверхностях и условиями теплообразования и теплопереноса в деформируемых объемах заторможенных слоев. В разделе 2 показано, что изменением фрикционной (контактной) активности инструментального материала можно значительно влиять на сложно-напряженное состояние на передней поверхности инструмента через изменение среднего контактного давления.

Анализ приповерхностных слоев инструментального материала показал, что при высоких температурах, когда активируются процессы его разупрочнения, а действующие напряжения превосходят предел текучести, наблюдаются явления потери формы режущего клина.

Для БС при температуре" выше 550 °С "горячая твердость" является величиной переменной 20 времени, из-за необратимых преврыцеЕкй в структуре инстр./ментального материала. йэлаегея вывод о необходимости разработки метода и создания прибора, позволяющего оценивать способность приповерхностных слоев инструментальных сталей сопротивляться обратимому и необратимому тепловому р-ззупрочнен:ш во времени.

Если уровень средних контактных напряжений не приводит к потере формы режущего клина, то е приповерхностных слоях начи-т

'пакт развиваться усталостные явления, характеризующиеся появлением и распространением трешш. Установлено, что трецинооб-разоЕвние развивается как непосредственно нч поверхности контакта, так и в приповерхностном слое. Металлографическими исследованиями показано, что по мере увеличения времени контактирования, подповерхностные трещины, расширяясь образуют поры. Происходит разделение приповерхностного сдоя на достаточно крупные фрагменты толщиной 8-12 мкм и длиной до 50 мкм, разделенные между coüoü трещинами дли порами. Глубина залегания подповерхностных трещин на значительных участках контакта имеет близкие значения равные 10-15 мкм. Приведены снимки, показывающие отрыв и еннос продуктов износа БС прирезцогой поверхностью струхни и поверхностью резания. Как правило, подлоЕерх* ностные трещины образуются на участках, тда наблюдается наибольшая неустойчивость трения, это зона начала неустойчивого контакта стружки с передней поверхностью (центр лунки износа), а также область отхода поверхности резания от задней поверхности инструмента.

Исследованиями установлено, что темп износа инструмента при поверхностн'трещинообразоЕакии значительно ниже, чем при подповерхностном. Изучение продуктов износа БС на прирезцовой поверхности стружки и поверхности резания показало, что, как правило, частицы износа располагаются на границах участков, где наблюдаются разрывы пластического течения поверхностных слоев обрабатываемого материала л по форме могут быть овалязо-еэнными или в виде чешуен, а е условиях высоких давлений и температур намазанными на контактные' поверхности обрабатыва-. емого материала. Размер частиц, в основном, значительно больше, чем 0,5 мкм Это позволяет утверждать, что зарождение и рас-

'пространение трэщин е приповерхностном слое БС определяется сопротивлением ее разрушению при малоцинловой усталости е условиях фрикционного контакта.

Экспериментально доказанный факт о преимущественно усталостном характере изнашивания быстрорежущего инструмента приводит к выводу о необходимости разработки критериев оценки и методов исследования микропрочности инструментального материала на срез и огркн в объемах соизмеримых с ветчиной продун-- тов изнашивания, получаемых в условиях фрикционной усталости при резании.

Обобщая результаты исследований, предлагается рассматри-езть 2 модели условий трения при резании, которые отличаются видом взаимодействия контактирующих поверхностей: дискретный (точечный) контакт и полный (сплошной) контакт. Причем, сплошной контакт монет быть устойчивым, когда налипший слой, обрабатываемого материала сохраняется без разрушений в течение длительного времени, а контактирование обрабатываемого материала осуществляется по налипшему слою, пли неустойчивым, при котором наблюдается постоянное разрушение и обновление налипшего слоя. Интенсивность изнашивания определяется видом и условиями контактного ззаимодействая.

В случае дискретного контактирования общий уровень изнашивания, как правило, невысокий и связан с отрывом субмикроскопических объемов БС в результате отслаивания ыикрочопуек вторичных структур приповерхностного слоя, гоявление которых инпци-руется, в основном, окислительными процессами.

При сплошном контактировании, в случае устойчивого сохранения яалиппего олоя обрабатываемого материала, который, как правило, находится в упрочненном состоянии, перемещение обрабаты-

Еаемого материала происходит по этому слою. В этом случае наблюдается появление продуктов износа состоящих только из обрабатываемого материала и поверхностных слоев налипшего материала, т.е. реализуется условие трения без износа инструментального материала.

