автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение работоспособности ружущего инструмента из быстрорежущих сталей путем комбинированного воздействия электроискрового легирования и лазерной обработки

НЛЦЮНЛЛЫ1Л ЛКЛДЕМШ ПЛУ1С УКРЛ1НИ ГНОТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕР1АЛО:ЗНАИСТВА i.M. 1.М.ФРАНЦЕВИЧА

на праиах рукопнсу

Ботпишсо Володпмир Пг-троппч

УД1Г G2i.âl:G2I.y.048

П1ДВИЩЕШШ Г1РЛЦЕЗДЛТН0СТ1 ШСТРУМЕИТУ 3 ШВИДКОРШСУЧИХ СТАЛЕЙ ШЛЯХОМ КОМВШОВАНОГО ВПЛИНУ ЕЛEICTPOICICPOBOÎX) ЛЕГУВАППЙ TA JIABEPHOÏ ОВРОВКИ.

Опешялыпсть 05.02.01 - матершлгмнаппвг»

Автореферат дисерташУ на адоПуття вченого ггупеин кандидата tcxhí4hhx наук

Кшв пит

ДисертахОя е рукопис

Робота виконана в 1нституп проблем матер1алознаветва шЛ.М.Франдевича HAH Украши

Наукой! коровники:

доктор техшчннх наук, професор Ковальченко Михайло Савяч, 1ПМ HAH УкраИни, завшувач шдшлу.

кандидат техшчннх наук, Паустовський Олександр Васильович, 1ПМ HAH Укра'1'ни, завЦувач лаборатори.

Офшдйш ононенти:

доктор техшчннх наук Подчериясва 1рпна Олександр1вна, 1ПМ HAH У крайни, провщний науковий ствробтшк

кандидат техшчннх наук Сичов Володи мир Оерпйович, 1нститут елсктрозварювання ¡м". С.О. Патока HAH Украши, старший науковий

СШВрйбгоКИК.

Провшна оргашзацш: Иащоналышй техшчний уайвсрситет Украши "Ки1всы<нй полнехшчний институт", кафедра лазерной технолог^', конструювання машин та матер^алознавства, м. Кшв.

Пахнет дисертацп-В1дбудеться l&P 1998 р. о Yfy" год на заелданш

спецдал1зоваио!' вченоК ради Д 01.88.04 в 1иститут1 проблем матер1алознавства iM. ЬМ.Францевича HAH Украши (Ки1'в, вул.Кржижашвського, 3).

3 дисертащсю можна ознайомитись у б)блштнпд 1нстнтуту проблем матер1алознавства ¡мЛ.М.Францеиича HAII Украши.

Автореферат розкглано & ¿f 1998 р.

Вчсиий сскретар спсщал1зовашл вчено! ради Д 01.88.04,

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальшсть теми. Тривал1сть екеплуатащГ сучасних машин, апарат!в та технолопчиого обладыашш в технологи маишнобудувашш визначаеться штенсивннггю зкошування робочнх поверхонь машин та шструмемчв, для пщвищення стШкост» шшх розробляютьея ! застосовуються рЬномаштш технологии! методи наиесешш зносоетШких шар1в з високотвердих матер1ал1В керметного типу. Особлив1стю цих композицШних матер1ал1в е те, що в них поеднуеться висока здатшсть до зношування, властива тугоплавким сполукам (карбдам, боридам, штридам перехщних металш), з Шдвпщенпою тр1Щиност1ЙК1Стю, властивою дли пластичних метал'1в. Розвиток метод1В нанесения зносостШких покритв з наступним промисловим випробуванннм оброблених деталей показав, що серед нпх певш переваги мають техыолопчн1 методи з застосувашшм концентрованих потошв енергП', що реал1зуються в електророзрядних ¡мпульсних проиесах та лазерному опромшенш. Застосування технологи електроижрового легування (Е1Л), як показали попередш дослижешш, дозволяе значно збшыпити спйшсть деталей машин та инструменту при абразивному зносп, сухому терть вплив) високих температур та механ1чних навантажень. Але покритти, одержан! методом Е1Л В1др1зняються високою жорстюстю, наявшетю пор та мтротршщн, високим р1внем залшпкових напружеш.. Глибина змщнешш методом Е1Л (40-60 мкм) в ряда випадшв недостатня для тдвищення ресурсу роботи [Лжучого шетрументу при критери зносу рьчця 0,4 мм. 3 метою усунення цих недолпив електроккрових покритсчв е дошл1.ною обробка з використаиням лазерного опромшення. Комбшованс иикористанпк р1зннх електроф!зичних метод1в поверхневого змшнення, зокрема, Е1Л та лазерно! обробки дозволяе розширити можлишкгм Ух никоригтаннл, полшшити яшеш характеристики змщнених поверхнепих шар1в, зменштти витрати дефщитних легуючих матер1ал1в та енерга. При дышу достатньо ввести невелику шлыасть добавок в тонкий поверхневий шар для того, щоб суттево вплпнутй иа змшу його властивостей.

Мета роботи. Дослщжешгя високоенергетичного вплнпу Е1Л електродними матер1алами на основ1 тугоплавких сполук та лазерно! обробки на ф1зико-мехашчш та експлуатацШш властивост! вщкхмв з Шструментальних сталей. Роз|юбка технологи зм1днвиня рьчеучого Ьгструменту з швидкоршеучнх сталей шляхом комбшованого вшшву Е1Л та лазерно! обробки.

Для досягнення вказаноУ мети вир1шувалнсь наступи} задачи 1. ДослЗдження впливу технолопчних параметр!в Е1Л та лазерноГ

обробки на формування змщнених шар1в на поверхш швидкор1жучих сталей.

2. Досл!Джешгя процеав формування змщнеиих шар]в на поверх!« шстру менту 1з швидкор1жучих сталей в залежност1 в1д складу електродних матер! ял ¡в на основ! металопод!бних тугоплавких сполук -монокарбцЦв вольфраму 1 титану, моноштриду 1 диборнду титану.

3. Визначення оптимальнпх технолопчпих режям!в та легуючих склаД1в для змщнення шструменту з швндкор^жучих сталей шляхом комбшованого впливу Е1Л та лазерно! обробки. Розроика нового електродного материалу для Е1Л та лазерноТ обробки.

4. Встановлення кореляцП М1Ж зносостШкгстю полорхневих тярт змщнсного ¡нструменту при триботпхшчних винробупаннях та при р1занн1.

5. Розробка рекомендаций по оптилпзахШ та практичному эастосуванню технолог ¡Г для эмишення ¡нструменту я гпппдкорЬкучих сталей.

Наукова новизна: Остановлено, хцо лазерне онромшеини умщненоУ методом Е1Л поверх»1 швидкорнкучоТ стал! спричиняс переплавлення поверх невого шару 1 формування структури з розширеною нерехщною зоною, гцо призводить до зниження град1снтиост1 властивостей поверх!» матер1алу.

Показано, що модифшувашш структури змщненого шару вшбуваеться внаслщок ф!злко-х1м]чних перетворень в мшрометалургШшй ванш, що утворюеться на досить короткий час )йд д5сю лазерного опромшення. При цьому перстворсння проходить в нер^вноважнях умовах.

Створено новий електродний матер1ал для отримания зносост1йких покритт1в на стал1 методом Е1Л на основ'1 карбщу вольфраму з кобальт - мщною зв'язкою.

Встаиовлено, що зносост1йшсть поверхневих шар1в швидкор1жучих сталей, змШнених Е1Л електродними матер1алами на основ! тугоплавких сполук та лазерного обробкою, визначаегься структурою, мехашчними та трибагехтчними властивостями поверхневого град1ентного шару.

На з ах ист виносяться наступи! положения:

1. Результата комплексних дошиджень змщнення пгвидкор1жучих сталей шляхом комбшованого впливу Е1Л та лазерно? обробки.

2. Результати досл!джень впливу частково! замши кобальта мщью у сплавах ЭД'С-Со на кшетику процеса Е1Л та властивост! отримуемих покритв.

3. Новий електродний матер1ал для отримаиня зиососпйких покритпв на стал! методом К1Л на основ! карбвду вольфраму з кобальт-модною зв'язкою.

4. Рекомендаци по вибору оптималъних технолопчних режим1в та легуючих склад!в для змщнення р^жучого шструменту шляхом комбшовано! да! ШЛ та лазерной обробкн.

Практичне значения одержаних результат1в.

На основ1 проведених досл!Дженнь було вибрано оптимально технолопчш режими та легукт склади на основ1 тугоплавких сполук для змищення р$жучого ¡яструменту. Розроблено технолог^ змщнення швидкор^жучих сталей шляхом комбшованого впляву Е1Л та лазернсп обробки.

Розроблено рекомендащУ по вибору оптнмальних легуючих складав на основ! тугоплавких сполук. Розроблена технолопн дозволие вШлыпувати лерюд стШкост! 1нструменту з швидкор!жучих сталей (р1зщ, фрези) для обробки важкооброблюваних матер!ал1в у 2-3 рази в поровнянш з незмщненим ¡нструментом. Технология усщшно пройшла промпслов1 вппробування при змщкенш швидкозношуваних поверхонь рхжучого Шструменту. Впровадженни результатов роботи ня Ульяновському машинобуд1вкому завод! дало економ1чний ефект 10 тис.крб. (у цшах 1991 року), внроваджело дшышцю лазерного легування на Ульяновському ашащйному промисловому комплекс!, на Ки1'вському АТП-3 створено спещал13овану Д1лыгицю змщнення пальц!в рульових тяг методом Е1Л з наступним алмазннм виглажуванням та впроваджено розроблеш електродш матер1али.

Особистий вяееок здобувача. Дисертант самоетШно виконав основний обсяг експериментальних досл&жень, зробив анал1з отриманих результате, загалыи писковки. СтШшст вппробування р1жучого шструменту проводились в лаборатора Ульятвського пол1техтчного шетитуту в рамках науково-техшчного сшвробиництва зг1дно рекомендашй, наданих автором. Узагальнення результате доелвджень здШснювалось сшльно з д.т.н., проф. М.С. Ковальченком та к.т.н. О.В. Паустовським.

Апробац}я результат!в дисерташь

Основ!» результата диеертацШно! роботи дожшдалиеъ 1 обговорювались на конференщ! молодих вчених та снещалюпв "<Мзнчне матер1алознавство та ф!зико-х1м1чш основи створеннн нових матер1ал1в", /м.Льв!в, 1989 р./; науково-практкчтй конференщ! "Практическое применение и перспективы развития лазерной технологии", /м.Ульяновськ, 1989 р./; конференцп "Сов/именные проблемы порошковой металлургии, керамики и композиционных материалов", /м.Ки!в, 1990 р./; Всесоюзному семшар! по диффуз!йному

г.

насиченшо та захистних нокриттих "Нанесение, упрочнение и свойства защитных покрытий на металлах", /мЛвано-Франковськ, 1У90 р./; науково-практичшй kohcJiojkíhhu "Инструмент Украины-ЙЯ", /м. Xapi.Kin, Т993 p./; науконо-нрактичшй коцфс] к-и ii,ii "Ноздействис высоких давлений ни материалы", /м. Кшв, 19У.Ч р./: М1жнародшй конфереидп "Hobítiií иронесп та матер1алн в nop<uimonili металургп", /vi. IChíp, 1997 р./

ПуГиикнн!'!.

