автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение производительности обработки при точении изделий из жаропрочного сплава на основе хрома путем применения инструмента из твердого сплава высокой теплостойкости

На правах рукописи

КАШИРЦЕВ ВАЛЕНТИН ВАЛЕНТИНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ ПРИ ТОЧЕНИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ ХРОМА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ИЗ ТВЕРДОГО СПЛАВА ВЫСОКОЙ ТЕПЛОСТОЙКОСТИ

Специальность 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-

технической обработки»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 -I / ПО пли I .' /\гК ¿и ¡4

Москва - 2014

005547365

005547365

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН») на кафедре «Композиционные материалы»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая

организация

институт

Адаскин Анатолий Матвеевич

кандидат технических наук, доцент, профессор каф. «Композиционные материалы» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» Кузнецов Владимир Анатольевич

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Технология конструкционных материалов» Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ)

Башков Валерий Михайлович

кандидат технических наук, доцент, директор Учебно-инженерного центра нанотехнологий, нано- и микросистемной техники (УИЦ НТ НМСТ) МГТУ им Н.Э. Баумана

Открытое акционерное общество научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский технологии машиностроения» (ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»)

Защита диссертации состоится «27» мая 2014 г. в «13» часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127994, г. Москва, ГСП-4, Вадковский переулок, д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» или на сайте 11Нр://\уулу.stankin.ru/.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения (организации) просим высылать по указанному адресу в диссертационный совет Д 212.142.01.

Автореферат разослан » ^^ -^2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета У1.А. Волосова

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Условия эксплуатации машин в ряде промышленных отраслей, определяющих уровень технического развития страны, характеризуются повышенными или высокими температурами. Это энергетика, авиация, ракетостроение, космическая промышленность и др. Их эксплуатация не возможна без применения материалов, сохраняющих необходимую прочность при нагреве - жаропрочных. Широко используемые жаропрочные сплавы на и железоникелевой и никелевой основе сохраняют работоспособность до 900...950 °С. Это недостаточно для тяжело нагруженных деталей авиационной, ракетно-космической техники и др., работающих при температурах свыше 1000°С.

Работоспособность таких изделий может быть обеспечена только применением сплавов на основе тугоплавких металлов, обладающих весьма высокой жаропрочностью. Обязательным свойством деталей из жаропрочных материалов, работающих в агрессивных средах, является жаростойкость -сопротивление газовой коррозии при высоких температурах.

Единственным тугоплавким металлом, отвечающим этим требованиям, является хром и сплавы на его основе. В литературе нет данных о технологических свойствах этих сплавов и, в частности, об обрабатываемости резанием. В настоящее время обработка деталей из этих сплавов затруднена; наблюдается низкая стойкость инструмента, его быстрый износ и, как следствие, низкое качество обработанной поверхности. В этой связи повышение производительности обработки и уменьшение шероховатости обработанной поверхности является актуальной научно-технической задачей.

Актуальность темы диссертации подтверждается:

соответствием тематике, относящейся к критическим технологиям, определяемых Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899, а именно к п. 24: «Технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения».

выполнением научно-исследовательских работ с ОАО «Композит»:

1 «Установление обрабатываемости базового ВХ4 (Х65НВФТ) и экспериментального перспективного сплава типа ВХ4. Выбор оптимальных инструментальных материалов и режимов резания».

(Договор №12-18/6-1008/0100-12 от 20.02. 2012).

2 «Разработка технологии обработки резанием специального сплава» (Договор № 12-55-1079/0100-12 от 10.09. 2012).

3 «Исследование структуры специального сплава» (Договор № 13-22/у-1140/0100-13 от 07. 05 2013 г).

Степень разработанности темы. Разработанность темы низкая. Данные по свойствам сплавов на основе хрома в литературе весьма ограничены, не изучены превращения сплавов при термической обработке. Технологические свойства и, в частности, обрабатываемость резанием не рассмотрены ни в справочной, ни в периодической технической литературе. Нет данных о рациональном инструментальном материале для изготовления инструмента, предназначенного для точения жаропрочного сплава на основе хрома. Это обосновывает научный интерес, и необходимость получения практических рекомендаций для конструкторов инструмента и технологов механической обработки.

Цель работы: повышение производительности и при обработке деталей из жаропрочного сплава на основе хрома путем применения инструмента из твердого сплава высокой теплостойкости и режима термической обработки заготовок, обеспечивающего повышенную обрабатываемость резанием сплава на основе хрома.

Для реализации поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1 Разработка режима термической обработки - отжига, обеспечивающего улучшение обрабатываемости сплава на основе хрома

2 Проведение стойкостных исследований при точении сплава Х65НВФТ инструментом, оснащенным сменными многогранными пластинами (СМП) из твердых сплавов, режущей керамики и композита для рационального выбора инструментального материала для изготовления СМП.

4. Проведение стойкостных исследований для обоснованного выбора состава твердого сплава для изготовления СМП с износостойким покрытием.

5 Разработка состава, и определение свойств твердого сплава высокой теплостойкости

6 Проведение испытаний инструмента, оснащенного СМП, из разработанного твердого сплава в производственных условиях.

Теоретическая значимость работы заключается в установлении взаимосвязей между параметрами процесса резания: кинетикой изнашивания . режущего инструмента при точении, силами резания, условиями

стружкообразования, шероховатостью обработанной поверхности и кристаллической решеткой, структурой физико-механическими и теплофизическими свойствами жаропрочного сплава на основе хрома.

Практическая значимость работы заключается в разработке состава однокарбидного ренийсодержащего твердого сплава, предназначенного для обработки труднообрабатываемых жаропрочных материалов (на ренийсодержащий твердый сплав ВР7К6 получено положительное решение о выдаче патент), изготовлении и опробовании инструмента из этого сплава; разработке технологического процесса термической обработки сплава Х65НВФТ, обеспечивающего его стабильную твердость в пределах 35...36 Ш1С и улучшенную обрабатываемость точением (на способ термической обработки сплава Х65НВФТ получено положительное решение о выдаче патента).

Методика исследования.

При исследовании структуры использовали металлографический, рентгенофазовый (РФА), микрорентгеноспектральный (МРСА) анализы. Склонность обрабатываемых материалов к наклепу определяли прямым методом - холодным пластическим деформированием на прокатном стане Кварто-175. Механические свойства изучались при 20°С и повышенных температурах.

Для стойкостных исследований при точении использовали резцы, оснащенные СМП из твердых сплавов, в том числе с износостойким покрытием; режущей керамики; СТМ на основе нитрида бора. Изучали кинетику износа, условия стружкообразования, определяли силы резания, шероховатость обработанной поверхности.

