автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение работоспособности инструментальной керамики на основе исследований структуры, состава, свойств и механизмов разрушения и изнашивания

Государственное научно-производственное предприятие

"Технология"

На правах рукописи УДК 669.08.25:621.726.01.

Конаков Александр Викторович

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУКТУРЫ, СОСТАВА, СВОЙСТВ И МЕХАНИЗМОВ РАЗРУШЕНИЯ И

ИЗНАШИВАНИЯ

Специальность: 05.02.01 - Материаловедение (машиностроения)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Верхотуров А.Д., кандидат технических наук, с.н.с. Аникин В.Н.

г. Благовещенск 1999

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Стр.

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

Глава 1. Анализ свойств, структуры и методов получения инструментальной керамики..........................................................10

1.1 Требования, предъявляемые к инструментальным

керамическим материалам.............................................................10

1.2 Проблемы эксплуатации инструментальной керамики.....................20

1.3 Выводы. Постановка задач исследований......................................24

Глава 2. Методы исследования структуры, физико-механических свойств и служебных характеристик инст|эумцрдл|ной керамики...........26

2.1. Методы исследования трещиностой£ости и эффективной

энергии разрушения.....................................................................27

2.2. Методы определения микромеханических свойств инструментальных материалов.......................................................30

2.3. Методика определения внутреннего трения

инструментальных материалов.......................................................34

2.4. Электронно-микроскопические исследования поверхностей

трения, изнашивания и изломов инструментальной керамики................37

2.5. Количественные методы исследования изломов и контактных поверхностей инструментальных материалов.....................................43

2.6. Методы оценки термопрочности................................................45

2.7. Измерение сил, контактных напряжений.................................... .48

2.8. Методы оценки жаростойкости композиционных

инструментальных материалов.......................................................48

2.9. Методика анализа результатов экспериментальных данных..............49

2.10. Методика выбора оптимальных режимов финишной

обработки и эксплуатации инструментальной керамики........................50

2.11. Методика определения эксплуатационных свойств

режущей керамики.......................................................................53

Глава 3. Исследование структуры, состава и свойств

современных керамических материалов на основе А12Оз......................54

3.1. Структура и состав инструментальной керамики............................54

3.2. Влияние способа финишной обработки на структуру и состав инструментальной керамики..........................................................60

3.3. Вязкость разрушения кислородосодержащей керамики...................64

3.4. Фрактография распространения трещины при разрушении...............68

3.5. Применение метода акустической эмиссии (АЭ) для исследования процессов разрушения минералокерамики........................................77

3.6. Исследование диссипативных свойств инструментальных материалов на керамической матрице..............................................79

3.7. Исследование химического взаимодействия фрикционной

пары «керамика - конструкционный материал»..................................84

3.8. Выводы...............................................................................89

Глава 4. Исследование закономерностей изнашивания

и разрушения керамических материалов при нестационарном

резании.....................................................................................90

4.1. Исследование механизма хрупкого разрушения оксидно-карбидной керамики при обработке чугунов резанием..........................90

4.2. Особенности микромеханизмов изнашивания и разрушения оксидной керамики при обработке конструкционных сталей..................98

4.3. Физическая модель высокотемпературного изнашивания

керамики на основе а-А120з.........................................................103

4.4. Выводы..............................................................................113

Глава 5. Разработка технологии ионно-плазменной обработки

режущей минералокерамики на основе а-А^Оз...............................115

5.1. Сущность способа ионно-плазменной обработки.........................115

5.2. Исследование различных сочетаний технологических факторов ионно-плазменной обработки инструментальных керамических

материалов на их износостойкость при резании.................................118

Основные результаты и выводы по работе........................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................127

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность процессов металлообработки зависит как от технических характеристик станочного оборудования, так и от свойств используемых инструментальных материалов.

В настоящее время интенсивно осваиваются новые виды конструкционных материалов: высокотвердых термообработанных сталей, вязких жаропрочных и коррозионных сплавов на основе никеля, кобальта и титана, высоколегированных сталей ферритного и аустенитного класса, мартенситнотвердеющих сталей, легированных чугунов, полимеров и композитов. Для всех этих принципиально отличающихся о своей физико-химической природе и свойствам материалов необходим режущий инструмент, способный при минимальном износе обеспечивать высокопроизводительную и качественную обработку.

Очевидно, что решение этой задачи возможно лишь путем создания принципиально новых типов инструментальных материалов, специализированных применительно к особенностям обрабатываемых изделий и режимам обработки.

Этим условиям в наибольшей степени удовлетворяют некоторые высокопрочные керамические материалы, специально разработанные применительно к требованиям, предъявляемым к износостойкому режущему инструменту.