По матср1алах диссертаии onyiViiковано 8 роГмт.

(jTpyirrypa i оГ)"см дисертацп.

Дис.»;рташйна 1 и Лит а складасты-л ¡а вступу. н'итн глав, загалъних bhchobkíb, списку пикористано! л!тератури i додатку. ('»«'юта виклат'мга на 149 сторшках, включаючи 18 таблидь, 35 малюнкш.

3míct робот и.

У ncTyni подано обгрунтування актуальное.™ томи литртацП', викладеш мета роботи, задач! для досягнення ii>í мети, наукопа новизна, а також ochobhí положении, яш виносяться на захнет.

У nnpmifl глав! проведено аналттчннй оглнд лкературпих даиих. Показали пе^-пектишпеть та пе|»еваги методу IJ1JI дли ам'щиепин деталей машин та шетрументу, що дозволне збьилнити íx ресурс роботи. Приведено модель метолу EU1. Важлиною проблемок» метода EIJI с iJiiOip матер]алу легуючого електрода. Використашш могалin та ix сплап1В дояволяе отрнмуватн покриття товщиното 0,5-1 мм. ало не яабеяпечуг ix бажано! твердоеп та знососпйкость Тугоилаши сиолуки при нанесенш методом Е1Л забезпечують високу тверд1сть шжритт1в, але не знаходять практичного яастосування для FÍIJI ннжмпдок високо/ крихкост! та низького коефщшиту пе|>ен<к'у. Тому дли змщненни методом Е1Л перепажно використовують тпер/ii егтлагш на ocimni тугоплавких сполук, що мають ¡нструментальне при.шаченнл (груп UK и TIC). Однак, внасл!док biicokoí epo3Íftnoi ctíükoctí твердих сплашн покриття мають малу товщину (30-50 мкм) i с.ущлыпеть. Для полшшення характеристик пронеса Е1Л та нкосп нанесен их покритт)в розроблшоть спед1алып електродш матер1али на ochobí тугоплавких сполук (карбшв, борид1в, н^тридш вольфраму, титаиу, хрому i т.д.) з пластичною зв'язкою. Ерогййт властивост1 електродних матер1ал1в регулюють знемщненням м1жзерених гранидь сплаву шляхом птвореншт оптимально? пористое™ та введениям др'|бнолиеперсних дом1шок оксидов, нитр5д!в, вугледю, бору. Наведено вимоги до електродних матер1ал]п та Ix класифшащю. Показано необхщшеть розробки нових електродних матер1ал1в для EIJI. Для нолшшення hkoctí зм1цненях методом EIJI поверхневих шар!в використовують

додаткову обробку, зокрема, внливом ¡миульсного лазерного випромшювання.

При розгляд! процес!в, що 1пдбувяк>ться в новерхнпвих шарах при ¡мпульсшй лазершй обробщ, показано иерсиективп та можливоеп застооування лазерного випромшювання для обробки поверхневих Шарп* матер1а.1И11 та аанесення захистних покритпв. Використання лазера дозволяе штенсифисувати процеси формувашш покрпттп!, полшшити 1'х яшсш характеристики, регулювати пронеси отримання покритв 13 задании комплексом ф!зико-мехашчних властивостей, створювати потр1бний макрорельеф поверхош. тертя, кр!м того, тдкривяе ши|юк1 мождивосп для автоматизацп ти компьют^ризаци проце<пв отримання покритт1В. ¡Зшлыпити глибину змшненого шару при лазерной термообробц'1 неможливо внасл1Док яначного оплавления поверхш та зниження твердое™ внаслщок утворення значно! шлысост! аустен1ту, що не забезпечус бамсаних меха1Йчних властивостей. Тому для тдвищення зносоепйкосп р^жучого шструменту е дощлышм .введения тугоплавких слюлук в зону лазерного впливу шляхом попереднього формування Е[Л-покригпп. Тепловнй ошр мЬк" нокриттям ) матрицею незначний внагл1док писокгн идгезп Е1Л-нокрнття з основою, що мае суттсве значения для лазерно"1 обробки композицн нокриття - основа.

Лнал1з лтфатурних даних показав, що технологии параметры лазпрно? обробки ЕКП-нокриттЙ!, ик! низиачають розм!ри та пластивосп змщнених шар1в вивчеш недостатньо. Не дослужено вплив легування р1зними тугоплавкими сиолуками на властияогп змщисиих шарш, не визначеш критерП' вибору оптнмальних легуючих склад1п та режимы! для змщнення лезового шструменту ¡з швидкпр1жучих сталей.

В заключшй частит розд1лу сформульован! мета та задач! досл!дження.

У друпй глав! описано характеристики вихщних матер'1ал1в, методика Е1Л та лазерной обробкп, методи дослщя:ень.

В робот! дослщжувались електродш матер1яли для Е1Л з'1 стандартних твердих сплав!в: типу В1С на основ! карбиду вольфраму, типу ТК на основ! карб1ддв вольфраму 1 титану з кобальтовою зв'язкою, ТН20 на основ! карб!ду титану з шкельмол!бденовою зв'язкою та специально розроблеш для Е1Л електродш матер1али: на основ! карбшв вольфраму 1 титану з добавками вуглецю- ВК20У, Т15К6У; на основ! штриду титану з ншельмолЮденовою зв'язкою- НТНМ20, на основ! дибориду титану з шкелевою зв'язкою з добавками Л1203. Також дослщжувались електродш матер!али на основ! карб!ду вольфраму з кобальтовою зв'язкою, легованою м!ддю. Зам!на кобальту у зв'язщ електродних матер!ал!в повинна сприяти появ!" р!дкоК фази пр!т б1лг.ш

низьких температурах y процесс El JI, збьи.шснню тпвщшш та полшшенню триботехшчиих характеристик нанесених покригпн. 1>уло вибрано сплав W0-0o и 8 % зв'язки. Вм"к-т mLU у матерки! i .шшкжавсл шд 1 % до 8 %. Об'сктом д(х-л1джеш. були uiiôpaiii cru.'ii P(iM5, PGM5K5, PI8.

EIJI проводились на установш "Елитрон-22" па piamix релсимах, лазерну обробку на 1мпул1,сшй установи] "Квант-15" при трпвалост]' ¡мнульглв 4х10"3 е., густиш погужност! 100-000 МВт/м2 i д'тметр! плями 0,8-1 мм. Наведено характеристики внкористовуемих установок. Дослщження мшроструктури проводили на оптичних микроскопах "МИМ-8", "Неофот". Твердють ним!рк>валн ни нрилад) ЛМТ-3, парамегри шорстко<гп на профичографьпрофьюметр'! мод.201. Оцшку теплостШкоет! зони лазерного внливу проводили по методиид Г(Х"Г 1962-73. Шелл лазерно! обробки зразки выпускались впродовж 4 годин в пт:рвал1 температур В1д 100°С до 7(Ш°С, nui лвляються рабочими для шетрументу ia стал! Р6М5. Рентгеногрнф1чним аннлкюм на д1фрактометр1 ДРОН-З у К„ • кобальтовому, »¡дному та залитому вищюмшювашшх визначали фаловнй склад амщнених гюверхневих niapiu та параметр кристашчшл гратни. Ро:шоди1 xiMimiiix елеменпв в легованих шарах вивчався мигророттеноспектральним аналкюм на прилад! Superprob-733. Величину та розподьн залишкопнх напружинь в змщнених uiapax визначали за метилом Давиденковн. ЗносостШюсть, коефщкат тертя змщнених нонорхонь доелшжуиались на машинах тертя М22-М та МТ63. Трибптехшчш винробування проводились за схемок» контактування ви.п-нлощина на машит торти М22-М при навангажонш 100 II, лшШнШ ишидкосп конницам 1 м/с в умовах сухого торти по контртьту ¡з ст.15 (42-16 HR0) нротигом 1 годшш. Tupu,i зразкш цилшдрични! форми диаметром 6мм, иисотою J5 мм in стал! Р6М5 п1сля стандартно! термообробки (гаргувашш I трикparне шдналення) змщнювались методом EIJ1 та лазерно! оближи. Зное иари тертя визначали но втрат! маем зважуванням на аналггичних вагах. Також триботехшчн! випробування проводились на мнтпиш тертя МТ-68 в умовах сухого тертя без мастила. Швидкк'ть oôepTiB валу складала 6 м/с, зусилля прижимания - 100 II. Для прискореннн пронесу приробки зразок оброблювавен алмазшш кругом того ж самого д1аметру як i контртьло (ст.65Г, 65 HRC). Шд час иинробувань одночасно фжеувалиеь коефпцент тертя та лиийннй зное. иари тертя. Щьпьшсть cmiaBiB визначалась за ГОСТ 18898-78. MiiiHicTb при вигиш визначалась на машин! Р-1246. Знососпйшсть при phamii визначалась на непереточуваних пластинах 3i стал! Р6М5 (63-64 НКС) шестикутно! форми на станку мод. 16IC20 при швидкост! р1зання 11 м/хв,

'J

повздовжшй пода'п 0,3 мм/об., глибиш р)зання 1 мм. .Чл Крите pi й затупления було вибрано фаску сносу по заднШ новерхш рЬня 0,4 мм.

У TpeTitt глаи1 викладено результати доелцрклш. структури та фазового складу ШЛ-покригпв, инлнпу технолоичних иаралкч^в E1J] на фшико-мехашчш та екенлунташйш нластииосл отримуваних покритпв, технолопчного пронесу отримання електродних матир1ал1и WC-Co-Cu та коригування !х складов.

З'нсовано, що структура ЕШ-никритгт впнелщок наннност1 Hup, м1кротр1Щин та mopcTKocTi поверхш у деяких винадках погробуе в полшшенш додатковою обробкою. Фязовий склад ЕЬН-покрипчп, отриманих з твердях снлав1в, мк:гить вшлоодну тугошпшку екдадову (у випадках легування матер1алами, як1 мштять карб1д VVC, угворюсться також нагйвкарбЦ W2C) та твердим розчином материалу зв'язки в aycTeniTi. Напружений стан Е1Л-иокритт1в в значшй Mipi инзначасться модулем пружност! та коефииентом торм1чного розтирення тугоплавко! • сполуки.