На защиту выносятся следующие положения:

1 Структурные факторы, определяющие параметры процесса точения жаропрочного сплава Х65НВФТ- наличие в структуре фазы а- фазы с решеткой ОЦК, более высокие, чем у никелевых сплавов, значения модуля упругости и теплофизические свойства; твердораствоное упрочнение сплава,

2 Технология термической обработки для формирования равновесной структуры, с низкой легированностью а- фазы и максимальным количеством крупнозернистой у- фазы, обеспечивающей лучшую обрабатываемость резанием сплава Х65НВФТ.

3 Взаимосвязи между свойствами материалов СМП и их стойкостью при обработке жаропрочного сплава на основе хрома. Показано, что теплостойкость

твердых сплавов определяется температурой разупрочнения связки, зависящей от температуры плавления или полиморфного превращения металла-связки.

4 Оптимальное соотношение Со и Яе в связке однокарбидных сплавах с карбидом ЖС.

Научная новизна заключается в:

обосновании рационального содержания рения в однокарбидных твердых сплавах, предназначенных для изготовления инструмента, оснащенного сменными многогранными пластинами, обеспечивающего повышение производительности обработки резанием деталей из сплава на основе хрома;

определение взаимосвязи между характером изнашивания инструмента при токарной обработки и кристаллическим строением жаропрочного сплава Х65НВФТ на основе хрома, его механическими и теплофизическими свойствами, склонностью к наклепу;

- установлении взаимосвязи между модулем упругости обрабатываемого материала и соотношением составляющих силы резания;

- выявление взаимосвязи между структурными превращениями, изменением свойств при нагреве и характером стружкообразования «сливная —> элементная» при повышении скорости резания с 14 м/мин до 30-40 м/мин жаропрочного сплава Х65НВФТ на основе хрома.

Достоверность результатов подтверждается тем, что работа базируется на теории резания, и фундаментальных положениях теории жаропрочности, о связях между температурами плавления и полиморфного превращения и жаропрочностью жаропрочных сплавов, распространенных на универсальный инструментальный материал - твердые сплавы. Достоверность полученных данных подтверждена их статистической обработкой, а также промышленными испытаниями на ОАО Композит и ФГУП «ОКБ Факел».

Реализация работы

1 Режим отжига заготовок из сплава Х65НВФТ внедрен на ОАО «Композит». Внесено изменение № 0100-150 от 28.11.2013 в ТУ 1850-540-56897835-2012 на изменение режимов термической обработки прутков.

2 При обработке заготовок элементов термокаталитических двигателей из сплава Х65НВФТ во ФГУП «ОКБ Факел» достигнуто повышение стойкости инструмента из разработанного твердого сплава ВР7К6 более чем в два раза и снижение шероховатости обработанной поверхности, по сравнению с базовым

вариантом - инструментом из сплава ВК6-ОМ. Рекомендовано проведение промышленных испытаний инструмента из разработанного твердого сплава для обработки труднообрабатываемых сплавов на основе тугоплавких металлов.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на международных и отраслевых конференциях:

1 METMG 2012:«Manufacturing Engineering and Technology for Manufacturing Growth», November 1 -2 2012, San Diego, CA, USA.

2 Международный Семинар Национального технического университета "Харьковский политехнический институт". «Высокие технологии в машиностроении» ИНТЕРПАРТНЕР-2012; Сентябрь, 2012 10-15, Украина.

3 Молодежная Конференция «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике», ФГЪУ «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина», 27-29 июня, 2012, Звездный городок (победитель, награжден Дипломом и Грамотой).

4 IV Международная Конференция с элементами научной школы для молодежи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», 1-5 Октябрь 2012, г. Суздаль.

В полном объеме диссертация заслушана:

на расширенном заседании кафедр «Высокоэффективные технологии обработки» и «Металловедение» с привлечением представителей кафедр «Технология машиностроения», «Инструментальная техника и технологии формообразования» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»; на НТС ОАО «Композит».

По результатам работы опубликовано 9 статей, из них 7 в журналах, входящих в перечень ВАК, в том числе, 1 статья в системе цитирования «Web of science», 4 - в системе цитирования «Scopus».

Получены положительные решения на выдачу патентов: «Твердый сплав на основе карбида вольфрама для обработки резанием труднообрабатываемых материалов»; «Способ термической обработки жаропрочного и жаростойко!« сплава Х65НВФТ».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы (83 наименование). Работа изложена на 166 страницах, содержит 61 рисунок, 40 таблиц и 6 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, отражены научная новизна и практическая ценность диссертации.

В первой главе проведен литературный обзор, посвященный особенностям обработки резанием жаропрочных сплавов. На основании анализа эксплуатационных свойств сформулированы особенности обработки резанием жаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов. Настоящая работа базируется на существенном вкладе, внесенном в теорию обработки резанием труднообрабатываемых материалов научными школами ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», ФГУП ВНИИТС (В.Н. Подураев, Л.С. Кремнев. В.Н. Аникин, И.Н. Чопорова, С.Н. Григорьев, А. С. Верещака).

По результатам аналитического обзора выбран объект исследования, сформулированы цель и задачи исследования.

Объект исследования - сплав Х65НВФТ (% масс.: Ш - 31...35, IV - 1...3, V - 0,1...0,4, 77 - 0,05...0,3; Сг - основа) единственный промышленный сплав на основе хрома. Установлены направления исследования структуры и свойств сплава, определяющие технологичность при точении заготовок из этого сплава. Определен характер стойкостных исследований сплавов на основе хрома -Х65НВФТ и никеля - ХН77ТЮР, выбранного в качестве эталона, с целью выявления особенностей обработки резанием и выбора рационального материала инструмента для обработки исследуемого сплава.

Во второй главе приведена методика исследования структуры и свойств сплава Х65НВФТ при 20 °С и повышенных температурах, а также методика стойкостных исследований при точении сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР, выбранного в качестве эталона.

При проведении стойкостных исследований использовали резцы, оснащенные СМП из твердых сплавов, в том Числе с износостойким покрытием, режущей керамики, СТМ на основе нитрида бора.

В третьей главе приведены результаты исследований структуры и свойств сплава Х65НВФТ при 20° С и повышенных температурах (в сравнении со сплавом ХН77ТЮР), определяющие поведение сплавов при обработке резанием.

Структура сплава Х65НВФТ в состоянии поставки это фазы - а (решетка ОЦК; 578 НУ 0,01); и у (решетка ГЦК; 434 НУ 0,01);

соотношение а: у~ 1:1, а также оксиды (1500 HV 0,01), их влиянием на фазовые превращения и свойства сплава из-за малого количества можно пренебречь. Твёрдость сплава в состоянии поставки по действующей технологии (изотермическая выдержка после прессования 900 °С, 16 часов; охлаждение на воздухе) повышенная - 36...38 HRC, т.к. при охлаждении с 900 °С на воздухе происходит закалка заготовок.