При сплошном контактировании, но в случае неустойчивого сохранения налипшего слоя обрабатываемого материала, наблюдается максимальный износ инструментального материала в виде дискретных частиц значительной величины.

Разработанные представления об условиях контактирования инструментального и обрабатываемого материалов позволяют построить принципиальную схему важнейших связей основных сеойсте и приповерхностных характеристик БС, определяющих работоспособность ра-нуцего инструменга(Рис. 4).

Особенность этой схемы заключена е том, что в ее основу положены закономерности протекания тркботехничзских процессов и износа при контактировании в условиях схватывания, наблюдрвмых при резании.

Ряд методов и приборов приведенных в схеме являются оригинальными разработками аггорэ.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ, СОЗДАНИЕ ПРИБОРОВ И

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЫСТРОРЕКЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

В данном разделе описана методология аттестации приповерхностных характеристик БС.

Экспериментальные исследования показывая?, что кригиз "горячей" твердости НКС =/(Т °С), харзктеряз^гдае способность инструментальных материалов сопротивляться пластическим деформациям при различных температурах для БС, иге?;? г.р;*лщип:'зль'лую '

Пр-'воры и методы измерения свойств

Твердому га методу Рок1ет

Прибор измерения горя-ни тЗерЗос-пи 1о

"Л

Тривог-тр одношари-кобыи

Точение с фаской на передней щеагн. <7

\7oveme ш-'.сшменасм \rnpm К*

■ременной •есткссти

ЧГТ

Машина сжатия

Маятним-

7Т

Т&рЗжть исходная, Щ ■1 Сопротивление пеплобо-му^азцпрочне- тс'^.Пт) 1 Г Г Адгезионная активность треюаты-Наемщма-терияЯща3г —11 и . . Много м мало-циклосая шрик-циошая уста-пост, щ ре-ММ", Кф.у Прочность на изгиб, баз. Ударная вязкость, Кс

/шнсрасг.,. деления пепла между ин-Щцментольным и обрабатываемым материалами

Вид и Штсйчи-'воешь кон-"тактного 'трения (аочеч-\ш, сплошной, успойчиВый и неустойчи5ый контакты)

Эксплуатационные с^йстба

С> РеВояшсмссЗчосаь инструмент

!';:с.4

Принципиальная схема влияния оснорчих к эксплуатации свойств быстрорежущей стали на работоспособность инструмента.

некорректность. Если до предельных температур (до начала необратимого разупрочнения БС) "горячая" твердость строго коррелирует со вторичной твердостью и характеризует только уровень обратимого разупрочнения, то при поЕЫиении температуры испытания выше предельной, "горячая" твердость отражает суммарное обратимое и необратимое разупрочнение. Причем, значения обратимого и необратимого разупрочнения зависят одновременно от температуры испытания и времени нагрева. Таким образом, в зоне "эксплуатационных" контактных температур, превышающих, как правило, предельные, методически сложно провести сравнительные испытания различных марок ЕС.

Автором разработан метод, позволяющий измерять ео времени суммарное разупрочнение БС при температурах, преЕышалдих предельные. На рис. 5 кривая разупрочнения - I учитывает Еклад в изменение "горячей" твердости, как необратимого разупрочнения - область - I, так и обратимого - область - П. Установлено, что после 20 мин. нагрега при температуре 650 °С значение "горячей" твердости мокет служить критерием оценки способности инструментальной стали сопротивляться тепловому разупрочнению. Величина НЕС^д °с Различны>; БО имеет высокий уровень корреляции со стойкостью инструмента при рззэнии в теплонэпрянен-ных условиях, где механизм разупрочнения поверхностных слоев инструментальной стали определяет его изнашивание. Для реализации предложенного метода измерения создан прибор ^совместно с институтом ШШГГОХС - Болгария).

Изучение теплогого разупрочнения больясй группы БС показывает, что имеются различные пути поныиешш этой характеристики.