Внзначено, що оптнмалыи твердшть, товпуша тару Е1Л-noi;piiTTiB та експлуатащйт властивоеп змщноиого р1жучого шетрумонту до<->тгаютЫ'Л Ha соредтх режимах em-prii розрлду (0,и-(),Г> Дж), як! визначаються силою ст])уму 1,Т>-2 А, та нитомому uaci легування 0,9-1,4 Мс/м2. Перкшицення mix режимш нризиодить до зниження твердосп Е1Л-иокритпв виаслшок збшьшення дефектности покриття, терм!чно! дисшиацП' та xiMimioi взасмодП тугоплавко! сполуки з утворенням снолук з пршимн мехашчиими влшггивостями. При менших значениях eneprii розряду та пнтомого часу Е1Л покриття мають незначну товщину (10-30 мкм) та сунлльнк-ть (fi0-U0 %). Дошпджсно внлнн добавок Mi;u на властиност! елект]юдцс>1'<> мнтор]алу на основ! кабщу вольфраму. Ilo результатах доелдакення нроцесу Е1Л внзначено онтимальну температуру (ммканни електродних матер!а.'пв WC-Co-Cu-1350 °С. Введения Miai у електролний материал тину BII дозволило: збшьшити ерозпо олпктродного материалу за рахунок його знемщнення, збьчьшити юлыость (Ндко! фази xijm EIJI ча рахунок / введения у зи'язку б!льш легкоплавко! мш; иолпшшти грииотихшчш власти Borri внас\шдок утпорения при триботехшчпому контакт! вторинннх структурних захистних нл'шок, HKi заиобп'акль иииикненню та розвитку зхоплення. Добавки в твердий сплав ВК8 до 4 % мш сприяють збьчьшеншо товщини Е1Л-нокригпв на 20-2г> % при незначному зниженш твердости (на 10 %). За критершми ефиктивносп продесу Е1Л, товщини i сущльност1 покрпгтя та за результатами триб0техн1чних випробувань встановлено онтимальний нмкт м i д i електродному MaTepiafli- 3 %. Мщь за рахунок большого коефщ1онту тершчного розширення (1,8х10_& 1С'1) у поршнянш з матер!алом

иокриття 3i сплаву ШС8 (5,1x10"" К"1) та пластнчпост! утворюс па поверхплх тертп оксидну пл1вку, що спрпне зменгпепшо косфниснту тертя та зногу при repri ковзанщ у 2,Г>-.ч [«язи у uopiuiuinui 3i стапдартпкми тпердими сплавами (рис. 1). ТриПотехшчш випробупанни показали, що найменший зное ciiocTepirarrbCH у зразк'т. змшнених специально розробленнми електридними матер1аламн.

У четвсртШ глав! ттрнп*Д';но опт рнзультапи д^"Л1дя:он1, структури, (разового складу, нипруженого стану. ф'пикп-мохашчних властнвостсй та jhocuctUïkocti при терт) ноиорхновмх mapiii cra/ii P6M5, змщнених комбшованим пплпвом елоктрок-кропого логупашш електродними материалами на («.-.нош' тугоплавких снолук та настушкл лазерно!' обробки.При дiï лазерного ¡мнульсу В1дбупастьси локальне плавления дглышц* покриття i сталыкп шдкладинки шд ним нокриттям. В реиультап термокашлярно! конвокци, яка вшшкас внаслщок îiepiBHOMipHOCTi розподьчення температуря на понерхш ваннп ¡юзплану, та впливу тисну «¡ддач! noroît у плазми шдОунаеты-н перенесения легуючо'] {Кзчовшш в об'см ванин, 1Цо дознолис зб'ш.шити глибину легопаного utapy в 3-Г» paain. При лГнлг.шешп густи ни иотужносп лазерного ¡миулксу а 100 до 600 МВт/м2 глибина змшненого шару зростае з 30 до 200 мкм при позначному (до 25 %) зним:еши твердости в покриттях зникають пори i м'пфотршщпи, що мае позитивно впливати на екснлуатацШш влаотивосп нокригпв. ^ Мсталограф1чмий анал!з показав, що зона лазерного пплипу /екладаетьон а двох зон: оплавления, в яюй (юзчиняютьем компоненты / «исходного Е1Л-иок]шття та зонн терм1чного вплину, утворспноУ внаслщок гартупання з твердого стану. При rycTimi нотужногп лазерной' обробки 100-200 МВт/м2 перша зона вщизнясться склндоною i структурною неоднорщшетю. Лнллп мшроструктурн оплавленого шару показав, що елементи розплаву рухаютьгя гшхронодЮно. В межах покриття облает i bhcokoï твердости (14-20 ГПа) межують з зонами мсньшоТ твердости (10-13 ГПя). Облает! sncouoi твердост*1 швдляються светлим колы»(юм винил i док менпюго н/хл-рнялелня на cipowy фош оплавленого шару, який бьчьш нротравлюстьсн. За даними М1Крорентгенскт1ектральнот аналпу, облагт! л твррд1стго M-20 ГПа мають )пдвищ<!ний вм'к.-т е.л«мент1В. яш входить в склад електр01скр0Б0Г0 покриття (Ti,Ni,Mo,W), i ймоьирпи, с иерозчпненими фрагментами цього покриття. Зони тперд)стю М-20 ГПа утворюються при оплавленш i позначному розчиненш материалу иисхшюго покриття в материал! основп. В зщц терм!чного вплппу пмк'т л^гуючих елементш такий же, як i в материй основи. Твердн-ть н зом тнрм1чного впливу ностуново змепьшуегься до 5 ГПа. У внпадку оОроПки електрок-кроних покритпв з густпною потужносл 100-200 MBt/vz оброблона поперхня

складаеться а оплавлених дьчышць, кратирш, що нов'язано з недостатшм ступеням оплавления покриття та Л1сю ударно!' хвили гене{ювано1 плазмою. Др1бш пори нисхшют нокритти розм1|и>м 2-Г» мкм шд инливом лазерного ¡мпульсу злпваються у б1лыш пори рОЗМЦЮМ I О-НО МКМ. Шд ТИСКОМ ударНоУ ХНИ.'П пори витшннються до меж плями, газ з денко'У частили пор в их един, на новерхню, утворюючн кратерн. При обробд! бЬчьга потужннми ¡мпульсами (.'>00-(Н)0 МВт/м2) пори та неоднор1дност! в зош оплавления в]дсутш. Метало)-'р^нчний анал15 показав, що стуишь псреплавлення ЕШ-нокриття збьчьшусться ¡з зростанням енерга 1мпульсу, зменшенням теплонровтпост! та температури плавления Е1Л-нокриттн. Структура характеризуется високою иасичешстк.) твердого розчину легуючими елементами при збереженш дрхбнозернистост!, що неможливо досягти ¡пшими видами термообробки. Цо приводить до зб1льшешш температури аустешзадп, що сприяе шдвищенню теплоетШкосгл логованпх гаарш на ИШ-1Г)0°С. ТеилоетШюсть шетрументу легованого карб1дами \¥0, ТК1 ароетае бихьш нпк на 100°С, що пов'язано з тим, що тугоплавш сполуки не розчинюючнсь в стали блокують зростання зерна, коагулящю карбадв в стал1 при иаг|нваиш. Деюлька меяьшу тенлостШшсть маюп. нонерхнин шари, леговаш ТШ, внаелщок меныноУ тенлостШкостч штрндних фаз.

Яа даннми рентгенофазового анализу шслн Е1Л "Гнлий" шар складаеться з тугоплавко!' снолуки, карбщу Ре;1\У3С та позначно! шльшкгп аустешту у-Ре. ГМсля лазерно'У обробки у "("¡.чему" шар! з'являоться и-Ре. Шлыиеть аустешту та карбшу при ньому

збшьшуотьсн. 1Са[>01д МГ)С у деиких вииадках замшюстьсн одним з карбадв МдеСв, МС, що викликано наеичешшм поверхш вугледем внаслгдок дифу.иУ з глибини матрицу у панну [юзилаву. Ширина дифракидйиих макеимум1в змоньшуеться на 5-10 %, що можна попснити зменшенням нанружеш. у мшрооб'емах ннаслщок лазерного вхдпалення.

Визначальний вплив на формуваннн внутршпйх напружень у поверхневих шарах здШонюо змша агрегатного стану (плавления) д1лышд1 поверхш та утворення велико! кУлькосп аустешту у-Ре, який мае мешпий об'ом криетаЛ1чно! гратки, шж а-Ре. Макгнмалыи значения напружень ciiocTepiraioTi.cn на границ! зони оплавления Ь зоною терМ1Чного внливу. Максимумы напружинь обумешлеш високимн швндкостями охолоджешш розплапу поблизу гргшинд роздичу мглг металом у рщкому та твердому станах. При низьких густннах потужносп лазерноУ обробки 250-,'! 10 МВт/м2 у новерхиених шарах спостери'асться релаксадш напружень шляхом угворення мпгротрндин» коли об'ем рщкоУ фазн мхшмальний, а швидшеть и охолодженна максимальна. У 3(>н1 тершчного ппливу сностер1гасться поступовс

зменшешш piniui залишкових напружинь при pyci у глибину материалу. Лазерна обробка електро1ск|кжих iiokputtíh на невних режимах дозволяе злачно зменшити градиент залишкових .{юзтнгуючих напружень в поверхнпвпх шарах та досягти Гллып рншом'фного i'x рояподьпу в понерхнК

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

[] -KI.il | -Е1Л + лязерна об]юбка

Рис. 1. Подпоена зносоетШккггь стал! Р6М5 , змщнено!' лазерною обробкою ЕТЛ-покритпв Í3 енлаши: 1 - висх. ст. РбМГ»; 2 - RICK; 3 -В1С7Д1; 4 - В1С6Д2; 5 - ВК5ДЗ: б - ВК4Д4; 7 - ВК20; 8 - В1С20У; 9 -В1С14Д6; 10 - T15IC6; И - Т1Г.1С6У; 12 - Г.Т11Л20; 13 - TI120; 14 -НТЫМ20.

Лазерна обробка Е1Л-покрптт1п зменшус кооф^щент тертп, зное у 1,1-2 рази, тдвищуе зноеослйкк-ть пари тертя у 3 рази внаслщок знижешш mopcTKOcTi поверх]» та полшшения якост'1 новерхневого шару шляхом усунення методом оплавления пор та мЬсротрпцин виехшюго покриття.

Лазерна обробка дозволяс. створювати композицию змщнений поверхневий шар - матриця з меншим градиентом фьчико-мехашчних властивостей, що забезпечуе а стШшсть при абразивному 3iioci, сухому терт!, вплшн високих температур та нявантажень.

У п'ятШ глав! наведено результата досльчжень впливу технолопчних параметр1в лазерно! обробки на екенлуатаидйш властивост1 р!жучого шетрументу, лмщненого комбшопапим впливом Е1Л та лазерною обробкою. Подано ана.'йз отриманих результата) та нрактичш реномендадп по промисловому застосуваншо розроблено! технологи. Викладено результат!! промислових випробувань та економ1чна ефектившеть розроблено! технологи.

Встановлено, що для bcíx досладжуваних комнозицШ макспмальш значения перюду гпйкосп вгдловщають густшп пот уж н ост ¡ лазерного iмпульсу ЗНМПО МВт/м2 за рахунок оптимального стввдагошолшя товщинн, твердости, шорсткоеп iioBepxni (рис.2).

При менших значениях густини потужнооп лазерного i ми у л ьсу-мала глибина змщненого шару та висока шорстшеть поверх ni пнаслщок недостатнього оплавления Е1Л-покриттн, при бктьпшх - значке зниження твердост'1 змщненого тару (на 50 %).

Змша ф^зико-мехашчних властивосто.й поворхш шеля KOMói ковано! змщнюючо! обробки приводить до ;«м!ни контактно! взаемоди стружки- з шетрументом. Легування передний новерхш р1жучого шетрументу тугоплавкими снолуками еприяе зниженшо ÍHTeHciiBjiocTi адгезШно! взаемодИ' на контакт!, щи знаходить вщображення у зменшенн! зусилля р1зання та коефшенту скорочення ■ стружки, а також у збшыненш кута зеуву стружки.

Анал!з теплового стану рЬкучого клину проводили з допомогою методу нанесения на инструмент покрнгпв з фшсоианою температурок) плавления. РозМ1ри -тонлових нол!и для ¡нструменгу, легонаного сплавом на ochobí TiN, менше на 30 % вЦшосно виехмиюго та на 20 % вщносно шетрументу , легованого сплавом на ochobí WC.

Т, хп.