Керамика обладает наибольшей твердостью при высоких температурах и наибольшей стойкостью при максимальных скоростях резания. Эти показатели определяют характерные области наиболее эффективных условий эксплуатации инструментальных материалов. Керамический режущий инструмент целесообразно эксплуатировать в условиях высоких скоростей (более 500 м/мин), незначительных глубин резания и подач, определяющих чистовые или получистовые операции. Использование керамики на указанных операциях дает

возможность повысить производительность труда и качество обработки изделий в условиях автоматизированного производства, а также в ряде случаев, отказаться от последующих операций финишной обработки, в частности -шлифования.

Перечисленные преимущества дают основание считать режущую керамику одним из наиболее перспективных инструментальных материалов, удельный вес которого в металлообработке постоянно возрастает. В зависимости от типа обрабатываемого материала и вида механической операции доля металлорежущего инструмента, оснащенного сменными многогранными пластинами (СМП) из металлокерамики, составляет 2-60% . Уровень объема обрабатываемого материала керамическим инструментом значительно выше, т.к. стойкость одной режущей кромки СМП из металлокерамики значительно выше стойкости одной режущей кромки СМП из твердого сплава.

Согласно прогнозам американских специалистов, применение инструмента из режущей керамики позволит сократить затраты на механическую обработку на 530 млн. долл. к 2000 г. /157/.

Более широкому применению инструмента из минералокерамики препятствуют ее недостатки, главными из которых считают относительно низкие прочность, трещиностойкость в условиях циклического термомеханического нагружения, что, в свою очередь, повышает требования к жесткости металлообрабатывающего оборудования со сниженным уровнем вибрации.

В связи с вышеизложенным, усилия ученых, работающих в области инструментального материаловедения, направлены на улучшение физико-механических свойств керамики. Так как в керамике не используется принцип снижения упругости за счет введения пластичной компоненты, срвершенствование ее свойств осуществляется на основе достижений механики и физики хрупкого разрушения, в рамках которых, в последнее время, открыты

и интенсивно разрабатываются механизмы повышения прочности и энергии разрушения хрупких материалов.

Альтернативным путем повышения производительности механической обработки является переход на высокопрочные режимы резания. В связи с относительно низкой теплопроводностью керамики на этих режимах в зоне резания генерируются высокие температуры, достигающие по некоторым данным 1400-1600°С /72/. В этих условиях фактором, определяющим эффективность использования керамического инструмента, является способность противостоять абразивному, химическому и диффузионному видам износа, сопротивлению пластической деформации. Исследованиям в этом направлении в настоящее время уделяется недостаточное внимание.

Научную основу для разработки технологий получения износостойких материалов, прогнозирования и контроля физико-механических и функциональных свойств режущего инструмента из сплавов на основе керамической матрицы дает трибоника. Отличительная особенность трибоники инструментальных материалов обусловлена сложностью и многообразием связей между переменными технологическими факторами процесса резания, физико-химическими явлениями, сопутствующими процессу резания, видом и микромеханизмами изнашивания и разрушения.

Успешное решение задач, связанных с разработкой проблемы изнашивания и стойкости режущего инструмента, производства и рациональной эксплуатации инструментальных материалов, и в первую очередь, на керамической основе, требуют комплексного подхода с позиции материаловедения и физики твердого тела, с привлечением тонких физических методов исследования микромеханизмов упрочнения, деформирования и изнашивания композитов.

Формирование и развитие такого подхода опирается, с одной стороны, на установление взаимосвязей между структурой (составом) и свойствами известных марок материалов, на кинетическую концепцию прочности, согласно

которой процессы изнашивания и разрушения инструмента, а также возникновения активных центров схватывания на его контактных поверхностях, является термоактивационным (т.е. развивающимся по мере увеличения износа - уровня термомеханических нагрузок в зоне резания), с другой стороны - на определение представления о механизме зарождения начальных микротрещин, переходе к формированию очага разрушения с последующим микроразрушением объемов материала.

Объектами исследования в настоящей работе являются композиционные инструментальные материалы на керамической («-А1203) матрице. Исследуются деформационно-прочностные характеристики и механизмы изнашивания материалов в широком диапазоне изменения структуры, состава и условий нагружения. Предлагаемый подход может быть применен при исследовании градиентных керамик и твердых сплавов, сверхтвердых материалов и других перспективных инструментальных материалов.

Работа содержит 5 глав.

В главе 1 изложены результаты обзора публикаций по проблемам создания и эксплуатации инструментальных керамических материалов.

Глава 2 посвящена методикам исследования структуры, физико-механических свойств и служебных характеристик триботехнических материалов. Рассмотрены оригинальные методы экспериментального исследования микропластичности, микрохрупкости, трещиностойкости и структуры градиентных материалов. Приведены экспрессные методики выбора оптимальных режимов резания для инструментальной керамики с ионным типом химической связи.

Глава 3 посвящена исследованию структуры, закономерностей изнашивания и разрушения минералокерамического инструмента. Приведены экспериментальные исследования деформационно-прочностных характеристик и служебных свойств инструментальных керамик. Рассмотрены физико-химические процессы образования поверхностных структур при резании.