Независимо от технологии получения БС сопротивление нес-б-

Рис.5". Кривые "горячей" твердости и теплостойкости

ЩС исх - исходная (вторичная твердость)

ШС тепл - теплостойкость (холодная твердость после-

х нагрева до Т С с выдергаой 21) мил) 0

ЩС гор - "горячая" твердость при температуре Т С

и выдержке Яи мин. I - Область необратимого сазупрочнекия П - Область обратимого разупрочнения

Т°с =Сопз*

9тр | ___

=с С* § N

1 Г

О /

3 /

Угол -поворота индентора, -град у

Рис.6 . Кривые экспериментальных значений силы трения

1 - зависимость силы трения от угла поворота на

эталонном образце;

2 - зависимость сила трения от угла поворота на

исследуемом образце.

"рэтимому тепловому разупрочкешш связано с количеством и тер^-мической стабильностью упрочнящих фаз, выделяющихся при отпуске. Показано что для ЕС с карбидным упрочением достигнут предел повышения теплостойкости. Дальнейшее увеличение возттао при получении упрочняющих фаз на оаге шгтеркеталлидоЕ, нитридоЕ, карбонитридов п боридоа или комплексного упрочнения. Более еы-сокие значения "горячей" твердости получены у карбидостали (PSM5K5I,ÍII+2Q % TLC), представляющего собой композиционный мате--риал, а таюхе на ряде составов с микрокристаллическим строением.

Аетор считает, что в одном эксперименте физически невозможно разделить адгезиокнуи и деформационную составляющие силы трения. Это утверждение вытекает из определения физической сущности трения, где з основе ¡.юнели принят деформационный процесс,, а адгезионная связь оказывает влияние только из изменение величины поверхности фактического сдвига (ГКО). Исходя из этих представлений, разработана оригинальная методика, в которой адгезионную активность фрикционного контакта оценивают на одно-шариковом трабометре величиной интенсивности прироста ПФС - &S

случаев Ееличпне угла поворота &.f oapoEoro пдентора (определяется экспериментально), Год - сопротивление обрабатываемого i-лтериала

сдвигу, зависит от нагрузки (упрочнение) и . температуры (рззупрочнзга) испита пай, S - номинальная погерхностг. троим '¿ргдшопчогс контакта (сау-ягелмтся Р!:спвриузатзя1ао).

Для опенки коэффициента откоаптельнсЛ авгезк^таой и-лтг-

(I)

где д^экс. - прирост силы трекия при постоянной для всех

'ностк рассматриваемого инструментального материала к обраба- • тиваемому, по сравнении с эталонны.'.!, эксперимент проводят дважды, рис. 6, записывая криЕие роста силы трения на одинаковом у.'ле поворота инцентора ¿У .

Коэффициент OTHoci гельной адгезионной активности Ка^рас-чатывают по формуле:

Haqr » = ----

У ¿Ssr (2)

Для реализации предложенного метода измерения создан три-бометр.

Исследования адгезионной активности широкой группы БС позволяет сделать следующие обобщения:

- схватывание БС с обрабатываемыми материалами увеличивается при сшь-лши их твердости (обеднении легирующими элементами твердого раствора), при введении в их состав кобальта, а также при производстве БС методом порошковой металлургии;

- схватывание ЕС уменьшается при легировании ванадием, по-, выиении температур аустенитизавдш, при введении в состав БС СЕерхравновесных содержаний азота, дополнительном введении в состав порошковых БС антифрикционных добавок нитрида бора или дисульфида молибдена, а также при нанесении на поверхность БС различных вакууыно-илазменнах пленок.

При разработке методик оценки фрикционной (поверхностной) усталости инструментального материала ставилась цель создать такие условия трения при резании, которые позволили бы е одном случае выявить способность инструментального материала образовывать на контактных поверхностях устойчивые заторможенные слои обрабатываемого материала, а в другом, оценить способность инструментального материала противостоять зарождению и росту

9~)хс •Zcg-S 9Т

подпоЕерхностных трещин при систематическом разрушении затормог-женного слоя.

Автором предложена конструкция рекущой пластины и реками испытаний резанием, позволяющие оценить способность инструментального материала к организации устойчивых. заторможенных слоев обрабатываемого материала на ее контактных поверхностях.

Для обеспечения систематического разрушения заторможенных слоеЕ разработано устройство, позволяддее испытывать инструменты из разных БС ь условиях их различных вибраций. Коэффициент фрикционной усталости рассчитывают по формуле (3).