На основании исследования фазовых превращений при термической обработке сплава разработан режим отжига, обеспечивающий стабильные значения твердости не превышающие 35...36 HRC. Это повышает стойкость СМП при точении, сокращает расход инструмента. Разработанный режим: медленное, со скоростью 30 - 50 °С/час, охлаждение после изотермической выдержки при 900 °С до 650 - 550 °С, и только затем на воздухе. Такой отжиг обеспечивает более равномерное охлаждение заготовок и предотвращает закалку. Охлаждение от 650 - 550 °С не только медленное - на воздухе, но даже быстрое - в масле не вызывает закалки и не приводит к повышению твердости.

Четвертая глава1 посвящена стойкостным исследованиям при точении. В ней выполнен сравнительный анализ структуры и свойств сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР, определяющие обрабатываемость резанием при точении.

Обрабатываемость резанием сплава Х65НВФТ лучше, чем сплава ХН77ТЮР несмотря на более высокие механические свойства этого сплава при 20 °С и повышенных температурах, Указанное противоречие объясняется неодинаковостью кристаллических решеток, фазового состава и комплекса механических и теплофизических свойств исследуемых сплавов.

Механические свойства сплава существенно зависят от температуры; ав и <тт при повышении температуры плавно снижаются, но при температурах, развиваемых при резании, сплав Х65НВФТ сохраняет высокую прочность (~ 700 МПа при 700 °С), при этом пластичность, определяющая истинную прочность и влияющая на обрабатываемость резанием низкая.

В теории резания (В.Н. Подураев) критерий - «истинная прочность», оценивает одновременно влияние прочности и пластичности: 5=<те(1+(5).

Стойкостные исследования выполнялись под руководством д.т.н. A.C. Верещака

Пластичные материалы склонны к наклепу, это вызывает ускоренный износ инструмента, д и 00,2/0« - характеристики пластичности, их значения для сплава Х65НВФТ, ниже чем у сплава ХН77ТЮР. Кроме того, большая склонность к наклепу сплава ХН77ТЮР определяется типом его кристаллической решетки - ГЦК. Однако, по этим свойствам количественно оценить склонность к наклепу нельзя. В нашей работе меньшая склонность к наклепу сплава Х65НВФТ, оцениваемая относительным приростом твердости поверхностного слоя (как это рекомендуется в теории резания), подтверждена количественно (табл. 1).

Таблица 1 Склонность к наклепу жаропрочных сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР (прокатный стан Кварто-175, степень деформации 20 %, 20 °С)

СПЛАВ Х65НВФТ ХН77ТЮР

Состояние Отжиг Отжиг + прокат Закалка Закалка + прокат Закалка + старение Закалка + старение + прокат

Твердость НУ100 поверхностного слоя 371 432 315 440 387 472

Относительный прирост твердости, % 15,5 39,6 21,9

Теплофизические свойства. Чем выше значения теплоемкости, тепло- и температуропроводности, тем ниже температура в зоне резания.

Удельная теплоемкость обоих исследованных сплавов, а также тепло- и температуропроводность при 20 °С сплавов близки - отличие менее 2 % (табл. 2).

Преимущества теплофизических свойств сплава Х65НВФТ (~ на 30 %) проявляются при высоких температурах- 600 °С и выше (см. табл. 2), близких к возникающим при точении труднообрабатываемых материалов

Стойкостные исследования проводились в три этапа. На первом этапе проводили сравнение обрабатываемости резанием исследуемого сплава и сплава ХН77ТЮР, используемого в качестве эталона. Это позволило выявить особенности обрабатываемости резанием жаропрочного сплава на основе хрома.

Таблица 2 Теплофизические свойства сплавов системы «М-Сп> (по данным В.Е. Зиновьева «Теплофизические свойства металлов при высоких температурах»)

Соотношение Сг:М в сплаве Теплопроводность, Вт/мК, при температуре, К Температуропроводность, «•106, м2/с, при температуре, К

20 800 1000 20 850 900 1000

65:35 (аналог Х65НВФТ) 93,9 28,4 32,9 23,6 7,75 7,9 8,0

20:80 (аналог ХН77ТЮР) 90,9 22,5 27,5 23,21 5,65 5,65 5,8

Различия механических и теплофизических свойств сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР определяют существенные различия кинетики их изнашивания.

На стадии приработочного изнашивания, когда теплофизические характеристики обоих сплавов близки, преимущества в обрабатываемости резанием сплава Х65НВФТ не существенны. Разница в величине износа инструмента при обработке обоих сплавов незначительна при использовании СМП без покрытий (рис. 1 а) и практически отсутствует при использовании СМИ с покрытием (рис. 16).

Врсш рсмнш I, мин

•*>Х№1Ш<Ы -»-XII'-ПОР -^ХЛ5ЛВФТ ;л

а) б)

Рис. 1 Кинетика изнашивания СМП из сплава ВК10-ХОМ при обработке сплавов Х65НВФТ (1) ХН77ТЮР (2): а - СМП без покрытия; б- СМП покрытием П-ПИ-ПСгАШ. (Режимы резания: V = 40 м/мин, 5= ОД 5 мм/об, ¿=1,0 мм)

В дальнейшем характер изнашивания меняется принципиально. Изнашивание инструмента при обработке сплава Х65НВФТ развивается по классическому механизму - после приработки наступает стадия установившегося изнашивания. При обработке сплава ХН77ТЮР период приработки инструмента сразу переходит в стадию катастрофического изнашивания.

Преимущества в стойкости инструмента при обработке сплава Х65НВФТ проявляются во всем диапазоне исследованных скоростей резания (рис. 2.). Критерий У2о, используемый при оценке обрабатываемости труднообрабатываемых материалов (скорость резания, определяющая двадцатиминутную стойкость инструмента), при обработке сплава Х65НВФТ практически в два раза выше, чем при обработке сплава ХН77ТЮР -40 и 20 м/мин, соответственно.

«♦»Х65НВФТ "•»ХН77ТЮР

Рис. 2 Влияние скорости резания на стойкость инструмента, оснащённого СМП из сплава ВКЮ-ХОМ с много-слойно-композиционным покрытием 77-7Ш-ПСгЛЙУ;5=0,15 мм/об, /=1,0 мм.

Шероховатость поверхности. Лучшее качество поверхности было получено при обработке сплава Х65НВФТ - Да=1,93 (ХН77ТЮР - Яа=2,27). Этот

результат закономерен и определяется следующими факторами: меньшей пластичностью сплава Х65НВФТ, т.е. меньшей склонностью к наростообразованию; большим значением модуля упругости; возможностью резания с более высокими скоростями (до 40 м/мин). Применение ренийсодержащего твердого сплава позволило по сравнению с базовым вариантом (ВК6-ОМ) повысить скорость резания (с 14 до 30-40 м/мин) и снизить шероховатость обработанной поверхности с 5,35 до 1,93 мкм.