35 30 25 20 15' 10 5 О

WxlO 2, МВт/м2

Рис. 2. Вили и густини нотужност! лазерного 1мнул!^у на нор!иц CTiñKDCTi шетрументу ¡3 стал! Р6М5 - виехшю! (1) та леговано! твердими сплавами ВК8(2), ТН20 (3), НТНМ20 (4).

Шел я лазерного легуваиня зберЬастьея лннйний характер заленсносп першду ctHîkoctî в)д швидкот рьзання (до 1 м/с), зменшуючись у менянй «ipi при зСнльшенш шнидкосп рЬання в порхвнянш з незмщненим шетрументом. Це поясшогться тим, що при Гнлып виеоких швидкпетях piaaiiHH шдвищуютыи температура у 3ohî ршаннм та навантаження на рпкучий шетрумеят. Тверд! та тенлостШш поверхнев1 шари шетрументу, змщненого лазерним легчаниям, здатш збер1гати cboï р!жуч1 властивост! щютягом бьдьш тривалого чагу у iiopinimiiiii з незмщненим шетрументом.

За результатами стШшстних пипробувань остановлено оптималып |>ежими лазерно!' обробки ЕШ-покритпя и» уетановил "1Свант-1П" (д1аметр плями сЬ=0,5-1 мм, коефщшнг перекриття плям к- 0,5, гуетниа потужност] W-310-450 МВт/м2).

3 табл. 1. видно, що заетоеування технологи лазерного легування дозволяс збшыштг спйшсть р!ясучого шетрументу у винадку обробки стал! 12Х18НЮТ у 1.5-2,3 рази, у винадку обробки сплаву ВТ22-у 2-2,8 райи. Понередш винробувапня показали, що рацшнальною областю заетоеування розробленоУ технолог!)' е змщнення крупнорозшрного ¡нструменту (юнцевих фрез) з точки зору економ1чн(Ч ефекгивност-! та продуктивное™ пращ (табл.2.).

Таблиця 1.

Рсзультати стШк1стних пипробувань р1жучого шетрументу, змщненого лазерною обробкою Е1Л-покритт1в.

Матер1ал incT рументу Материал електроду Оброблювасмий матер1ал Вдагосна cTittiticTb

Р6М5К5 писх. сплав ВТ-22 1,0

P6M5IC5 ВК8 сплав ВТ-22 2,0

Р6М5К5 ТН20 сплав ВТ-22 9 О , W

Р6М51С5 БТНА20 сплав ВТ-22 2.4

Р6М5К5 НТНМ20 сплав ВТ-22 2,8

Р6М5К5 висх. ст.12Х18Н10Т 1,0

P6M5IC5 ВК8 СТ.12Х18Н10Т 1,5

Р6М5К5 ТН20 CT.12X18H10T 1,8

Р6М5К5 БТНА20 ст.12Х18Н10Т 2,0

Таблмця 2.

Рлзультати прпмнслопих випробупат. коицлпих фреп тпаметром 20 мм, зчщнених лазерной) об|юбко«1 ГС1.П-нокригпн.

Матср1ал i j Матер!ал Пнрюд Оброблюваемн M Bianocica

фрези j електроду CTÏftKOCTi, мате pi ал c i i tï KÍCT1.

J____________ __хк. _

РСМ51С5_ ! иисх. 2/10 сплав ÍÍT-22 1.0_____

Р6М5К5 1 HT H M 20 510 сплав ВТ-22 2.1

PGM5IC5 1 BIC8 430 сплав RT-22 .. 1,8_______

1*18 1 писх. 200 сплав НТ-22 1.0

Р18 ! ВК8 310 сплав ВТ-22 1,5

Операция но лазерному легунанню встроюгться у технплппчпиП процес виготовления рЫсучого ¡нструменту.

Загальн! вистшки.

1. Проведено' комплекене дог-л^ж^инн нроцееу формулами» властнвостей повс.рхневих iiiapin при комб'шованому нплши 151JI та лазерной' обробкп шпидкор1жучих сталей (Р(»М5, Р18) елгчстродппчн матершлами рьчиих клашн {WO-Co-снлави, Гккиюльфрамоп'! ти<-рд) сплави па ochobí TiC, TiN, TiB¿) y широкому Aianasoiii режимш обробкп. Встановлено, що як при RIJl, тате i при комтиппипш дм HUI та лазорпоУ обробки найкрахц! результата но ф1зико-мехашчним та окс.цлуатацШпим властивостям легованих mapin отрпмано для олектродтшх матер!ал1п TiN-Ni-Mo та WC-Oo-Cu. Показано, що визначалышй вплив на властивост! та формунання легованих rnapiß спричиняс ф1зико-х1М1Чна природа но тш.ки тугоплавко!' склалово! матерьчду плектроду, ало й компоненте мет а лево!' зв'язки.

2. Дослужено вплив добавок м!д| на влагтшюсп слектродного матер'1алу на основ! карбщу вольфраму з кобальт-мшюю зн'язкою. Визначено оптимальш склади електродних uaTepiajiiii. Встановлено, що зам!на кобальту на мда. у твердому сплав! BIC8 до по % П1Д маси зв'язки сприяс пщвищенню поносу продукпв ерозм на зм!цнювану поверхню внаслшок nonni у склад! матер!алу битый легкоплавко! м!д!, а шдпов'1Дно зб'ыьшеншо товщшш елг-ктрокжрових покртгтп ни 20-25 У, при позначному (на 10 %) зниженн! твердость

М!дь за рахунок Гнльшого коефщкнту терм1чного розишрення у nopiBHHHiri з матер1алом покриття ai сплаву BIC8 та пластичност!

утворюе на новерхнях тертя дртнодиснерсну оксидну шпвку, яка дозволяс ЗбШЫИИТИ SHOCOCTiftKiCTb покриття у 2,Г>-3 рази У llOpiBHHHHi 3 покритхнми 1з стандарпшх тпердих снлавш.

3. Дослщжено ф1зико-мехашчЩ та екснлуатащйт властивост] змшнених luapiB теля елект[ю>скровог» легуванни та лазерно! об робки. Встановлено валив режим1В ЕГЛ та лазьрно! об робки на структуру зм1цнених niapiB. Показало, що комбхяований вплнв електроккрового легувашш та лазерно! обробки дозволяе збигьшити глибииу змншеного шару у 3-5 раз1в в nopinuainii з необроблеиим EIJI-иокриттяы, лшвщувати пори та мшротр^щпнн ввсхЦного покриття.

]Сомллексне еЛект1ю]<,:к1)оин ле/ування тугоплавкими слолук/ши та лазерна обробка дозволяе зб'пьишти теплостойкость нонерхневих raapia шструментальних матер1ал1в на 100-150аС, зменыпити розм1ри теплой их aojiiu на 30 %, ишшшшш комплекс рЬкучих влас! ивоетой Шструменту при взасмодП 3i стружкою (зменыпення складовоЛ} сили р1зиння - 25-30 %, коеф]щенту екорочення стружки - 14-22 %, збшьшешш кута зсуву - 12-20 %), що у концевому шдсумиу нризводить

до збш.шення його зносост1йкост1.

4. За результатами лабораториях та щшмислових <"пйкк:тних вищюбувань змщненого шетрументу при piuaimi стадий ЗОХГСА, Х1НН10Т, титанового сплаву ВТ22 встановлеш онтимальш рея; мм и EIJ1 та ¡миулшюХ лазерно! обробки Е1Л-пикриггш.

й. Шляхом частковоК замВш кобальту на м\дь у зв'пзш твердого сплаву ВК8 та оптим!занД складш |хш|хн>лено ноний »:лккт[и)дний материал В1С5ДЗ на основ! карбЦу вольфраму з кобальт-мщиою зв'нзкою для нанесения зносостШких покригпв на стал!. методом елект|юк-крово1'о легуваннн.

G. За результатами промислових випробувань розроблено метод змшнення Kpynnpi«3Mipnoro инструменту (кпщевих фрез д]аметром бьпьше 25 мм). У результат! впроваджешш розроблепо! технологи та електродних матер1ал1в на Ульяновському машинобуд1вному завод1 було досягнуто п1днищення аносостШкот шетрументу у 2,5-3 рази при o6po6ui piaimx конструкщйних матер1а.'йв.

Осцовш положения дисертацп онублшоваш в роботах:

1. Паустовский A.B., Ботвннко В.11. Влияние импульсного . лазерного излучения на структуру и свойства ЭИЛ-покрытий из сплавов

типа ВК и ТК //Порошковая металлургия. 1991. Hs2, С. 55-57.

2. Кональченко М.С., Паустовский A.B., Потвинко В.П., Тамарой А.П. Электроискровое легирование и последующая лазерная обработка

инструмента из .быстрорежущих сталей//Порошковая моталлурпш.-1996.-.№5-«.-С. 11-15.

3. Паустовский A.B., Потнинко ft.fi. Испил [цокание лазерного излучения для нанесения и обработки покрытий.//Порошковая металлургия.-1998.-№1-2.-С. 1Ь15.

4. Паустовсысий О.В., Ботвинко В.П. Формувашш напруямшь у поверхневих шарах стал! Р6М5 шд час слсктрснскрового легуваипя та лазерноУ об]юбки//Ф!зико-х!м!чна механика матер1ал!н.-199Н.->Ы.-С. 123-124.

5. Паустовский A.B., Вотвиико В.Н., Кириленко С.Н. и др. Влияние режимов лазерной обработки на напряженно*: состояние поверхностных слоев стали P6M5IC5, ущючпешюй твердым сплавом ВК8.//В сб. "Порошковые тугоплавкие материалы и покрытия нн их основе". 1Си*в: 1ПМ HAH Укра1ни.-1990. С. 98-103.

ß. Паустовский A.B., Полянсков Ю.В., Вотвинко В.Г]., Тамаров А.П., Овчинников G.O. Повышение работоспособности режущего инструмеита//Станки и инструмент.-1991.-С. 22-24.

7. Паустовский A.B., Вотвинко В.П., Новикова В.И. Закономерности формирования поверхностных слоен «талей поели алектроискрового легирования материалами TiN-N! и ТШ* с последующей лазерной обработкой.//В сб. "Воздействие высоких . швлыщй на материалы".-Кшв: 1ПМ {IAH Украши.-19УЗ.-С. 113-148.

8. Вотвинко В.П. Исследование характеристик электроигкропого гегирования сталей материалами WO-C0-C11//B <гб. "Актуальные

юн росы материаловедения".-Кшв: 1ПМ HAH Укра"ши.-1993.-С. 35-38.

9. Паустовский A.B., Вотвинко В.П. Лазерная обработка 1лектроискровмх покрытий.//Нанесение, ун(ючнение и свойства ;ащитных покрытий на металлах: тез. докл. ХХШ-го семинара по деффузиоиному насыщении! и защитным покрытии.м.-Ивано-Франковск.-1990.-С. 234-235.

10. Паустовский A.B., Юга А.И., Ботвинко В.П. Упрочнение инструмента путем комбинированное» воздействия алектроискрового егироьания и лазерной обработ К И.// Повейш ие щищесси и материалы в орошковой металлургии: тез. докл. междуна!»одной конференции -.-;иев.-1997.-С. 147.

Приведений псрслис наукових poöiT мостить п coGi основп» еоретичш та експеримеиталып результат и, як! покладен! в основу исыовшв 1 положень, що виносяться на захнег.