и -А «2. Аг. , ,

{ч <з>

где износ по задней поверхности при резании в условиях

повышенных вибраций, мл; - износ по задней поверхности инструмента при резании е условиях повышенной яесткости, мм;

Г- время отойкостных испытаний, мня.

Результаты испытаний большой группы БС показали, что наибольшей склонностью к организации устойчивых заторможенных слоев обрабатываемого материала на поверхности контакта обладают инструментальные материалы с минимальной адгезионной активностью. Исследования фрикционной усталости различных марок БС, показали, что ванадиевые стали значительно уступают вольфрамовым, молибденовым, кобальтовым и слоанолагироЕвняым маркам. Коэффициент фрикционной усталости для карбидостала на 2 порядка выпе, чем для других БС. Результаты исследований порошковых БС убедительно показали преимущество их примзаешк прй резании в условиях неустойчивого трзпия. При обработке рядч жаропрочных сплавов и сзажей сопротивление фргтивопнсй г^тахостл для инсгрумэн-та из поригсогой стела з из а <5оя?з ра-г г что, чем у хп-ччзс-

кого аналога, полученного традиционным путем.

Разработанная методология аттестации физико-химических сеойсте приповерхностных слоев БС позволяет всесторонне оценить существующие и еноеь создаваемые инструментальные стали i. определить области их наиболее рационального применения.

5. ПОВШЕНИЗ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ БС ПУТЕМ НАНЕСЕНИЯ ВАШ1.Ш0-ШГАЗЖННЫХ ПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

Необходимость проведения комплексных исследований,, еклю-'чающих не только изучение сеойсте пленок, но и условий их формирования показано при рассмотрении механизмов повышения износостойкости быстрорежущих инструментов с покрытиями. Принципиальной особенностью вакууыно-плазменной технологии (В1ГГ) нанесения пленок на инструмент из БС яЕЛяется необходимость поддержания узкого диапазона изменения температурных условий 525 + 10 °С на с.аднях ионной очистки и осаждения покрытия. Это условие обеспечивает прочное сцепление пленки с подложкой и отсутствие ее теплового разупрочнения. Температура нагрева инстру мента зависит от многих факторов: его массы, конфигурации., размеров, а такке условий расположения в камере установки и технологических режимов вакуумно-плазкенного процесса. Таким образом, в каждом отдельном случае возникает необходимость решения задачи оптимизации режимов ВИГ с целью получения требуемого уровня температуры подложки и обеспечения качественных стру! турных показателей пленки.

Исследованиями тепловых потоков плазменных струй показано что на температуру поакшси влияют Есе параметры ВПТ и в меньшей степени давление реакционного газа. Поэтому, изучение особенностей формирования пленки проводили в условиях постоянной температуры подложки 525 + 10 °с, поддерживая ее путем допол-

Нательного нагрева или охлаждения. Такал стратегия исследова- . нпй позволила оценить раздельно роль каждого технологического фактора (рассматривали: Уд - ток дуги в цепи испарителя, Исп-опориое напряжение на подложке, уэ - давление реакционного газа при освждении пленки, параметры работы плазмооптической системы ч место расположения инструмента в камере установки) и определить диапазон его рационального применения.

Для оценки качества износостойкой дленки разработан обобщенный критерий в виде "функции желательности" - 2) для ряда

его важнейших характеристик 5

где - желательный уровень значений: параметра-решетки ( у,,:пл); толщины покрытия ( и, ,мкм); степени совериенства текстуры плоскостьи наиболее плотной упаковки (III) ( , безразм.); вероятности образования деформационных дефектов упаковки Л (¡¡^ бвзразм.) и прочности сцепления с подложкой ( у?, н).

Между обобщенным критерием качества пленка Х> 11 обобщенной эксплуатационной характеристикой быстрорежущего инструмента с покрытием У установлена тесная корреляционная зависимость в виде у =-0,18 + 1,39 7> с высоким уровнем связи

Г = 0,85 {Гнр = 0,71). У- Ус1уь-с[у} - характеризует желательный уровень значений стойкости ( у4 ,мин) и вариации стойкости ( у7 , безразм.).

Разработка критерия оценки качества пленки, а также средств измерения и поддержания температур подложки в камере установки, позволило алгоритмизировать процесс оптимизации БИТ ее нанесения.