Стружкообразование. При скорости резания 20 м/мин более благоприятный тип стружки наблюдается при обработке заготовок из сплава ХН77ТЮР. Это стружка - элементного типа, легко удаляемая из зоны резания. И, напротив, при обработке заготовок из сплава Х65НВФТ формируется непрерывная (сливная, винтовая) стружка, удаление которой из зоны резания затруднено. При скорости резания 30 м/мин тип стружки сплава ХН77ТЮР практически не меняется, тогда, как при обработке сплава Х65НВФТ стружка становится элементной. При дальнейшем повышении скорости резания до 40 м/мин стружка при обработке сплава Х65НВФТ остается элементной, а при обработке сплава ХН77ТЮР стружка имеет сплошной одновитковой спирали (рис. 3).

20 м/мин 30 м/мин 40 м/мин 50 м/мин

Х65НВФТ

ь- ^ : % 1 ' С Л ж ~ Г» о- £ С** 1

сливная, винтовая элементная элементная элементная

элементная элементная сливная, винтовая сливная, винтовая

Рис. 3 Влияние скорости резания на вид стружки

Характер изменения типа стружки в зависимости от скорости резания определяет рациональные режимы обработки сплавов. Сплав Х65НВФТ целесообразно обрабатывать со скоростями 30-40 м/мин.

Для сплава Х65НВФТ характерен невысокий рост пластичности при повышении температуры. Для таких материалов увеличение скорости резания, т.е. скорости приложения нагрузки, приводит к «задержке текучести» (термин, предложенный В.Н. Подураевым), пластическая деформация не успевает произойти во всем объеме, разрушение стружки происходит раньше, образуется элементная стружка.

Силы резания. Значение главной составляющей силы резания - Рг, определяющей необходимую мощность станка, заметно, примерно в 2 раза ниже при обработке сплава Х65НВФТ по сравнению со сплавом ХН77ТЮР (~ 3 и 6 кН). Это связано с меньшей пластичностью и склонностью к упрочнению сплава Х65НВФТ.

Соотношения составляющих силы резания при обработке сплавов на основе хрома и никеля существенно отличаются. Для сплавов на основе никеля это соотношение практически совпадает со сталями. Для сталей (по результатам многих исследований): Р,\ Ру: Рх= 1: (0,4...0,5): (0,25...0,3). В наших экспериментах при обработке сплава ХН77ТЮР Р2: Ру\ Рх= 1: 0,54: 0,27.

Соотношение составляющих силы резания при обработке сплава на основе хрома: Рг\ Ру: Рх= 1: (0,9...1,3): (0,22...0,36), т.е. Р^РУ. Ру - это сила упругого взаимодействия инструмента и обрабатываемой детали. По нашей гипотезе величина этой силы должна быть связана с модулем упругости обрабатываемого материала. Это подтвердилось дополнительными экспериментами -определениями сил резания при обработке сплава ВТ-20 на основе титана, стали 45. Соотношения составляющих силы резания для материалов, с разным модулем упругости заметно различаются (табл. 3). Рост силы Ру, при обработке сплавов на основе тугоплавких металлов - хрома, молибдена, вольфрама и др. определяет необходимость обеспечения высокой радиальной жесткости системы СПИД.

На втором этапе определяли рациональный инструментальный материал для обработки сплава Х65НВФТ с использованием разных марок твердых сплавов, в том числе с износостойкими покрытиями, режущей керамики, композита. Состав покрытия на твердосплавном инструменте - 77-77Л'-(Т:СгА 1)Ы,

такое многослойное покрытие, как показано в работах МГТУ «СТАНКИН» (С.Н. Григорьев, A.C. Верещака) обеспечивает значительное повышение стойкости инструмента при обработке жаропрочных материалов.

Таблица 3 Взаимосвязь между модулем упругости и соотношением Р:: Ру

Обрабатываемый Основа Е, Гпа Pz-Py

материал материала

Полимер Полимер - 10 Р->0(Р<0)

ВТ20 7/ ~ 100 1:(0.23...0,28)

Сталь 45 Fe ~ 200 1:0,45...0,55)

ХН77ТЮР М

Х65НВФТ Cr - 300 1 : (0,9...1.3)

Вольфрам W -400 Р>Р У 2

Примечание: Полимер, вольфрам - литературные данные; ВТ20, Сталь 45, ХН77ТЮР, Х65НВФТ - экспериментальные данные

Оценка эффективности инструментального материала выполнялась сравнением интенсивности изнашивания (Л) - величиной износа СМП (h3) по задней поверхности в единицу времени (т): Ju - h/r [мкм/мин].

Установлено, что инструментальные материалы с низкой прочностью -безвольфрамовый твердый сплав, режущая керамика и композит на основе нитрида бора не работоспособны при обработке сплава Х65НВФТ (табл. 4). Сплав Х65НВФТ имеет высокую прочность при 20 °С и сохраняет ее до высоких температур ~ 1100 Мпа при 20°Си~800 Мпа при 600 °С - температуре, близкой к развиваемой в зоне резания. Недостаточная прочность указанных инструментальных определила характер отказа - сколы и даже поломка пластинки из керамики ВОК-200.

Неудовлетворительные результаты были получены при использовании СМП из твердых сплавов ВК8 и ВКЮ-ОМ. Они оказались работоспособными только при скорости резания 20 м/мин. При повышении скорости резания до 30 м/мин и особенно 40 м/мин износ возрастал катастрофически. Низкую стойкость при этих скоростях следует отнести к недостаточной теплостойкости твердого сплава, определяемой жаропрочностью связки.

Удовлетворительные результаты были получены при использовании сплава ВКЮ-ХОМ. Сплав показал работоспособность инструмента при скорости резания 30 м/мин. Лучшая стойкость была получена при использовании ренийсодержащего сплава ВРК15 (9 % Re, 6 % Со, 85 % WC) -

(разработка ВГУП ВНИИТС ТИ 48-4201-3-38-86). Сплавы, в состав связки которых входит рений, характеризуются высокой температурой разупрочнения, что важно при обработке жаропрочных сплавов. Сплав показал самую высокую стойкость при скорости резания 30 м/мин. Это единственный из исследованных сплавов, который возможно эксплуатировать при скорости 40 м/мин.

Таблица 4 Интенсивность изнашивания СМП при точении сплава Х65НВФТ

Инструментальный материал /и, мкм/мин, при скорости резания, м/мин -числитель; Стойкость до регламентируемого износа Лз=0,5 мм, мин, - знаменатель.