Интерпретирована природа экстремальных зависимостей стойкость (износ) -скорость (температура).

В главе 4 предложена модель изнашивания минералокерамического инструмента на а- А120з - основе, изложены принципы повышения его работоспособности.

В главе 5 рассмотрен способ повышения износостойкости керамического материала путем ионно-плазменной обработки. Приведены результаты оптимизации параметров технологического процесса, изложена технология обработки инструментального материала и результаты его промышленных испытаний в процессах обработки резанием.

Глава 1. Анализ свойств, структуры и методов получения существующих марок минералокерамических инструментальных материалов.

1.1. Требования, предъявляемые к инструментальным керамическим материалам.

Проблемы инструментального обеспечения металлообрабатывающей промышленности тесно связаны с особенностями машиностроения. Первая особенность обусловлена быстрым развитием стратегически важных отраслей народного хозяйства, таких как транспорт, энергетика, связь, стимулирующим появление функционально новых конструкционных материалов. В первую очередь, к ним относятся высокопрочные и жаростойкие стали и сплавы на основе никеля, молибдена, титана, вольфрама и др. /105/.

Использование таких материалов дает возможность создавать машины с более высокими характеристиками. Однако при обработке заготовок из жаропрочных и высокопрочных сталей и сплавов необходимо считать скорость резания, так как ухудшается их обрабатываемость /105/. Так, при обработке заготовок из высокопрочных сталей возникают силы резания в 2...3 раза больше чем при обработке заготовок из Стали 45. К тому же, большинство труднообрабатываемых сталей и сплавов, имеют низкую теплопроводность, что приводит к возникновению высоких температур в зоне резания в 2...3 раза больших, чем при обработке обычных конструкционных материалов (табл. 1.1). Повышение контактных температур является основной причиной низкой стойкости инструмента.

Другая особенность современного машиностроения связана с форсированным развитием станков с числовым программным управлением (ЧПУ), в том числе многоцелевых и гибких производственных модулей (ГПС) и организацией на их базе малолюдных и безлюдных технологий. Оптимальной особенностью технологического оборудования ГПС, состоящего из многоцелевых, агрегатных и специальных станков, является возможность /43/ комплексной об-

работки деталей при обеспечении высокопроизводительного и точного выполнения различных способов первичной и абразивной обработки резанием (сверление, точение, шлифование фрезерование и т.п.).

Таблица 1.1 /18/.

Удельные силы резания (Р2) и контактные температуры (©), возникающие при точении различных материалов (8=0,1мм/об, 1=1 мм)

Обрабатываемый материал ств, МПа Р2, МПа 0(°С)при V мм/мин

20 60

Сталь 45 750 2000 200 300

12Х18Н10Т 600 2500 560 800

ХН62МВКЮ 1100 4000 720 1000

ЖС6-К 900 3500 750 1050

ВТ5 900 2000 520 750

38Х5МСФА 1700 7000 700 1000

Изучение конструктивных особенностей большой номенклатуры деталей из жаропрочных сплавов, обрабатываемых на станках с ЧГГУ /43/, выявило наличие у них торцовых, конических, криволинейных и цилиндрических поверхностей, что при постоянной частоте вращения шпинделя приводит к изменению главного угла в плане ф 15... 105°, скорости резания 0,4...2 м/с ; глубины резания 0,5.. .4 мм и т.д. На основании вышеизложенного, можно утверждать, что в этих условиях процесс обработки резанием является нестационарным и сопровождается изменением от одного до четырех параметров. При этом качество режущего инструмента является одним из важнейших факторов, определяющих эффективность производства.

Наиболее перспективным направлением повышения долговечности металлорежущего инструмента является промышленное внедрение сборного лез-

вийного инструмента с механическим креплением сменных многогранных пластин (СМП) при одновременном совершенствовании существующих и создании новых инструментальных материалов с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами /65/.

Для целенаправленного проектирования новых инструментальных материалов необходим строгий научный анализ причин выхода инструментов из строя и формулирование на этой основе требований к инструментальным материалам.

Можно выделить два вида повреждений режущего инструмента - поломку и износ /73/; каждый из которых, подразделяется в зависимости от причин.

Так, разрушение режущей части может быть вызвано малой жесткостью системы резания, внутренними дефектами, быстрым изменением режимов резания, развитием трещин на поверхности и внутри инструмента, его износом и

др.

Механический износ - это выкрашивание режущего клина вследствие накопления микродефектов, механическое разрушение поверхности инструмента в виде микронеровностей, истирание зерен инструмента.

При термическом износе /60/ возможны: изменение структуры и химического состава инструмента, химические (окисление, реакция с окружающей средой) и электрохимические (возникновение Т.Э.Д.С.) реакции, наварка, адгез