В разделе описана методология конструирования многослойных покрытий, базируэдаЯяна подбора слоев по функциональным харар-

Тсристикзм, измеренным, на разработанных автором приборах и устройствах,

В таблице I приведены значения функциональных характеристик нитрицных пленок (1У-У1) групп металлов при создании многослойного покрытия на быстрорежущем инструменте Р6М5 для обработки Стали 45.

Таблица

Характеристика материала

РВМ5

П/Г

1гГГ

Ир/

Ч/Г

т

СгМ

МогЛг

Микротвердость

Н^.н/мм

Коэфф.относ, адгезии,

Относительная интенсивность износа,7

Прочность

сцепления,

балл/Ркр.н

9200 1.0

1,0

21750 0,33

0,305

- [1/80-

18490 0,71

0,309

1/110

-20 -120

25000 0,54

0,552

I

28140 0,37

0,674

П

31450 0,06

0,333

П/55--65

266ОС 0,51

0,53?

Г

27400 0,82

Г,003

П

Примечание: I балл - отсутствие скалывания вокруг отпечатка измерения твердости по ПЕС.

П балл - скалываназ пленки па валике пластической деформации вокруг отпечатка измерения твердости по НЕС.

Ркр. - крийчесЕая нагрузка разрусснвя покрытия при царгяо^гл '-.ашгзпгл нщзнтором, н.

Из таблиц юадво. чзо г;:-.'-;.<сгаяи1В» ярочюггб сцеагешгг с быстрорежущей воадоасгсй ейгсса^ааэтся «тетрадам едркоагя, а минимальную адгезионную к^гнезооть с оЗзаабатнваехям ызтереа-лом (стагь 45) обеспечивает кптрац нйсЗле, Еззояуя износостойкость и прочность ссздзкекая раынчгег нятрлздах слоег обес-• печивает нитрид титана. Таз»; образом, кспольвуя лучаюе сочег

тание функциональных характеристик создается многослойное покрытие, состоящее из последовательно нанесенных на быстрорежущую подложку нитридных пленок циркония, титана и ниобия. Разработанное покрытие более чем в 4 раза увеличивает износостойкость быстрорежущего инструмента.

Предлагаемые принципы конструирования многослойных покрытий нооят универсальный характер и рекомендуются при разработке покрытий и для других обрабатываемых материалов.

6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК

В разделе описаны новые инструментальные материалы и износостойкие пленки, разработанные авторов. 1

Показана экономическая эффективность от расширения объемов провзвоаства и использования в промышленности.прогрессивных марок ЕС и совершенствования ВПТ нанесения износостойких пленок.

Приведены рекомендации по дальнейшему расширению и практическому использовании результатов исследований.

ОБЩЕ ВЫБОДЦ

I. В результате выполнения комплексных теоретических к зкспорпмзпта.тьнцх исследований ресеиа научная проблема, состоящая в разработке методология атгзсташз фигпко-хлмпческнх свойств инструменталка» материалов,, сграаеаягсая хзкоооотой-йость реяукего инструмента. Показан;: щгаяцвпг.зжьпгй резерва по-йшгенад рабогоспособцогта йютроре/^ззи нмтрупевтоя, ц? реализации поеях гзлкхгогэтесках яоо*--гтясслЯ пг щк-тоодега..

2. Изучение контактных характеристик и стружкообразования пр резании инструментом с искусственным подогревом контактных поверхностей показало отсутствие теплового разупрочнения в контактных слоях стружки. Повышение среднего контактного давления и снижение усадки стружки при увеличении контактных температур связано с изменением условий схватывания инструментального материала, из-за образования на нем е зоне контакта "вторичных" структур активных компонентов среды (воздуха).

3. Экспериментально подтверждена "фрикционная" гипотеза H.H. Зорега о том, что контактная температура не является един с венным и даже главным фактором, через посредство которого ус ловил резания влияпт на процесс стружкообразования.

Исследованиями процесса резания с нагревом контактных поверхностей гчструмзнта с. износостойкими пленками доказано, чтс значительно более существенным фактором является адгезионная активность взаимодеЁсгвукщих поверхностей инструментального и обрабатываемого материалов. Этот принципиальный вывод позволил определить новое направление в разработка инструментальных материалов, отличавшихся низкой адгезионной активностью к обрабатываемы.! материалам.

