автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение режущих свойств твердосплавного инструмента на основе комплексного модифицирования его поверхности электронно-лучевым легированием сплавов NbHfTi и нанесением износостойкого покрытия (TiAl)N

На правах рукописи

ИЕ МИН СО

ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ

ЕГО ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ СПЛАВОМ 1ЧЬНП1 И НАНЕСЕНИЕМ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ

Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 Г.НВ 2015

005557954

Москва 2015

005557954

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научный руководитель: Федоров Сергей Вольдемарович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» Официальные оппоненты: Албагачиев Али Юсупович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологическая информатика и технология машиностроения», ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики», г. Москва Балков Виктор Павлович кандидат технических наук, заместитель генерального директора по научной работе ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ», г. Москва Ведущая организация Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Защита состоится 17 февраля 2015 г. в 1ц*С-0 часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 на базе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу 127994 Москва, ГСП-4, Вадковский пер. д.За.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения (организации), просим высылать в диссертационный совет Д 212.142.01 по указанному адресу. Ссылка на сайт организации: http://www.stankin.ru/science/dissertatsionnve-sovetv/d-212-142-01/

Автореферат разослан «Щ_» Ан&аря 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

олосова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Настоящая работа основана на модификации поверхности сменных многогранных пластин и цельных сверл из твердых сплавов группы ВК (ВК8, Н13А) для повышения их эксплуатационных характеристик при использовании двух вариантов технологий обработки поверхности, примененных последовательно: предварительного микролегирования сплавом Nb7oHf222Ti8 низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком и нанесения износостойкого вакуумно-дугового покрытия (TiAl)N.

Благодаря комбинированной обработке удается получить слой, обеспечивающий повышенную стойкость и меньшую интенсивность изнашивания рабочих поверхностей инструмента. В связи с этим данная работа является актуальной.

Степень разработанности. Существенное повышение износостойкости и прочностных характеристик твердосплавного инструмента можно получить, целенаправленно используя высокотехнологичные физико-химические методы поверхностного упрочнения твердых сплавов, применяя как традиционные, так и новые технологические процессы. Однако, метод модификации поверхности инструментов из твердого сплава, который предлагается в данной работе, ранее не применялся и его оригинальность подтверждается патентом РФ на изобретение № 2501865 «Способ упрочнения изделий из твердых сплавов».

Цель работы. Цель работы состоит в увеличении производительности сменных многогранных пластин ВК8, Н13А и цельных твердосплавных сверл (ВК8) за счет повышения стойкости при использовании комбинированной обработки, включающей в себя комплексное модифицирование поверхности инструмента электронно-лучевым легированием сплавом NbHfTi с последующим нанесением износостойкого покрытия (TiAl)N.

Для достижения цели необходимо решить следующие научные задачи:

1. Разработать технологию получения модифицированного поверхностного слоя легированием карбидообразующими элементами IV-V групп при помощи низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на инструменте из твердого сплава.

2. Осуществить комбинированную обработку СМП из сплава ВК8 и Н13А и сверл из сплава ВК8 на основе электронно-лучевого легирования сплавом Nb70Hf222Ti8 на установке «РИТМ-СП» и последующего нанесения износостойкого покрытия (TiAl)N на установке Platit л80.

3. Исследовать зависимость изнашивания по главной задней поверхности СМП от пути резания после комплексной обработки при резании стали 45 и никелевого сплава ЭИ968.

4. Исследовать зависимость изнашивания по уголку от времени работы цельных твердосплавных сверл с модифицированной режущей частью при сверлении синтеграна.

5. Научно обосновать рекомендации по повышению производительности резания твердосплавным инструментом с комплексной обработкой.

Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:

- способ обработки инструмента из твердого сплава, обеспечивающий возможность получения градиентного по химическому составу модифицированного слоя глубиной от 2 до 5 мкм;

- математическая модель влияния управляющих факторов процесса микролегирования поверхности на величину пути резания модифицированным инструментом.

Научная новизна работы состоит в: - разработке способа упрочнения инструментов из твёрдых сплавов, включающего нанесение на функциональную поверхность инструмента износостойкого покрытия, отличающегося тем, что перед нанесением износостойкого покрытия проводится нанесение металлического слоя из карбидообразующих элементов IV-V группы с последующим его облучением

низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком при длительности импульса 4-6 мкс и плотности энергии в пучке 4.5 - 6 Дж/см"; - выявлении взаимосвязи между управляющими факторами процесса микролегирования поверхности твердосплавного инструмента в составе комплексной поверхностной обработки и его режущими свойствами. Факторами являются: ускоряющее напряжение - и; количество обрабатывающих импульсов - п; время нанесения покрытия МЬНГП магнетроном - Т; давление рабочего газа в вакуумной камере при облучении - Р и количество циклов обработки - N.