В обговоренн! результате роб1т брали участь проф., д.т.н. [.С.Ковальченко, к.т.н. О.В.Паустовеький, к.т.н. Г.О.Иовкун. к.т.н. .М.Кириленко.

18

АПОТАДШ

Ботвинко В.П. Шдвищення працгадатиосп инструменту и швидко-р1жучих сталей шляхом комГинованого пилину олект1>о'|скрового легунаинн та лааерпоУ обробки.

Диссртащя на здобуття вченою ступеню кандидата техшчних паук за спе1Мальн1стю 05.02.01-"Матергалознавство" (рукоггис). ШМ HAH Укради, Кшв, 1098.

Проведено комплексш досидження методу змщиення хпвидкор1жучнх сталей шляхом електро)ск[>оиого легупяинп нлектродними матер!алами на ос но i« i тугоплавких с.полук та иастушкн лазерно'У обробки. Встановлено, що лазерна обрубка електро]скрових покрипчв дозволяе зб1лыиити у 3-5 paaiB глибину змщненого шару з1 зниженим розподшом легуючих компонент1в та фшико-мехашчних властивостей, уеунути пористиеть та дефектность висх1дного покриття. Знпрононовано оптимальш режнми ШЛ та лазерно'У обробки, електродш матер^али на ocuoBi тугоплавких сполук. Надано рокомсндацп з практичного заетоеування розробленоУ технолог«!. Розроблена технология дозволяе- зб'1льшити ресурс роботи инструменту з швидкорЬкучих сталей при обробщ важкооброблюваних матер1ал1в у 2-3 рази у нор^внянш з незмщненим шетрументом.

1Слючов1 слова: високоенсргетичний вплив, лазерна об|юбка, слектро1скрове покриття, електродннй матер1ал, лиопоет)й1псть.

АННОТАЦИЯ

Ботвинко В.П. Повышепие работоспособности режущего инструмента из быстрорежущих сталей путем комбинированного воздействия электроискрового легирования и лазерной обработки.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01.-"Материаловедение" (рукопись). НИМ HAH Украины, Киев, 1998.

Проведены комплексные исследования упрочнения быстрорежущих сталей путем комбинированного воздействия электроискрового легирования и последующей лазерной обработки. Установлено, что лазерная обработка электроискровых покрытий позволяет увеличить в 3-5 раз глубину упрочненного слоя с пониженным градиентом распределения легирующих компонентов и физико-механических свойств, устранить пористость и дефектность исходпого покрытия. Предложены оптимальные режимы ЭИЛ и лазерной обработки, электродные материалы на основе тугоплавких

соединений. Даны рекомендации по практическому применению разработанной технологии. Разработанная технологии позволяет увеличивать ресу|к; работы инструмента из быстротекущих ггаде.й при обработке труднообрабатываемых материалов в 2-3 раза по сравнению с неупрочненным инструментом.

Ключевые слова: высокоэнергетическои воздействие, лазерная обработка, электроискровое покрытие, электродный материал, износостойкость.

Botvinko V.P. A rise in durability of high-speed steel cutting tool by elecirospark hardening with subsequent laser treatement.

A thesis submitted for award a candidate scientific degree on spesialiy 05.02.01 - materials science. Institute fur Problems of Materials Science of the Ukraine National Academy of Sciences, Kyiv, 191)8.

Complex investigation of high-speed steel cutting tool by elcctrospark hardenig with subsequent laser treatement is carried out. It is established the laser treatement electrospark coating enables to rise the depth of hardening layer by 3-5 fold with decreased gradient in alloying component distribution as well as physical and mechanical properties, to remove the jmnmity and imj>erfection of starting coating. Optimal conditions for electrospark coaling and subsequent laser trealeuieid of the latter as well as the refractory-compounds-based electrode materials are suggested. Recommendations are given on practical application of developed processing. Suggested processing enables to increase (he durability of high-speed steel tool by 2-3 fold in machining of the hard-cutting materials in contrast of uuhardoned tool.

Key words: high energy effekt, laser treatement, elcctrospark coating, electrode material, wear resistance.

SUMMARY

ПЦд. до друку у. 04, . аор-лат Й)лЬ4/10. Паиip oiic. друк. oi.c. Иное. друк. л, . j.jou.(ja^ü. С\ tjr Обд.-вид.л. . Тиран 4О О ярим. В а и. 383.

¡нстигут проблем цатсчналознавс^а

lu. I.u.e-рвицевичв HAH УкраХни

252380 Шв 680, ДСП, Byn.Kpsib-.ahiECbKoi o,S.

Дхльниця Оперативно! полп'рэ^П

хнстмуту проблей иаюрхалознаьстьа

1«. 1.а.£раицсвича HAH Унпа1нк

252280 KniB 6В0, ДСП, вул,Кряп..-.а:>ЛБСЫ<ого,3.

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ р У" ?УДК §2^1.791.92: 669.018.25(043.3)

/ б кюп

СНАРСКИЙ Андрей Станиславович

СОЗДАНИЕ БОРОСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ.

05.02.01- материаловедение в машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МИНСК- 1998

Работа выполнена в Полоцком государственном университете.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Пантелеенко Ф.И. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ворошнин Л.Г.

кандидат технических наук Поко O.A.

Оппонирующая организация: Научно-исследовательский институт порошковой металлургии с опытным производством.

Защита состоится « 25 « июня 1998 г в 14 часов на заседании совета по защите диссертаций Д 02.05.06 в Белорусской государственной политехнической академи

по адресу: 220027 г. Минск, пр. Ф. Скорины, 65 т. 32-42-53

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке БГПА. Автореферат разослан « _мая_1998 г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций, //

кандидат технических наук, доцент П,.,»*/ Б.М. Неменен

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.Основными материалами, применяемыми для изготовления металлорежущих инструментов, являются быстрорежущие стали и твердые сплавы. Однако наряду с достоинствами им присущи и недостатки. Так недостатками быстрорежущих сталей являются относительно низкие скорость резания и теплостойкость, а также значительная зависимость свойств от режимов термообработки, высокая склонность к ликвациям карбидов. Недостатком твердых сплавов является сложность технологии получения из-за необходимости механического введения упрочнителя и высокая склонность к сегрегации компонентов.

Поиск новых видов инструментальных материалов, обладающих комплексом свойств, необходимых для конкретных условий эксплуатации является весьма актуальным. Об этом свидетельствует участие в указанных исследованиях фирмы Krupp GmbH и ряда других. Министерство исследований и технологий Германии (BMFT) только в 1995 году выделило 2.74 млн. немецких марок для проведения исследований и внедрения новых типов композиционных материалов инструментального назначения. Указанная проблема актуальна и для Беларуси, особенностью которой является наличие развитого машиностроительного комплекса с высокой потребностью в металлообрабатывающих инструментах.

В связи с этим, создание нового боросодержащего инструментального материала, предназначенного для замены (в некоторых областях металлообработки) быстрорежущих сталей и твердых сплавов, является весьма актуальным.

Связь работы с крупными научными программами, темами.Часть исследований, использованных в диссертационной работе, выполнялась при финансовой поддержке Белорусского фонда фундаментальных исследований в рамках грантов для молодых ученых:

1. Договор МФ 95-48 (1995 г.)- «Разработка порошка на железной основе для износостойких покрытий повышенной коррозионно-, тепло- и жаростойкости». (Руководитель Снарский A.C.)

2. Договор МП 96-70 {1996,1997 гг.) - «Разработка научных и технологических основ электронно-лучевого воздействия на поверхность, с целью получения материалов и покрытий с заданными эксплуатационными свойствами».

Основная часть научно-исследовательской работы проводилась в рамках межвузовской программы «Металлургия»(1996-1998 г.) по теме «Разработка теоретических основ и технологических принципов получения и термической обработки нового класса инструментальных материалов повышенной теплостойкости»(Научный

руководитель д.т.н., профессор Пантелеенко Ф.И., Ответственный исполнитель Снарский A.C.).

Цели и задачи исследования. Целью проведенной работы является:

Разработка и исследование нового типа инструментального материала, полученного методом диффузионного легирования бором быстрорежущей стали, обладающего более высокими, чем у исходной быстрорежущей стали свойствами.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить механизм формирования инструментального материала из диффузионно-легированного порошка быстрорежущей стали;

- исследовать влияние бора на структуру, фазовый состав и свойства разрабатываемого материала;

- исследовать процессы структурообразования в боросодержащем материале при его термообработке;

- разработать технологические схемы оснащения разработанным материалом металлорежущего инструмента;

- выявить особенности поведения материала в реальных условиях эксплуатации;

- определить области рационального использования разработанного инструментального материала.

Объект и предмет исследования.В качестве объекта исследований выступает инструментальный материал, полученный методом диффузионного легирования бором порошка быстрорежущей стали 10Р6М5 с последующим его компактированием. При этом предметом исследований является материал, полученный методом порошковой наплавки на стальную подложку; а также материал, полученный методом порошковой металлургии (прессование с последующим спеканием). Изучению также подвергали механические и эксплуатационные свойства, а также микроструктура и фазовый состав боросодержащего материала в зависимости от особенностей его получения, вида и режимов термической обработки.

Методология и методы проведенного исследования. При создании нового инструментального материала необходимо было выбрать комплекс методов, позволяющих достоверно определить его основные свойства, а также установить связь этих свойств с особенностями микроструктуры исследуемого материала.

Разработана методика определения трещиностойкости наплавленных покрытий из боросодержащего материала, определяющая сопротивление материала скалыванию и хрупкому разрушению :

S=10HV/c, где

HV- средняя твердость покрытия по Виккерсу;

с - средняя длина трещин в углах отпечатка индентора при определении твердости, мкм (м*10"6}.

Для определения скорости охлаждения разрабатываемого материала при закалке использована методика, основанная на определении дендритного параметра - расстояния между осями второго порядка дендритов феррита и избыточных фаз, присутствующих в структуре наплавленного покрытия,

В качестве травителя для выявления особенностей микроструктуры исследуемого боросодержащего материала использовался 5% спиртовой раствор йода.

Разработана методика определения триботехнических характеристик боросодержащего материала в условиях, близких к условиям эксплуатации трибопары «боросодержащий инструментальный материал - деталь».

Теплостойкость материала определялась как вторичная твердость после отпуска при заданной температуре продолжительностью 0.5 часа.

Фазовый состав материала определялся с помощью рентгеноструктурного фазового анализа, проводимого на приборе D500 (SIEMENS, Германия) при монохроматическом Сиа излучении.

Твердость материала определялась по Виккерсу (ГОСТ 945076) при нагрузке 196,1 Н; микротвердость при нагрузке 1Н (ГОСТ 9450-75).

Научная новизна и значимость полученных результатов:

1. В качестве инструментального разработан и применен новый композиционный материал, полученный легированием бором порошка быстрорежущей стали 10Р6М5 в процессе диффузионного насыщения. Это обусловлено позитивным влиянием диффузионного легирования бором на структуру и свойства разработанного материала:

Введение бора в исходную быстрорежущую сталь приводит к формированию нового материала эвтектического типа. Бор повышает теплостойкость, сдерживая разупрочнение материала до температур превышающих 600 °С, что связано с повышенной термостабильностью фаз-упрочнителей и легированного бором твердого раствора.