4. Установлено, что инструментальный материал проявляет свойства адгезионной активности к обрабатываемому материалу не на всей площади контактирования со стружкой, а только но втором "упругом" участке контакта, который и определяет уровень сложно-напряженного состояния на первом участке у режущей кроша. Показано» что уровень влияния адгезионной активности инструментального материала на контактные характеристик

емки и стру:.У£ообразо2ание определяется видом обрабатываемого материала. При резашга труднообрабатываема: материалов с боль-шал содержанием хрена, иаропрочшх сплавов на основе никеля и титановых сплавов изменение адгезионной окг.шкости Фракционной пары не влияет на изменение ¿'слот:! контактирования. При резании углеродистых, низколегированных сталей, в т.ч. термоупроченшя: при прокатке, игетруменгальшпе и подшипниковых'сталей, некоторых марок чугунов уменьшением адгезионной активности можно значительно изменить условия контактирования инструмента с обрабатываемым материалом и повысить его износостойкость.

5. Установлено, что принципиальной особенностью условий трения при резании является наличие топкого слоя обрабатываемого материала, заторможенного (налипшего) на поверхности ин-, струмента.

Предложена модель условий трения при резании, н которой рассматриваются различные виды фрикционного взаимодействия:

Определена'сеязь интенсивности изнашивания инструмента с видом контактного взаимодействия:

- при дискретном (точечном) контактировании изкаиаваниэ незначительное;

- при сплошном контактировании,'в условиях устойчивого сохранения налипших слоев, износ инструментального материала отсутствует;

- при сплошном контактировании, в условиях постоянного обновления налипших слоев, наблюдается максимальная интенсивность изнашивания в виде дискретных частиц значительной величины.

6. Металлографический анализ приповерхностных слоев ин-

струменталыюго материала показал, что при высоких температурах,

когда поверхностные напряжения превышают предел текучести, наб-

■ вершины ■ ,,

людается пластическое смятие и течение наиболее нагруженных контактных поверхностей. В условиях контактного трения, при которых не возникает пластического течения поверхностных слоев инструмента, доминирующими при износе являются усталостные процессы, развивающиеся е'приповерхностных слоях инструментального материала и характеризующиеся появлением и распространением трещин. Анализ продуктов износа по форме и величине позволяет утверждать, что основным механизмом разрушения приповерхностных слоев является малоциклоЕая усталость.

7. Разработана и научно обоснована методология аттестации физико-химических свойств приповерхностных слоев шетрумен -тельных материалов, в которой на основании представлений о механизме трения при резании в условиях схватывания предложено определять следующие характеристики: адгезионную активность к обрабатыЕгэкому материалу, сопротивление тепловому разупрочнению ео времени и фрикционную усталость. Для количественной оценки предложенных характеристик создан ряд приборов и устройств .

8. Проведено комплексное исследован :е традиционных и новых марок БС, в котором изучено влияние химического состава, режимов термической обработка и технологии получения БС на значения аттестуемых приповерхностных характердстш;. На основания датученных результатов разработаны рекомендации по рациональным областям применения различных марок БС в промытаеняо!,; производстве.

9. Разработан ряд оригинальных инструментальных материале в которых различными технологическими приемами улучшены вазне1

шие приповерхностные характеристики, позволившие значительно, до 2-х и выше раз, увеличить износостойкость ревущих инструментов.

10. Комплексные исследования влияния свойств вакуумно-плазмешшх нитридных пленок на изнооостойкооть быстрорежущих инструментов позволили сформулировать основные принципы совершенствования вакуумно-плазмейкой технологии их нпнесе-ния. Предложен обобщенный критерий оценки качества нитрищшх пленок, учитывзпций ряд важнейших характеристик: параметр решетки, степень совершенства текстуры плоскость» (III), концентрацию дефектов упаковки, толщту и прочность сцепления с подложкой. Между обобщенной характеристикой качостгз пленок и 1 эксплуатационными "характеристиками бастрорегуцего инструмента (стойкость и вариация стойкости) показана тесная корреляционная связь.