20 30 40

ВК8 47/10,6 1250/0,4 1410/0,35

ВК6-ОМ 110/4,5 594/0,84 833/0,6

ВКЮ-ХОМ 6/83,3 60/8,33 410/1,2

ВРК15 - 26/19,2 44/11,36

ТН-20 858/0,58 1165/0,43 -

ВОК-200 483/1,03 - поломка (5=0,1 мм/об)

Композит 10 512/0,97 (сколы) (5=0,1 мм/об) - -

Примечание: (5=0,15 мм/об; t= 1 мм)

Стойкостные исследования влияния покрытия проводили с использованием СМП из сплавов ВКЮ-ХОМ, ВРК15 и КНТ16. Два первых как показавшие лучшие результаты и, как альтернатива этим сплавам, менее прочный безвольфрамовый твердый сплав. Эффекта от нанесения покрытий низок для безвольфрамовых сплавов. Интенсивность изнашивания СМП с покрытием при скорости резания 20 м/мин снизилась примерно на 20 %, при этом изнашивание носило катастрофический характер, поэтому испытания при более высоких скоростях резания не проводили. Интенсивность изнашивания СМП с покрытием из сплавов ВРК15 и ВКЮ-ХОМ практически одинакова (табл. 5). При этом наиболее заметное влияние покрытия получено для сплава ВКЮ-ХОМ - интенсивность изнашивания уменьшилась примерно в 10 и 20 раз при скорости резания 30 м/мин и 40 м/мин, соответственно, тогда как для сплава ВРК15 это снижение составило 3 и 2 раза.

Таблица 5 Интенсивность изнашивания инструментальных материалов с износостойким покрытием 7г-7г7У- (ПСгА1)И при точении сплава Х65НВФТ в зависимости от скорости резания

Инструментальный материал Ун, мкм/мин, при скорости резания, м/мин — числитель; Стойкость до регламентируемого износа йз=0,5 мм, мин - знаменатель.

20 30 40

ВЮО-ХОМ - 6,8/73 23/21,7

ВРК15 - 8,1/61,7 21/23,8

КНТ-16 736/0,6 - -

Результаты испытаний позволяют рекомендовать для обработки жаропрочного сплава на основе хрома ренийсодержащий твердый сплав. Его применение обеспечивает лучшую стойкость СМП без покрытия. Нанесение покрытия не приводит к значительному повышению стойкости инструмента, поэтому применение этой трудоемкой и наукоемкой технологии не является обязательной.

Третий этап был посвящен выбору рационального состава ренийсодержащего твердого сплава (работа базировалась на ранее выполненных исследованиях ВНИИТСа). Условия эксплуатация режущего инструмента при обработке жаропрочных материалов характеризуется высокими температурами и напряжениями. Теплостойкость твердых сплавов лимитируется температурой разупрочнения связки, т.е. недостаточной жаропрочностью металла связки -кобальта.

Температура начала разупрочнения металлов и сплавов зависит от сил межатомных связей. Для сплавов, не претерпевающих полиморфного превращения, начало разупрочнения определяется температурой плавления, для сплавов с полиморфным превращением — температурой этого превращения, которая ниже температуры плавления (это было показано в работах МГТУ «Станкин» Л.С. Кремневым).

В сплавах типа ВК (\УС - Со) жаропрочность кобальтовой связки зависит от температуры полиморфного превращения е (низкотемпературная ГПУ - фаза) а (высокотемпературная ГЦК - фаза).

Рений - тугоплавкий металл, температура плавления 3450 °С, не образует собственных карбидов, он входит в состав связки, меняя ее химический состав.

Кристаллическая решетка рения - ГПУ, такая же, как у низкотемпературной модификации кобальта, поэтому рений стабилизирует низкотемпературную модификацию - е-фазу, сохраняя ее до высоких температур, повышая температуру полиморфного превращения.

При содержании рения ~ 52 % масс, и более сплавы системы «Со - Ле» (рис. 4) не претерпевают полиморфного превращения, т.е. температура начала разупрочнения для них определяется линией солидус. Количество рения в сплаве ВРК15 9 % масс, т.е. в связке - 60 %. Увеличение содержания реши в связке снижает ее прочность, это предопределяет высокое содержания связки в сплаве - 15% масс.

Яс % ( по массс)

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90

2400 2000 1600 1200

800 400

Со 10 20 30 40 50 60 70 80

Яе % (ат)

__Оптимальная

концентрация, Яе

Рис. 4 Диаграмма состояния «Со - Ее»

Нами разработан принцип выбора состава связки твердых сплавов, заключающийся в том, что содержание дорогостоящего рения в связке составляет 52-54 масс. %, т.е. меньше, чем в сплаве ВРК15. Это позволяет сократить массовую долю связки без потери прочности (за счет уменьшения содержания рения) при более высокой теплостойкости, чем у сплава ВРК15.

Сплав предлагаемого состава типа ВР7К6 (количество связки - 13 % масс.; содержание рения в связке ~ 54%). Стойкость СМП из сплавов ВР7К6 и ВРК15 близка, при этом несколько лучшие результаты были получены для сплава ВР7К6 (табл. 6).

Таблица 6 Состав свойства сплавов и стойкость СМП из сплавов ВР7К6 и ВРК15 при обработке жаропрочного сплава Х65НВФТ.

Сплав Химический состав, % масс. Механические свойства Стойкость, мин при скорости резания, м/мин

1УС Яе Со Твердость, Гпа Мпа 30 40

ВР7К6 87,9 6,8 5,3 17,2 1720 22,3 13,1

ВРК15 85 9 6 17,1 1650 20,1 10,2

Промышленной опробование инструмента (СМП) из сплава ВР7К6 в условиях ФГУП «Опытное конструкторское бюро «ФАКЕЛ» показало заметное преимущество перед используемым в настоящее время инструментом из сплава ВК6-ОМ. При скорости 14 м/мин (принятая технология) стойкость пластин из предлагаемого сплав была выше примерно в три раза (11,5 и 32 мин, соответственно). При скорости 30 м/мин стойкость инструмента из сплава ВР7К6 составила 19 мин, сплав ВК6-ОМ был неработоспособен.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Решена научно-техническая задача повышения производительности и достижения малой шероховатости поверхности при обработке жаропрочного и жаростойкого сплава на основе хрома, путем улучшения обрабатываемости и применения инструмента из ренийсодержащего твердого сплава высокой теплостойкости, имеющая значение для ряда машиностроительных отраслей, определяющих уровень развития страны - это энергетика, авиация, ракетостроение и др.

2 Установлены взаимосвязи между свойствами материалов СМП и их стойкостью при обработке жаропрочного сплава на основе хрома. Показано, что теплостойкость твердых сплавов определяется температурой разупрочнения связки, зависящей от температуры плавления или полиморфного превращения металла-связки.