2. Установлены закономерности формирования разработанного боросодержащего порошкового материала системы Fe-B-C-W-Mo-Cr-V в инструментальное изделие, а также определен характер «поведения» указанного материала при его спекании в различных газовых средах (окислительной, восстановительной, инертной).

Благодаря наличию в материале бора происходит процесс самофлюсования (раскисление поверхности частиц и образование защитного слоя из расплавленного оксида бора ВгОэ на поверхности). Поэтому наплавку и спекание боросодержащего материала следует

проводить в окислительной среде (воздухе).

3. Выявлены закономерности влияния термообработки (закалки, отпуска) на структуру и свойства боросодержащего материала, также определены особенности электронно-лучевой обработки указанного материала.

За счет легирования бором дисперсионное твердение данного материала происходит в процессе двухкратного отпуска при температуре 800 °С продолжительностью каждого 0.5 часа, что вызывает повышение теплостойкости боросодержащего материала по сравнению с исходной быстрорежущей сталью.

4. Установлены закономерности «поведения» разработанного боросодержащего материала при эксплуатации, а также выявлены причины его высокой износостойкости.

Бор, входящий в указанный материал, приводит к образованию при трении скольжения на поверхности изнашивания структур на основе оксида бора В2Оа, обеспечивающих эффект самосмазывания, что резко снижает износ данного материала.

Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов. Результаты работы внедрены на ОАО Полоцкий завод «ПРОММАШРЕМОНТ». Изготовлена партия проходных резцов для металлообработки, оснащенных разработанным боросодержащим материалом, и проведены их производственные испытания. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 39 790,6 тыс. рублей (по состоянию на март 1998 г.).

Разработан ряд технологических схем оснащения металлорежущих инструментов разработанным боросодержащим материалом.

Определены рациональные режимы резания, обрабатываемые материалы и геометрия инструмента, изготовленного с использованием разработанного материала. Скорость резания указанным инструментом выше в 1,8 - 2,1 раза по сравнению с аналогами из быстрорежущей стали при том же периоде стойкости.

Результаты работы также использованы при подготовке и проведении лабораторных практикумов по курсам «Основы повышения эксплуатационных свойств поверхностей» и «Новые композиционные материалы» для специальности ТОЗ.02.00.(1206) «Технология и оборудование высокоэффективных процессов обработки материалов».

Основные положения диссертации, выносимые на защнту.На защиту выносятся:

— концепция создания боросодержащего инструментального материала;

— закономерности структурообразования в указанном материале при его термообработке;

— результаты исследования физико-механических и эксплуатационных свойств разработанного материала;

— рекомендации по практическому применению указанного боросодержащего материала и технологических схем получения из него металлорежущего инструмента.

Личный вклад соискателя. Научные и технологические основы выбранного соискателем направления создания новых материалов и покрытий за счет диффузионного насыщения исходного порошка бором изложены в диссертационной работе д.т.н., профессора Пантелеенко Ф.И. «Теоретические и технологические основы получения самофлюсующихся порошков на железной основе диффузионным легированием и разработка износостойких композиционных покрытий из них». Соискателем проведено развитие указанного направления. Изложенные основы были адаптированы и доработаны соискателем для создания и исследования нового боросодержащего материала инструментального назначения.

На начальных этапах работы при поиске нового инструментального материала разработано наплавленное износостойкое покрытие из порошка ПР-сталь 45 при его диффузионном насыщении бором. По результатам работы получен патент №1411 Республики Беларусь, в качестве соавторов указанной разработки выступают д.т.н., профессор Пантелеенко Ф.И., и к,т.н. Константинов В.М.

Соискателем были проведены работы по изучению боросодержащего инструментального материала на основе быстрорежущей стали 10Р6М5, полученного двумя методами:

— методом наплавки на стальную подложку;

— методом порошковой металлургии (прессование с последующим спеканием).

Заложены основы термической обработки боросодержащего материала инструментального назначения. Определены особенности и целесообразность электронно-лучевой обработки исследуемого материала. Разработаны технологические схемы оснащения металлорежущих инструментов боросодержащим материалом. Изучены эксплуатационные свойства указанных инструментов. На основании проведенных стойкостных и производственных испытаний установлены области рационального применения нового боросодержащего инструментального материала.

Апробация результатов диссертации. Основные положения работы были доложены:

на Российской научно-практической конференции «Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин» (Москва, 1994 г.);

на научно-технических конференциях «Современные

на научно-технических конференциях «Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин» (Новополоцк, 1993,1995,1997 г.);

на НТК «Современная технология упрочнения, восстановления и механической обработки деталей с покрытиями» (Киев, 1993 г.); на 20 и 22 Гагаринских чтениях (Москва, 1994, 1996 г.); на НТК «Номатех» (Минск, 1994 г.);

на международном семинаре «Нелинейные явления в сложных системах» (Полоцк, 1994 г.);

на международной 52-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА «Технические вузы - республике»(Минск, 1997 г.).

Опубликованность результатов. Основные результаты исследований содержатся в 15 опубликованных работах, из них: 1 статья в научном журнале, 7 работ опубликовано в научно-технических сборниках, 5 тезисов докладов НТК, получен 1 патент РБ, подготовлен 1 научный отчет. Общий объем публикаций -7.31 печатных листов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 107 наименований, 5 приложений и содержит 179 страниц машинописного текста, 10 таблиц, 51 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении указаны причины выбора темы и направления указанной работы, сформулированы ее цели и актуальность.

В первой rnapç «Инструментальные материалы и их особенности» проанализированы области применения инструментальных материалов, оценена возможность их применения для оснащения металлорежущих инструментов. Проведен анализ основных тенденций разработки новых инструментальных материалов. Также проанализировано одно из основных свойств инструментальных материалов - теплостойкость, выявлены факторы на нее влияющие.

Установлено, что 90% известного металлорежущего инструмента снабжено быстрорежущими сталями и твердыми сплавами. Показана перспективность применения быстрорежущей стали типа Р6М5, как более экономичной, чем Р18 (за счет рационального легирования). Установлена возможность повышения эксплуатационных свойств инструмента применением порошковых быстрорежущих сталей. Выявлены достоинства и недостатки быстрорежущих сталей и твердых сплавов.

В данной главе проанализированы также перспективные направления создания композиционных инструментальных материалов (КИМ). Основными из них являются: замена связки на железосодержащую, упрочнение связки за счет ее дисперсного твердения, применение эвтектических КИМ.

Определены пути повышения теплостойкости инструментальных материалов. Главные из них: получение материала

дополнительное легирование.

Проанализировано влияние на свойства материалов легирования бором. Установлено, что бор повышает твердость, износостойкость и теплостойкость материалов, снижает склонность к коагуляции фаз-упрочнителей, но вместе с тем, повышает хрупкость материалов.

В результате проведенного анализа установлена перспективность применения порошковой системы Р6М5+бор в качестве основы создания нового инструментального материала эвтектического типа, занимающего промежуточное положение по свойствам (твердости, износостойкости, теплостойкости) между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.

Во второй главе «Материалы и методики проведения исследований» проводится обоснование выбора порошкового материала системы Ре-В-С-\А/-Мо-Сг-У в качестве объекта дальнейших исследований. Также приводятся основные методики определения некоторых свойств исследуемого материала:

- методика определения трещиностойкости материала;

методика определения скорости охлаждения разрабатываемого материала.

Так, исходя из основных требований, предъявляемых к инструментальным материалам (высокая твердость (не менее 63-66НР?СЭ), износостойкость, теплостойкость (не ниже 620 - 630°С), высокое сопротивлению хрупкому разрушению) проведена сравнительная оценка физико-механических свойств наплавленных покрытий из различных видов боросодержащих порошков на Ре-основе (ПР-10Р6М5+бор, ПР-сталь 45+бор, ПЖР+бор). Указанные порошковые материалы получены методом диффузионного насыщения бором исходных металлических порошков (А.С.№1600152, МКИ 5В22Р9/16 Способ получения самофлюсующихся порошков. Пантелеенко Ф.И., Любецкий С.Н.)

Проведенные исследования позволили установить, что наплавленные покрытия из порошка системы ПР-10Р6М5+бор обладает наилучшими свойствами: «инструментальной» твердостью (свыше 780НУ) в широком диапазоне содержания бора в порошке (1-8% по массе). Тогда как остальные покрытия имеют указанную твердость только при наличие в структуре избыточных фаз, резко повышающих склонность материала к хрупкому разрушению. Установлена, также высокая износостойкость при трении скольжения наплавленных покрытий из порошка ПР-10Р6М5+бор (система Ре-В-С-\/У-Мо-Сг-У). Указанный материал и был выбран объектом дальнейших исследований.

В данной главе предложены методики определения свойств разрабатываемого материала, связанные с особенностями его формирования, планируемой термообработки и эксплуатации.

а. Разработана методика определения трещиностойкости наплавленных покрытий из исследуемого материала:

Б-Ю-НУ/с,

где НУ- средняя твердость покрытия по Виккерсу;

с - средняя длина трещин в углах отпечатка индентора при определении твердости, мкм (м*10 6).

Указанный показатель характеризует сопротивление материала скалыванию и хрупкому разрушению. Проведено экспериментальное подтверждение возможности применения указанной методики для данного материала.

б. Разработана методика определения скорости охлаждения разрабатываемого материала по дендритному параметру. В качестве критерия оценки скорости охлаждения используется расстояние между осями второго порядка дендритов твердого раствора и избыточных фаз, встречающихся в микроструктуре исследуемого материала. Указанная методика позволяет оценивать скорости охлаждения материала в диапазоне 10-107оС/с.

В третьей главе «Основы формирования инструментального боросодержащего материала» изложены особенности процесса компактирования порошкового материала системы Ре-В-С-\Л/-Мо-Сг-V в пластину предназначенную для оснащения ей металлорежущих инструментов. При этом проанализировано два способа получения материала:

- метод наплавки на стальную подложку,

- метод порошковой металлургии (прессование с последующимспеканием).

В результате проведенных исследований установлены общие закономерности получения материала из боросодержащих порошков: благодаря наличию в порошке бора происходит процесс самофлюсования (раскисление поверхности частиц и образование защитной пленки из расплавленного оксида бора ВгОэ на поверхности). Поэтому наплавку указанного материала можно проводить без защитных мер на воздухе. Спекание указанного материала также лучше проводить без применения защитной атмосферы в обычной кислородосодержащей среде (воздухе).

Установлено, что основными методами активации процесса спекания боросодержащих самофлюсующихся материалов являются:

- увеличение количества и размеров площадок контакта между частицами порошка, за счет пластической деформации порошковых частиц проведением прессования;

- создание развитой поверхности взаимодействия атмосферы спекания со всеми частицами спрессованного брикета, за счет использования порошка с частицами сферической формы;

- снижение температуры спекания за счет образования легкоплавких эвтектических составляющих.

Были выявлены также основные закономерности процесса спекания в различных газовых средах: так в азоте идет слабое твердофазное спекание и формируется материал с низкой прочностью; в аргоне происходит спекание с элементами жидкой фазы, но материал имеет высокую пористость; в восстановительной среде спекания материала не происходит вовсе.

Наилучшее качество спекания достигается при проведении процесса в окислительной среде (воздухе). Это связано с наличием явления саморегуляции процесса благодаря образованию В203. При повышении температуры до 1200-1250°С происходит испарение указанного соединения, что вызывает резкое окисление материала.