11. Разработана методология конструирования много лойных пленочных покрытий, основанная на подборе слоев по (¡упкцло-нальнь'м характеристикам. На прш.'.ере нитридных гренок (1У-У1) групп металлов показан принцип разработки многослойчого покрытия для резания г.елззоугло роди стих материалов. позволяющий увеличить стойкость быстрорежущего инструмента более 4-х раз.

12. Экономическая эффективность от внедрения разраГогок, подтвержденная актами внедрения, составила 2 млы.4Р0 тыс.рублей.

Совместно с ШППС1Г0КС (Болгария) разработан коммерческий вариант прибора для определения теплового рззупрочнотл инструментальных сталей. По результатам разработок получено дье бронзовые медали на ВДНХ СССР я грамота на международной в!/стп?ке" я г. Пловдиво.

Л2

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОЛУЕННОЗАНО В РАБОТАХ:

1. Исследование влияния структуры быстрорежущей стали Р6М5 на механические свойства и стойкость инструмента // "Нн-струентолышо'п подшипниковые стали". Тсмп.отр. cö. П., "Металлургия", 1976, с. II-I'? (Катапов Б.Э., Кузьме;:ко Ю.Н., Крутолаловз В.И.).

2. Сравнительные исследования работоспособности инструментов из порошковых и обычных быстрорежущих сталей // "Инструментальные а подшипниковые стали" Тем.отр. сб.Н., "Металлурга", 1933, с. 10-14. (Учаев A.C., Марков A.A.). ■

3. Применение быстрорежущей стали в производстве высокопроизводительного режущего инструмента // Экспресс-информация. Серия Ü 15 "Технология, экономика и организация производства", еь'П. I, 1!., IS8I, с 9-12 (Тноаев C.II., Кузьменко Ю.К., Ната-пов Б.Э.).

4. Исследование влияния условий осаждения износостойких покрытий методом КИБ на повышение стойкости быстрорежущих инструментов после различной их термической обработки. Сб."Резание и инстрщ^ит". Изд-во "Вица шола", ХГ/, Харьков, 1983,

J5 23, с. 78-81 (Kcef.job A.C., Зиновьева C.H.).

5. Выбор критерия оценки износа инструмента при сравнительных йсшгаЗт // Сб. "Резание и инструмент, ХГУ, Харьков, 1987. Я 37. - с.64-68, (Учаев A.C., Марков A.A.).'

С. Исследование особенностей резрушэния износостойкого покрытия Т'Я ir быстрорежущем инструменте при точении стали 45 с различными толщинами среза // Сб. "Резание и инструмент", К'!'?., енп. 36, 123-133 (Марков A.A., Грабогскнй З.Я.).

7. Рациональное прлмоиеиио поротаопой Зистрорс^уией стали Л КЗ ГОТОВЛЕННОГО ИЗ ЯЧО 1Ш'.'ТГУ!'?НГЯ // 1!0Т'>Д!П5СКН0 rt'KO-

медиации НИИинформащш по машиностроению. H., 1983, II с. (Кузьменко Ю.И., Натапов Б.Э., Карабина Г.И., Учаев A.C.).

8. Условия эффективной эксплуатации быстрорежущих инструментов с покрытиями // Оптимизация операций механической обработки. Межвуз. сб. научн.тр.,,Ярославль, 1984 , 40-45.(Марков A.A., Ксензов A.C.).

9. Пути повышения качества инструмента а экономии быстрорежущей стали //.В кн. Материалы школы передового опыта по те-не "Прогрессивные конструкции режущих инструментов и рациональные условия их эксплуатации" Î.Î., 1984, с. 41-42. (Натапов^О., Кузьменко I0.H.).

10. Влияние различных способов упрочнения на процессе резания и стойкость инструментов из низколегированных быстрорсз- 1 жущих сталей // Сб. "НоЕые марки инструментальных и подшипниковых сталей. М. Металлургия, 1986, с. 36-41. (Морозенко С.Г., Марков A.A., Учаев A.C.).

11. Сопротивление пластической деформации быстрорежущих сталей при повышенных температурах и стойкость инструмента из них "Резание и инструмент" Респ. межв.научн.техн.сборник^Харьков, 1989, а 42, с. 72-78. (Скрынченко Ю.М., Сокольчук К.Е., Учаев A.C.).