3 На основании анализа диаграммы состояния «Со - Ле» разработан состав твердого сплава, обладающего высокой теплостойкостью, предназначенный для резания жаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов. Рений тугоплавкий металл, эффективно повышающий температуру плавления кобальтовой связки и полиморфного превращения.

4 Разработаны и опробованы режимы резания при точении жаропрочного сплава Х65НВФТ инструментом, оснащенным СМП из разработанного ренийсодержащего сплава ВР7К6, обеспечивающие высокую производительность и малую шероховатость обработанной поверхности.

5 На основании изучения сил резания установлена с взаимосвязь между модулем упругости обрабатываемого материала и составляющими силы резания; больший модуль упругости предопределяет большую величину радиальной составляющей силы резания (Ру) которая соизмерима или превосходит главную тангенциальную силу резания (Рг).

6 Установлена взаимосвязь между структурными превращениями, изменением свойств и характером стружкообразования «сливная —> элементная» при повышении скорости резания жаропрочных сплавов на основе хрома. Это связано с относительно невысоким повышением пластичности сплава Х65НВФТ при повышении температуры.

7 На основании изучения фазовых превращений разработан режим термической обработки сплава Х65НВФТ, включающий изотерическую выдержку 900 °С 16 ч. с последующим охлаждением до температуры 550 - 650 °С со скоростью 30 - 50 °/час, и дальнейшим охлаждением на воздухе, обеспечивающий отсутствие закалки при охлаждении, пониженную твердость и повышенную обрабатываемость резанием жаропрочного сплава Х65НВФТ на основе хрома.

8 Разработаны:

- режим отжига заготовок из сплава Х65НВФТ, который внедрен на ОАО «Композит», что обеспечило повышение стойкости и сокращения расхода режущего инструмента на операциях точения.

- состав твердого сплава ВР7К6; промышленные испытания инструмента из которого проведены на ФГУП «ОКБ Факел». Его применение обеспечило повышение стойкости более, чем в два раза, по сравнению с базовым вариантом - инструментом из сплава ВК6-ОМ. Инструмент из сплава ВР7К6 рекомендован для обработки труднообрабатываемых жаропрочных сплавов.

Основные положения диссертации отражены в публикациях:

1 Каширцев В.В. Вид ползучести и характер разрушения сталей и сплавов, не претерпевающих полиморфного превращения / A.M. Адаскин, В.В. Каширцев, И.Ю. Сапронов // Вестник МГТУ «Станкин»: №3(22). -М.'.МГТУ «Станкин», 2012. - с.14-21.

2 Каширцев В.В. Исследование влияния содержания рения с Co-Re связке на режущие свойства твердых сплавов / A.M. Адаскин, A.C. Верещака, A.A. Верещака, В.В. Каширцев, О. Хожаев, К.В. Крючков // Семинар «Высокие технологии в машиностроении»; Сбфник научкових праць. - Харьюв, НТУ «ХПИ», 2012. - Вип. 1(22). - с. 3-12.

3 Каширцев В.В. Оптимальное содержание рения в твердых сплавах, предназначенных для обработки жаропрочных сталей и сплавов / A.M. Адаскин,

A.И. Аникеев, A.C. Верещака, В.В. Каширцев, И.Ю. Сапронов - СТИН №1,2013. - с. 36-40.

4 Kashirtsev. V.V. Cemented carbides for machining of heat-resistant materials / A.M. Adaskin, S.N. Grigoriev, A.A. Vereschaka, A.S. Vereschaka, V.V. Kashirtsev (Advanced Materials Research Vol. 628 (2013) pp 37-42).

5 Каширцев В.В. Обрабатываемость резанием жаропрочного сплава Х65НВФТ на основе хрома. / A.M. Адаскин, В.Н.Бутрим, A.C. Верещака,

B.В. Каширцев, А.К. Кириллов - СТИН №7,2013, с.36-40.

6 Каширцев В.В. Исследование обрабатываемости резанием жаропрочных сплавов на никелевой и хромовой основах / А.К. Кириллов, В.Н.Бутрим, В.В. Каширцев, О Хожаев, A.B. Смурыгин // «Вестник машиностроения» №7,2013, с. 70-73).

7 Каширцев В.В. Характер разрушения жаропрочного сплава Х65НВФТ на основе хрома / A.M. Адаскин, В.Н. Бутрим, В.В. Каширцев, И.Ю. Сапронов // «Металловедение и термическая обработка металлов» №8, 2013. с. 12-18.

8 Каширцев В.В. Ползучесть и разрушение жаропрочных сталей и сплавов / // Материалы IV Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества». Суздаль 1-5 октября 2012г. / Сборник материалов. - М: ИМЕТ РАН, 2012, с. 232-233.

9 Каширцев В.В. Выбор инструментального материала для обработки жаропрочного сплава Х65НВФТ. / A.M. Адаскин В.Н. Бутрим, В.В. Каширцев, К.В. Крючков - СТИН №12, 2013, с. 31-35.

Получены положительные решения на выдачу патентов:

1 «Твердый сплав на основе карбида вольфрама для обработки резанием труднообрабатывемых материалов». A.M. Адаскин, В.Н. Бутрим, A.A. Верещака, A.C. Верещака, В.В. Каширцев, К.В. Крючков, A.M. Дембицкий.

2 «Способ термической обработки заготовок из сплава Х65НВФТ». A.M. Адаскин, В.Н. Бутрим, В.Н. Каширцев, В.В. Каширцев, И.Ю. Сапронов.

Подписано в печать: 29.03.2014 Объем: 1.2усл.п.л. Тираж: 130 экз. Заказ № 952 Отпечатано в типографии «Реглет» 101000, г. Москва, Пл. Мясницкие Ворота д. 1, стр.3 (495) 971-22-77 www.reglet.ru

ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

На правах рукописи

КАШИРЦЕВ ВАЛЕНТИН ВАЛЕНТИНОВИЧ

04201457748

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ ПРИ

ТОЧЕНИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ ХРОМА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ИЗ ТВЕРДОГО СПЛАВА ВЫСОКОЙ ТЕПЛОСТОЙКОСТИ

Специальность 05.02.07 — Технология и оборудование механической и физико-

технической обработки

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент А.М. Адаскин

МОСКВА 2014

Оглавление

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

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......11

1.1 Анализ методов определения обрабатываемости сталей и сплавов при точении. Критерий износа сменных многогранных пластин (СМИ)................11

1.2 Жаропрочные металлы и сплавы. Анализ эксплуатационных свойств.... 16

1.3 Анализ влияния физико-механических свойств жаропрочных металлов и сплавов на обрабатываемость при точении..........................................................28