Разработаны практические рекомендации по получению инструментального боросодержащего материала методом порошковой металлургии. Прессование необходимо проводить с давлением 500МПа и использовать в качестве пластификатора парафин (1-2% масс.). Далее следует проводить двухступенчатое спекание в кислородосодержащей среде при температуре 500°С в течение 0.5 часа для удаления пластификатора, затем при температуре 1150°С в течение 1часа для окончательного формирования материала.

Изучены также особенности материала, полученного наплавкой исходного порошка на стальную подложку. В процессе анализа микроструктур наплавленных покрытий, получаемых из порошкового материала системы Fe-B-C-W-Mo-Cr-V методом плазменной наплавки на стальную подложку установлено, что наплавленные покрытия из указанного материала в зависимости от процентного содержания бора в порошке могут иметь структуру 4 основных типов:

1 тип - доэвтектический (избыточный твердый раствор на базе железа и боросодержащая эвтектика). Твердость материала данного типа структуры находится в зависимости от количества в покрытии феррита и составляет 600 - 800 HV.

2 тип - эвтектический (боросодержащая эвтектика). Покрытие данного типа имеет твердость после наплавки около 800 - 900HV.

3 тип - заэатектический (избыточные фазы в форме дендритов и эвтектика), далее по тексту заэвтектический 1. Твердость покрытия составляет 900 - 1100HV (в зависимости от процентного содержания избыточных фаз),

4 тип - заэвтектический (избыточные фазы призматической и дендритной формы с эвтектикой ) далее по тексту заэвтектический2. Твердость такого типа покрытия наибольшая: 1100 - 1300HV. Размеры избыточных фаз зависят от скорости охлаждения и составляют 10-40 мкм.

Были проведены исследования влияния температуры отпуска на твердость, теплостойкость и трещиностойкость наплавленных покрытий из исследуемого материала. Установлено, что бор значительно повышает теплостойкость указанной системы, наибольшей теплостойкостью обладает покрытие с заэвтектическим

наибольшей теплостойкостью обладает покрытие с заэвтектическим типом структуры 2. Наибольшей трещиностойкостью обладает покрытие с эвтектич^Ьким типом структуры.

Было также установлено, что в процессе отпуска при температурах 600-800°С в системе Ре-В-С-\М-Мо-Сг-\/ наблюдаются явления, для выяснения механизма которых потребовались дополнительные исследования.

В связи с этим было проведено комплексное исследование анализ наплавленных покрытий из исследуемого материала, подвергнутых отпуску при температурах 600°С, 800°С в течение 0.5 часа. Установлено, что отпуск при температуре 600°С продолжительностью 0.5 часа не вызывает структурных и фазовых изменений. После отпуска при температуре 800°С продолжительностью 0.5 часа происходит трансформация эвтектики из веерообразной в зернистую, а также происходит дисперсионное твердение материала с выделением высокодисперсных упрочняющих фаз.

Исходя из сказанного выше для дальнейших исследований выбран боросодержащий инструментальный материал, имеющий эвтектический тип структуры, обладающий высокой трещиностойкости при сохранении высокой вторичной твердости.

В четвертой главе «Основы термической обработки боросодержащего инструментального материала» рассматриваются вопросы, связанные с выбором вида и режимов термообработки разрабатываемого материала, с целью получения высокой теплостойкости и повышения сопротивлению хрупкого разрушения. Анализируется также возможность применения для этих целей электронно-лучевой обработки (ЭЛО) наплавленных покрытий из боросодержащего материала. Рассматриваются также особенности закалки указанного материала из жидкого состояния.

Установлено, что закалку из жидкого состояния для покрытий из исследуемого материала можно проводить как объемно (непосредственно после наплавки в воде и масле), так и поверхностно (при обработке материала концентрированными источниками энергии). Установлен критерий, характеризующий поведение материала в процессе закалки, - скорость теплоотвода. После закалки из жидкого состояния разработанный боросодержащий материал может иметь два ' оригинальных типа микроструктуры -квазиэвтектический первого типа и квазиэвтектический второго типа, микротвердость и размер структурных составляющих которых зависит от скорости теплоотвода.

Проанализировано изменение свойств разрабатываемого материала (твердости, микротвердости, трещиностойкости) в зависимости от режимов отпуска и особенностей предварительной обработки. Так двухкратный отпуск при температуре 800°С

продолжительностью каждого 0.5 часа вызывает дисперсионное твердение, повышение вторичной твердости и трещиностойкости разработанного боросодержащего материала полученного наплавкой, независимо от предварительной обработки. Отпуск при температуре 900°С продолжительностью 0.5 часа вызывает резкое ухудшение свойств, связанных с процессом коагуляции фаз-упрочнителей, происходит также явление пережога.

Также установлено, что:

- при отпуске 800°С продолжительностью 0.5 часа происходит трансформация как эвтектики, так и квазиэвтектики 1 типа из веерообразной в зернистую с размерами структурных составляющих 1 мкм и менее, и с равномерным распределением фаз-упрочнителей;

- квазиэвтектика 2 типа более термостабильна и видимые структурные изменения замечены лишь после отпуска при температуре 900°С продолжительностью 0.5 часа. Однако, практическое применение материала, имеющего указанную структуру затруднено в связи с низкой ее трещиностойкостью.

На основании анализа микроструктуры и свойств определены режимы отпуска, вызывающие дисперсионное твердение материала: двухкратный отпуск при температуре 800°С продолжительностью 0.5 часа.

На основании проведенных исследований можно утверждать, что разработано 2 типа инструментальных материалов. Для получения первого типа материала рекомендуется проводить: наплавку с последующим отпуском при температуре 600°С в течение 0.5 часа. Второй тип материала возможно получить наплавкой с проведением закалки из жидкого состояния и последующего двухкратного отпуска при температуре 800°С и продолжительности по 0.5 часа.

Проведены эксперименты по электронно-лучевой обработке (ЭЛО) наплавленных покрытий из разрабатываемого материала. Установлены основные закономерности процесса ЭЛО указанного материала. При закалке из жидкого состояния происходит формирование слоя с аномально высокой твердостью до 1100HV и низкой трещиностойкостью 150-220 МПа/м*106.

Для повышения сопротивления хрупкому разрушению была проведена термообработка покрытий после ЭЛО: двухкратный отпуск при температуре 800°С продолжительностью по 0.5 часа. Установлено, -что указанный отпуск повышает трещиностойкость в 1,5-2 раза при сохранении высокой твердости 950-980 HV. Предложены практические рекомендации по применению указанного метода обработки: ЭЛО наплавленного покрытия на "мягком" режиме (плотность мощности 103 Вт/см2) с последующим двухкратным отпуском (температура отпуска - 800 °С, продолжительность каждой выдержки при данной температуре - 0.5 часа ).

В пятой главе «Основы изготовления и особенности

*

боросодержащим материалом системы Ре-В-С-\Л/-Мо-Сг-\/» анализируются особенности процессов, происходящих в зоне резания при эксплуатации инструментов, снабженных боросодержащим материалом. Предлагаются технологические схемы производства инструментов, а также проводится анализ результатов стойкостных и производственных испытаний инструментов, снабженных пластинами из разработанного материала.

Проведены исследования, моделирующие реальные условия работы трибопары «боросодержащий инструментальный материал -деталь». Методика проведения испытаний заключалась в реализации механизма трения скольжения по схеме «колодка-диск» на машине трения СМЦ-2 и близка к испытанию на износостойкость методом Шкоды-Савина. В качестве контртела использовался шлифованный диск из закаленной углеродистой конструкционной стали 45. Данный выбор был обусловлен использованием указанной стали в качестве эталона при определении обрабатываемости резанием различных групп конструкционных материалов. Испытания проводились с применением и без применения СОЖ. В качестве СОЖ применялся 5% водный раствор полусинтетической СОЖ Аквол-11 , который подавался в зону контакта.

Проведенные исследования позволили установить, что:

разработанный материал имеет относительную износостойкость при трении скольжения в 2.50-5.48 раз превышающую износостойкость быстрорежущей стали Р6М5;

- наивысшую износостойкость имеет материал имеющий эвтектический тип структуры;

- в условиях трения скольжения без применения СОЖ замечено образование в зоне трения структур самосмазывания на основе В203, которые повышают триботехнические характеристики разработанного боросодержащего материала системы Ре-В-С-М-Мо-Сг-У.

Были также проведены исследования по выбору наилучшего материала подложки для последующей наплавки на нее боросодержащего порошкового материала. Установлена связь между качеством и свойствами покрытия и маркой материала подложки. В качестве потенциальных материалов для подложек были выбраны следующие стали:

1. Низкоуглеродистая сталь (сталь Ст 3 );

2. Среднеуглеродистая конструкционная сталь (Сталь 45 );

3. Нетеплостойкая инструментальная сталь ( 6ХВ2С );

4. Полутеплостойкая инструментальная сталь (45ХН4МФА ).

Установлено, что:

- трещиностойкость наплавленного покрытия в первую очередь .определяются маркой стали на которую производится наплавка;

- применение в качестве подложки инструментальных сталей 6ХВ2С и 45ХН4МФА позволяет повысить трещиностойкость

*

наплавленного покрытия из разрабатываемого материала в 2-3 раза соответственно по сравнению с покрытием наплавленным на сталь Ст.З.

Выявлено также влияние отпуска на твердость подложек и трещиностойкость покрытий. Так, например, двухкратный отпуск при температуре 800°С продолжительностью каждого 0.5 часа вызывает падение твердости подложки из стали Ст.З и Стали 45 до 180-150HV. Подложка из сталей 6ХВ2С и 45ХН4МФА после такой обработки сохраняет высокую твердость (400-600 HV).

В связи с указанными исследованиями применение подложек из сталей 6ХВ2С и 45ХН4МФА для формирования инструментальной пластины «боросодержащий материал - подложка» является обоснованным с позиции повышения эксплуатационных свойств инструмента, что обусловлено высокой трещиностойкостью покрытия и высокой прочностью подложки.

Также разработано несколько технологических схем оснащения металлорежущих инструментов боросодержащим материалом системы Fe-B-C-W-Mo-Cr-V:

- плазменная наплавка порошкового материала на корпус инструмента;

- напайка пластины, полученной методом порошковой металлургии (прессование с последующим спеканием в кислородосодержащей среде);

- крепление пластины "боросодержащее покрытие - подложка" на корпус инструмента.

Для дальнейших исследований были изготовлены металлорежущие инструменты (резцы) с пластинами «наплавленное боросодержащее покрытие - подложка» и проведены их стойкостные испытания. Стойкостные испытания проводились при обработке стали 40Х (горячекатанная, твердость 180-200 НВ) на станке 16К20. Вид обработки: продольное чистовое и получистовое точение (глубина резания 0.3 - 0.5мм), без применения СОЖ.

Определены наилучшие режимы резания для некоторых материалов. Так, например, при точении стали 40Х (200 HV) без СОЖ (глубина резания 0.5 мм, подача 0.1 мм/об, скорость резания 30-35 м/ мин) период стойкости соответствует 30-45 мин. Указанный материал может работать при обработке данной стали при скорости резания в 1.8 - 2.1 раза превышающей скорость резания быстрорежущей сталью при том же периоде стойкости.

Проведены производственные испытания металлорежущих резцов, оснащенных разработанным материалом, при обработке деталей из алюминия и его сплавов. Так при резании сплава АК6 установлено, что разработанный инструмент имеет период стойкости около 60 мин на режимах резания, применяемых для твердосплавного инструмента при незначительном наростообразовании.