12. Повыпение качества режущего инструмента из быстрорежущей стали (Обзор). Черная металлургия. Бюллетен-- научно-тех-нич. информации, 1987, JS 7, с. 12-24. (Кузьменко Ю.Н., Ряби-кина В.Ы., Натапов Б.Э.).

13. Исследование характера разрушения износостойкого покрытия TIN на быстрорежущем инструмента при резании жаропрочного сплава ЭИ437Б. Сб."Резание и инструмент", ХГУ, Харьков,

• 1988, вып. 40, с. 23-27. (Ксенз.ов A.C., Лаврова Л.В.).

14. Перспективы повышения работоспособности инструментов из быстрорежущей стали за счет поверхностного и объемного легирования азотом. Материалы У национальной молодежной конференции в НРБ, Варна, 1988, с. 33. (Скрынченко Ю.М., МошкеЕИЧ Г Д., Рашев Ц.В. и др.).

15. Результаты широких промышленных исследований быстрорежущих сталей с азотом в СССР и НРБ. Материалы У национальной молодежной конференции е НРБ. Варна, 1988, с.38-39. (Рашева

"И.А., ЧесноЕСки P.E., МошхеЕНч Л.Д.).

16. Метод определения прочности сцепления износостойких покрытий с подложкой из быстрорежущей стали. Сб. научн.тр. "НоЕые конструкционные материалы и эффективные методы их по-

э лучения и обработки", Киев, УЖ ВО, 1988, 135 с.

17. Современные методики исследования эксплуатационных характеристик быстрорежущих сталей с высоким содержанием азота, Национальная научн.техн.конф. с международным участием НРБ, Варна, 1989, с. 80-82. (Учаев A.C., МошкеЕИЧ Л.Д., Рашева И.А. и др.).

18. Карбицосталь "С" - спеченный материал для износостойкого инструмента Инф.лист., Запорожье, IS80, 4 с. (Бокий Ю.Ф., ЗубкоЕа В.Т., Учаев A.C.).

19. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент. (Под редакцией Внукова Ю.Н.). К., Изд-во "Техника", 1992 г. 5п.л. ( на издании), i ■

20. Нитриды переходных металлов,, полученные методом ваку-умно-плазменного напыления. Тезисы докл П Всесоюзн.научн.техн. симпозиум "Современное электротермическое оборудование .для поверхностного .упрочнения деталей машин и инструментов" Саратов, 1990 г., с. 68-70. (Сальников A.C., Марков A.A.).

ül. coiipcmghiiuu ¡.¡ütüiuj u aj-uJop -.ли otieiiiui олсщмл^ш*' ctollcïb инструментальных стилей, оир грллшщх poöjvosnocart-Hocrt инструментов. Газаси У1 Республиканского семинара "Рвз-работка, производство и применение ш втрументалыш материалов", Запорожье, 1ЭЭС г., с. 53-55 Опав A.C.).

22. Прибор оля определения тгерцзста металлических ма-гериалов при хысоках температурах J A.C. Учаии, Ю.Б. Трегубой // Пнф.листок ü 011-91, Ёааорсзье,- Ш1.

23. Современные методика исследования эксплу^тошо.лшх характеристик быстрорежущих сталей с п.аииьнцнм содерааннек азота. Сб. докладов Международной кок^зрдщда "Шсокоаз^тис-тые стала - 69" г. Варна, т. 2, стр. I -19 . (Учлег A.C., Пои кеЕич Л.Л., Сальн:\:ов A.C. - СССР И. l-::aïa, «.Джонов, С.Сан-ке^ - Болгария).

24. ПроrprcezEHult oôr.aôartisaïzï-.a и.^пгумзнт л гвтош V.:;-вы'ленпя его качества (под pea.. Ker2'--üöavue IL.!.), Чоскеп, 1991 г., 377 c.

25. Экспериментальное подтверждение "г{рвхцио:шоЛ" теории H.H. Зорова. Тезисы докл. международного семинара "Прск1лг^ резания материалов в современных техаолоотасквх процессах", .ХарькоЕ, ХПИ, 1991 г., с, 71-75.

Подписано к печати 10.12.91 г.

Форио-г 60x84 1/6 обьеы 2 п.л. за! ( . 100 зхз.

ЗМИ, Ротопрант, 330063, г. Запоре "¿а, уя.КукоЕского, 04