1.4 Инструментальные материалы сменных многогранных пластин (СМП) для обработки жаропрочных материалов....................................................................37

1.5 Анализ данных литературного обзора. Задачи исследования...................41

Выводы по главе 1...................................................................................................43

2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВА Х65НВФТ...................................................44

2.1 Исследуемые жаропрочные сплавы на основе хрома (Х65НВФТ) и никеля (ХН77ТЮР). Состав, технология производства...................................................44

2.2 Исследование структуры и определение механических свойств - факторов, определяющих обрабатываемость резанием при точении..................................47

2.3 Определения склонности сплавов к наклепу...............................................53

2.4 Осаждения покрытий на СМП из твёрдых сплавов КНТ16, ВКЮ-ХОМ, ВРК15........................................................................................................................54

2.5 Исследования обрабатываемости резанием жаропрочных сплавов Х65ЕШФТ и ХН77ТЮР при точении резцами, оснащенными СМП................55

2.6 Математическая обработка результатов исследований определения механических свойств и стойкостных испытаний...............................................59

Выводы по главе 2...................................................................................................63

3 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВА Х65НВФТ НА ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ..........................................64

3.1 Исследование структуры сплава в состоянии поставки.............................64

3.2 Механические свойства сплава в состоянии поставки...............................68

3.3 Характер разрушения сплава Х65НВФТ......................................................72

3.4 Фазовые превращения при термической обработке сплава Х65НВФТ.... 79

3.5 Разработка режима отжига, обеспечивающего повышение производительности при обработке деталей из сплава Х65НВФТ....................87

Выводы по главе 3...................................................................................................92

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ ХРОМА................................................................................................93

4.1 Сравнительный анализ структуры и свойств сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР, определяющих их обрабатываемость при точении.........................94

4.2 Кинетика изнашивания инструмента при точении жаропрочных сплавов резцами, оснащенными СМП...............................................................................103

4.3 Влияние модуля упругости на составляющие силы резания...................107

4.4 Шероховатость обработанной поверхности деталей из сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР при точении.....................................................................................116

4.5 Исследование стружкообразования при точении сплавов на основе хрома и никеля в зависимости от скорости резания.....................................................116

4.6 Выбор инструментального материала СМП для точения сплава Х65НВФТ...............................................................................................................122

4.7 Разработка состава твердого сплава высокой теплостойкости для СМП, предназначенных для точения жаропрочного сплава Х65НВФТ....................127

4.8 Лабораторные и промышленные испытания резцов, оснащенных СМП из сплава ВР7К6.........................................................................................................138

Выводы по главе 4

140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................144

ПРИЛОЖЕНИЕ А Решение о выдаче патента на изобретение № 2013103889/02(005624)............................................................................................. 153

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акт о внесении изменений термической обработки прутков на ОАО «Композит».......................................................................................................156

ПРИЛОЖЕНИЕ В Извещение об изменении ТУ 185-540-56897835-2012 ........157

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Решение о выдаче патента на изобретение № 2012153429/02(084993)............................................................................................. 161

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акт об изготовлении и определении структуры и свойств сплава ВР7К6.............................................................................................................164

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Акт о проведении испытаний по оценке работоспособности инструмента из сплава ВР7К6..................................................................................165

ВВЕДЕНИЕ

Условия эксплуатации машин, агрегатов, установок в ряде промышленных отраслей, определяющих уровень технического развития страны, характеризуются повышенными или высокими температурами. Это энергетика, транспорт, нефтехимическое производство, авиация, ракетостроение и космическая промышленность. При высоких температурах работают детали котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных реакторов и др. Их эксплуатация невозможна без применения специальных материалов, сохраняющих необходимую прочность при нагреве - жаропрочных.

Требования к жаропрочности, т.е. сопротивлению металла ползучести и разрушению при высоких температурах, могут быть различными, они определяются условиями эксплуатации.

В качестве жаропрочных материалов в промышленности используют различные стали и сплавы - в зависимости от температуры эксплуатации, определяющей необходимый уровень жаропрочности.

По мере повышения жаропрочности, с указанием предельной температуры эксплуатации, можно выстроить следующий ряд:

- алюминиевые сплавы - 350 °С;

- титановые сплавы - 600...650 °С;

- низколегированные стали - 550...620 °С;

- высоколегированные стали - до 750 °С;

- сплавы на никелевой основе и железоникелевые - до 900...950 °С;

- тугоплавкие металлы и сплавы на их основе - до 1200... 1300 °С.

Одной из важнейших технических задач является разработка «критических технологий», определяемых Указом Президента РФ

от 7 июля 2011 г. № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации».

В перечень критических технологий входит п. 24: «Технологии создания

ракетно-космической и транспортной техники нового поколения».

Очевидно, что работоспособность тяжелонагруженных деталей ракетно-космической техники, работающих при температурах свыше 1000 °С, может быть обеспечена только сплавами на основе тугоплавких металлов, обладающих весьма высокой жаропрочностью.

К тугоплавким относят металлы, температура плавления которых превышает 1700...2000 °С. Это элементы VA и VIA подгрупп Периодической системы элементов Д.А. Менделеева, соответственно - V, Nb, Та, Cr, W, Мо.

Наряду с жаропрочностью материалы, обеспечивающие реализацию критических технологий в области ракетно-космической отрасли, должны обладать высоким уровнем жаростойкости - сопротивлением газовой коррозии при высоких температурах. Это качество необходимо, также для материалов, используемых в нефтеперерабатывающей технике, деталей двигателей внутреннего сгорания.

Таким образом, эксплуатационные свойства материала для работы при высоких температурах в агрессивных газовых средах - жаропрочность и жаростойкость.

Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе имеют весьма низкую обрабатываемость резанием. Они сохраняют высокие значения прочности не только до рабочих, но и до технологических температур.

Цель настоящей работы - повышение производительности и улучшение качества, важным показателем которого является шероховатость поверхности, при обработке заготовок из труднообрабатываемого жаропрочного сплава на основе хрома.

Актуальность темы исследования обоснована тем, что при уникальности сплавов на основе хрома, обладающих одновременно и жаропрочностью, и жаростойкостью, их использование ограничивается сложностью обработки резанием.

В настоящее время точение изделий ведется с низкими скоростями, не обеспечивается необходимая шероховатость обработанной поверхности. Эти

обстоятельства определяют актуальность темы исследования.