Результаты указанных испытаний свидетельствуют о том, что

разработанный инструментальный материал (при определенных условиях обработки) может быть заменителем быстрорежущих сталей и твердых сплавов. На основании стойкостных и производственных испытаний указанных инструментов даны практические рекомендации по рациональному использованию разработанного боросодержащего инструмента: получистовая и чистовая обработка цветных металлов и сплавов и незакаленных конструкционных сталей без значительных ударных нагрузок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Разработан боросодержащий инструментальный материал эвтектического типа, получаемый методом диффузионного легирования бором порошка быстрорежущей стали 10Р6М5 с последующим его компактированием [1-15].

2. Установлено позитивное влияние легирования бором на структуру и свойства разработанного материала:

- введение бора в исходную быстрорежущую сталь формирует новый материал эвтектического типа [3,12];

- бор повышает теплостойкость, сдерживая разупрочнение материала до температур свыше 600 °С[12,15];

- введение бора приводит к образованию в условиях трения скольжения на поверхности материала структур самосмазывания на основе оксида бора ВгОэ [1].

3. Установлены закономерности формирования разработанного материала в различных газовых средах. В инертных атмосферах (аргон, азот) самофлюсования материала не происходит. Бор выступает активным раскислителем и, поэтому процесс формирования инструментального материала: наплавку и спекание следует проводить в окислительной атмосфере (воздухе), за счет получения наилучшего качества материала[3,4,8,10,13].

4. Изучено структурообразование боросодержащего материала при его термообработке. Обнаружен факт дисперсионного твердения эвтектических боросодержащих сплавов. Дисперсионного твердения материала происходит в процессе отпуске при температуре В00°С и обусловлено выпадением высокодисперсных упрочняющих фаз. Наиболее полно указанный процесс протекает при двухкратном отпуске при данной температуре с продолжительностью каждого 0.5 часа[12,15]. Разработаны и изучены различные методы получения и обработки инструментального боросодержащего материала. Наилучшее качество и наиболее высокие физико-механические и эксплуатационные свойства достигаются при получении материала плазменной наплавкой с последующей закалкой материала из жидкого состояния с использованием электронно-лучевой обработки (плотность мощности 103 Вт/см2) и с проведением последующего двухкратного отпуска 800°С продолжительностью 0.5 часа[9,15].

5. Разработано несколько технологических схем оснащения

5. Разработано несколько технологических схем оснащения металлорежущих инструментов боросодержащим материалом системы Fe-B-C-W-Mo-Cr-V:

- плазменная наплавка порошкового материала на корпус инструмента;

- напайка пластины, полученной методом порошковой металлургии (прессование с последующим спеканием);

- крепление пластины «боросодержащее покрытие -подложка» на корпус инструмента. Выбран вариант наиболее приемлемый для реализации: напайка на корпус инструмента пластин «наплавленное боросодержащее покрытие - подложка» [8,14].

6. Проведены стойкостные и производственные испытания металлообрабатывающих инструментов, снабженных разработанным боросодержащим материалом, и определены области рационального применения разработанного материала: оснащение инструмента для получистовой и чистовой обработки незакаленных сталей, а также алюминия и его сплавов[8,14]. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения на ОАО Полоцком заводе «ПРОММАШРЕМОНТ» составляет 39790,6 тысяч рублей (по состоянию на март 1998 г.)

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Пантелеенко Ф.И., Снарский A.C. Особенности трибологического поведения пары боросодержащий инструментальный материал - деталь // Трение и износ.-1997.- Т. 18, №4. - С. 518-522.

2. Пат. BY 1411 С1, МКИ В23К 35/02, В23К 35/30. Состав порошка для наплавки/ Ф.И. Пантелеенко, В.М. Константинов, A.C. Снарский.- № 1411; Заявл. 16.05.94; Опубл. 16.12.96 // Афщыйны бюлетэнь/ Дзярж. пат. ведомства Рэсп. Беларусь.- 1996.- №4(2) - С. 135-136.

3. Наплавленные борсодержащие инструментальные покрытия/ Ф.И.Пантелеенко, В.М.Константинов., А.С.Снарский и др. // Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин : Тематический сб. №1 -Новополоцк: ПГУ, 1993г.- С. 13.

4. Пантелеенко Ф.И., Константинов В.М., Снарский A.C. Исследование изменений дисперсионного состава ДПС-порошков / / Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин: Тематический сб. №1 -Новополоцк: ПГУ. 1993. -С.44.

5. Пантелеенко Ф.И., Константинов В.М., Снарский A.C. Изучение влияния бора на теплостойкость газотермических покрытий» // Новые материалы и технологии: Сб.- Минск: Навука i тэхжка,1994.-С.189-190.

6. Применение шламовых отходов сталей в качестве сырья

назначения/ Ф.И.Пантелеенко, В.М.Константинов., А.С.Снарский и др. // Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин: Тематический сб. №2.-Новополоцк: ПГУ, 1995 .-С.90.

7. Снарский А.С. Моделирование процесса резания на модернизированной установке СМЦ-2. // Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин: Тематический сб. №2 - Новополоцк: ПГУ, 1995.-С.102-103.

8. Снарский А.С. Основы получения композиционных боросодержащих материалов инструментального назначения// Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин: Тематический сб. №3,- Новополоцк: ПГУ, 1997.-С. 34-35.

9. Груздев В .А., Пантелеенко Ф.И., Снарский А.С. и др. Основы электронно-лучевой обработки материалов/ В.А. Груздев, Ф.И;Пантелеенко, А.С.Снарский и др. // Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин: Тематический сб. №3.- Новополоцк: ПГУ, 1997,- С. 46-47.

10. Константинов В.М., Снарский А.С., Штемпель О.П. Исследование газотермических покрытий из боридосталей // Современная технология упрочнения, восстановления и механической обработки деталей с покрытиями: Тез. докл. науч. конф, Киев 23-24 ноября 1993г./Акад. наук Украины,- Киев,1993.- С.51-52.

11. Новые ДЛС-материалы для восстановительно-упрочняющих технологий/ Ф.И.Пантелеенко, В.М.Константинов., А.С.Снарский и др // Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин: Материалы Российской научно-практической конференции, Сб. 2/ Центральный Российский Дом знаний.- Москва, 1994.- С.105-107.

12. Konstantinov V.M., Snarski A.S. Investigation into selforganization processes of tool boridosteli properties // Nonleniar Phenomena in Complex Systems: Proc. Seminar.- Polozk, 1994.- P.402-405.

13. Снарский А.С. Особенности получения компактных композиционных материалов из самофлюсующихся боросодержащих порошков на железной основе. // 22 Гагаринские чтения: Тез. докл. научн. конф., ч.З/ МГАТУ.- Москва, 1996 .- С. 133-134.

14. Снарский А.С. Особенности инструментальной системы «наплавленное боросодержащее покрытие-подложка»// Технические вузы - республике: Материалы международной 52-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов.- Минск: БГПА, 1997.-С.138.

15. Разработка научных и технологических основ электроннолучевого воздействия на поверхность с целью создания материалов и покрытий с заданными свойствами.; Отчет о НИР (заключит.)/ ПГУ; Рук. А.С. Снарский,- № ГР 1996641. - Новополоцк, 1997г. - 71 с.

РЕЗЮМЕ Снарский Андрей Станиславович СОЗДАНИЕ БОРОСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ Ключевые слова: самофлюсующиеся порошки на железной основе, наплавленное покрытие, инструментальная пластина, боросодержащий инструментальный материал, термическая обработка, обработка металлов резанием.

В качестве объекта исследований выступает новый инструментальный материал, полученный методом диффузионного легирования бором порошка быстрорежущей стали 10Р6М5 с последующим его компактированием. Целью работы является разработка и исследование указанного материала.

Разработаны научные и технологические основы получения и термической обработки боросодержащего инструментального материала. Выбран наилучший способ получения данного материала: плазменная наплавка с последующей закалкой материала из жидкого состояния с использованием электронно-лучевой, обработки (плотность мощности 103 Вт/см2) и с проведением последующего двухкратного отпуска при температуре 800 °С продолжительностью 0.5 часа.

Металлорежущий инструмент, снабженный боросодержащим материалом, рекомендуется применять для чистовой и получистовой обработки незакаленных сталей, а также алюминия и его сплавов.

РЕЗЮМЭ Снарсю Андрзй Станиславав1ч АТРЫМАННЕ БОРАУТРЫМЛ1ВАЮЧАГА МАТЭРЫЯЛУ ДЛЯ МЕТАЛАРЭЗНАГА 1НСТРУМЕНТА Ключавыя словы: самафлюсавальныя парашю на жалезнай аснове, наплаулена© пакрыцце, ¡нструментальная пласцжа, бораутрымлшаючы ¡нструментапьны матэрыял, терммная апрацоука, апрацоука металау рэзаннем.

У якасщ аб'екта даследванняу выступав новы ¡нструментапьны матэрыял, атрыманы метадам дыфуз1йнага леправання борам парашку хуткарэзнай стал1 10Р6М5 з наступным яго кампактыраваннем. Мэтай працы з'яуляецца распрацоука I даследванне гэтага матэрыялу.

Распрацаваны навуковыя ! тэхналапчныя асновы атрымання \ термшнай апрацоук1 бораутрымл1ваючага ¡нструментальнага матэрыялу. Выбран найлепшы спосаб атрымання дадзенага матэрыялу: плазменная наплаука з наступнай загартоукай матэрыяла з вадкага стану з прымяненнем электронна-прамяневай апрацоук1 (шчыльнасць магутнасщ 103 Вт/смг) I з правядзеннем наступнага двухразовага водпуска пры тэмпературы 800 °С працягласцю 0.5 гадзшы.

Металларэзны ¡нструмент, аснашчаны бораутрымл!ваючым матэрыялам, рэкамендуецца выкарыстоуваць для чыставой i паучыставой апрацоук! незагартаваных сталей, а таксама алюммя i яго сплавау:

RESUME Snarsky Andrey Stanislavovich CREATION OF BORON-CONTAINING MATERIAL FOR METAL-CUTTING TOOLS

Key words: self-fluxing Fe-based powders, an alloyed coating, a tool-making plate, boron-containing tool-making material, thermal treatment, treatment of metals with cutting.

As an objekt of investigations a new tool-making material, obtained by the method of diffusive boron-alloying of the fast-cutting steel 10P6M5 powder with its consequent compakting, is taken. Elaboration and investigation of the above-indicated material constitute the aim of the work.

Scientific and technological fundamentals of obtaining and thermal treatment of a boron-containing tool-making material have benn worked out. The best method of obtaining the material has been chosen: plasma surfacing with consequent hardening of the material from the liquid state with electron beam treatment (the capacity density - 103W/cm2) and with consequent twofold tempering at the temperature of 800 °C held for a half hour duration.

It is recommended to use a metal-cutting toll supplied with a boron-containing material for finishing and semi-finishing treatments of non-hardened steels, as well as aluminium and its alloys.

СНАРСКИЙ Андрей Станиславович

СОЗДАНИЕ БОРОСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.05.98. Формат 60x84/16 Печать ксероксная Усл.-печ.л. 1,39 Уч.-изд.лЛ ,25 Тираж 100 Заказ

Отпечатано на ризографе Полоцкого государственного университета. 211440 г. Новополоцк, ул. Блохина, 29.