Актуальность работы также подтверждена запросом промышленности на исследования и получение практических результатов по повышению производительности при обработке сплава Х65НВФТ на основе хрома. В рамках решения поставленной задачи выполнен ряд НИР с ОАО «Композит»:

- госбюджетная работа «Установление обрабатываемости базового ВХ4 (Х65НВФТ) и экспериментального перспективного сплава типа ВХ4. Выбор оптимальных инструментальных материалов и режимов резания». (Договор № 12-18/6-1008/0100-12 от 20.02.2012);

- хоздоговорные работы:

«Разработка технологии обработки резанием специального сплава» (Договор № 12-55-1079/0100-12 от 10.09.2012), «Исследование структуры специального сплава» (Договор № 13-22/у-1140/0100-13 от 07.05.2013 г).

Степень разработанности темы. Разработанность темы низкая. Данные по свойствам сплавов на основе хрома в литературе весьма ограничены, не изучены превращения сплавов при термической обработке. Технологические свойства и, в частности, обрабатываемость резанием не рассмотрены ни в справочной, ни в периодической технической литературе. Нет данных о рациональном инструментальном материале для изготовления инструмента, предназначенного для точения жаропрочного сплава на основе хрома. Это обосновывает научный интерес, и необходимость получения практических рекомендаций для конструкторов инструмента и технологов механической обработки.

Методика исследования. При исследовании структуры использовали металлографический, рентгенофазовый (РФА), микрорентгеноспектральный (MPCА) анализы. Склонность обрабатываемых материалов к наклепу определяли прямым методом - холодным пластическим деформированием. Механические свойства изучались при 20 °С и повышенных температурах 500 - 1200 °С.

Научная новизна заключается в:

обосновании рационального содержания рения в однокарбидных твердых сплавах, предназначенных для изготовления инструмента, оснащенного

сменными многогранными пластинами (СМП), обеспечивающего повышение производительности обработки резанием деталей из сплава на основе хрома (на состав твердого сплава для обработки труднообрабатываемых материалов получено положительное решение о выдаче патента);

определении взаимосвязи между характером изнашивания инструмента при токарной обработки и кристаллическим строением жаропрочного сплава Х65НВФТ на основе хрома, его механическими и теплофизическими свойствами, склонностью к наклепу;

установлении взаимосвязи между модулем упругости обрабатываемого материала и соотношением составляющих силы резания. Показано, что при обработке тугоплавких материалов с высоким модулем упругости (большим, чем у железа и никеля) возрастает значение радиальной составляющей силы резания;

выявлении взаимосвязи между структурными превращениями, изменением свойств при нагреве и характером стружкообразования «сливная —» элементная» при повышении скорости резания с 14 "м/мин до 30-40 м/мин жаропрочного сплава Х65НВФТ на основе хрома.

Теоретическая значимость работы заключается в установлении взаимосвязей между параметрами процесса резания: кинетикой изнашивания режущего инструмента при точении, силами резания, условиями стружкообразования, шероховатостью обработанной поверхности и кристаллической решеткой, структурой физико-механическими и теплофизическими свойствами жаропрочного сплава на основе хрома.

Практическая значимость работы заключается в разработке состава однокарбидного ренийсодержащего твердого сплава, предназначенного для обработки труднообрабатываемых жаропрочных материалов, изготовлении и опробовании инструмента из этого сплава. А также в разработке технологического процесса термической обработки сплава Х65НВФТ, обеспечивающего его стабильную твердость в пределах 35...36 ИКС и улучшенную обрабатываемость точением (на способ термической обработки сплава Х65НВФТ получено положительное решение о выдаче патента).

На защиту выносятся следующие положения:

1 Структурные факторы, определяющие параметры процесса точения жаропрочного сплава Х65НВФТ - наличие в структуре а- фазы с решеткой О ЦК; более высокие, чем у никелевых сплавов, значения модуля упругости и теплофизические свойства; твердорастворное упрочнение сплава;

2 Технология термической обработки для формирования равновесной структуры, с низкой легированностью а- фазы и максимальным количеством крупнозернистой у- фазы, обеспечивающей лучшую обрабатываемость резанием сплава Х65НВФТ;

3 Взаимосвязи между свойствами материалов СМП и их стойкостью при обработке жаропрочного сплава на основе хрома. Показано, что теплостойкость твердых сплавов определяется температурой разупрочнения связки, зависящей от температуры плавления или полиморфного превращения металла-связки;

4 Оптимальное соотношение Со и Re в связке однокарбидных сплавах с карбидом WC.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на международных и отраслевых конференциях:

1 METMG 2012: «Manufacturing Engineering and Technology for Manufacturing Growth», November 1-2 2012, San Diego, С A, USA;

2 Международный Семинар Национального технического университета "Харьковский политехнический институт". «Высокие технологии в машиностроении» ИНТЕРПАРТНЕР-2012; Сентябрь, 2012 10-15, Украина;

3 Молодежная Конференция «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике», ФГБУ «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина», 27-29 июня, 2012, Звездный городок (победитель, награжден Дипломом и Грамотой);

4 IV Международная Конференция с элементами научной школы для молодежи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», 1-5 Октябрь 2012, г. Суздаль.

В полном объеме диссертация заслушана:

на расширенном заседании кафедр «Высокоэффективные технологии обработки» и «Металловедение» с привлечением представителей кафедр «Технология машиностроения», «Инструментальная техника и технологии формообразования» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»;

на научно техническом совете ОАО «КОМПОЗИТ».

Достоверность результатов подтверждается тем, что работа базируется на теории резания и фундаментальных положениях теории жаропрочности, о связях между температурами плавления и полиморфного превращения и жаропрочностью жаропрочных сплавов, распространенных на универсальный инструментальный материал - твердые сплавы. Достоверность полученных данных подтверждена их статистической обработкой, а также промышленными испытаниями на ОАО Композит и ФГУП ОКБ Факел.

Работа соответствует паспорту специальности 05.02.07 «Технология и оборудование механической и физико - технической обработки».

В соответствии с формулой специальности, в ней изучаются закономерности и взаимосвязи в технологических процессах формообразования тел вращения (деталей) при точении жаропрочного сплава на основе хрома, а также, в соответствии с п. 4 паспорта, оптимизируются параметры (свойства) инструмента, что обеспечивает повышение производительности при точении жаропрочного сплава Х65НВФТ.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ методов определения обрабатываемости сталей и сплавов при точении. Критерий износа сменных многогранных пластин (СМП)

Обработка резанием - одна из наиболее важных технологий формообразующей обработки. Литье, обработка давлением, сварка в большинстве случаев не обеспечивают требуемой точности деталей. Изделия, полученные этими методами - отливки, поковки, сварные детали, являются заготовками для последующей обработки резанием, которая является окончательной.

Только обработка резанием позволяет получить детали высокой точности, с допусками на размеры, составляющими тысячные доли миллиметра, а также обеспечить высокое качество (малую шероховатость) обработанной поверхности. Одним из основных направлений развития режущего инструмента для лезвийной обработки является применение конструкций с механическим креплением СМП из твердого сплава, керамики, сверхтвердых материал