достижении существенного снижения интенсивности изнашивания твердосплавного инструмента с комбинированной обработкой, благодаря уменьшению силы резания за счет смещения зоны изнашивания к вершине резца и уменьшения радиуса скругления режущей кромки р после его приработки из-за изменения условий взаимодействия с обрабатываемым материалом.

Теоретическая значимость работы заключается в установлении взаимосвязей между параметрами процесса физико-технической обработки твердосплавного инструмента и процесса резания: кинетикой изнашивания режущего инструмента после комплексной поверхностной обработки при точении и сверлении, силами резания, условиями стружкообразования, шероховатостью обработанной поверхности.

Практическая значимость работы заключается в:

- технологии комбинированной обработки режущих пластин, на основе электронно-лучевого легирования сплавом КЬНГП с последующим нанесением износостойкого вакуумно-дугового покрытия;

- технологических рекомендациях по назначению режимов формирования на поверхности твердосплавных пластин износостойкого комплекса, состоящего из легированного сплавом МЬ7[1НГ22ГП8 приповерхностного слоя и вакуумно-дугового покрытия (Т1А1)>1;

определении технологических условий, при которых применение твердосплавных пластин, модифицированных при комбинированной обработке, наиболее благоприятно для резания стали 40Х, жаропрочного сплава ЭИ698 и синтеграна.

Достоверность результатов подтверждается тем, что работа базируется на теориях резания и материаловедения, распространенных на универсальный инструмент из твердых сплавов. Достоверность полученных данных подтверждена стойкостными испытаниями, проведенными в лабораториях университета «СТАНКИН».

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на VII и VIII Международных научно-технических конференциях «Вакуумная техника, материалы и технология» (Москва, КВЦ «Сокольники», 2013, 16-18 Апреля; 2014, 15-17 Апреля), 11-й Международной конференции «Пленки и Покрытия -2013» (Санкт-Петербург, Политехнический Университет, 2013, 6 - 8 Мая) и 4Л International congress of high current electronics, modification of materials with particle bearns and plasma flows, and radiation physics and chemistry of condensed matter (Tomsk, Russia, September 21-26, 2014).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, 4 из них в изданиях, рекомендованных ВАК, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 90 наименований; содержит 120 страниц машинописного текста, 3 таблицы и 37 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, обозначены цель работы, научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе литературных данных приведен аналитический обзор, посвященный особенностям изнашивания твердосплавного инструмента

и методам повышения его стойкости. Рассмотрены основные методы модификации поверхности инструментальных материалов.

Влияние методов поверхностного упрочнения на взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемым материалом носит комплексный характер. Ряд общих факторов, характерных для большинства способов поверхностной обработки инструмента, определяет эффективность используемого метода упрочнения. Выявлено, что для режущего инструмента, работающего при значительных напряжениях на поверхности, существенным является не только твердость поверхностного слоя, но и его пластичность.

Установлено, что в большинстве случаев разрушение системы покрытие-поддожка начинается с пластической деформации подложки вблизи границы раздела, когда эта система подвергается сравнительно сильному нагружению. После нанесения покрытия, при всех его достоинствах, у границы раздела в подложке возникают растягивающие напряжения, что может уменьшить нагрузочную способность и усталостную прочность инструмента. Снизить внутренние напряжения в покрытии возможно при использовании комплексной обработки поверхности. Получается новый материал композиционного типа, в котором сочетаются высокие физико-химические свойства поверхностного слоя и необходимые свойства основы (высокая прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т. д.).

Создание в поверхностном слое твердых сплавов структурно-неравновесных состояний в процессе импульсного электронно-пучкового легирования представляется перспективной обработкой твердого сплава в составе износостойкого комплекса перед нанесением износостойкого покрытия. Учитывая крайнюю малочисленность исследований различных аспектов проблемы комплексной обработки, показана недостаточность изученности данной проблемы.

Во второй главе приведено описание используемых материалов, оборудования и методик исследования комбинированной обработки твердосплавных пластин.

Образцы твердосплавного инструмента из твердых сплавов ВК8 и Н13А

(аналог ВКбОМ) были покрыты при помощи магнетрона сплавом Nb7oHfj2Ti8 толщиной 0.2 мкм, затем обработаны импульсами

длительностью около 5мкс низкоэнергетического сильноточного электронного пучка Рис. 1. Схема цикла формирования (НСЭП) в установке «РИТМ-СП».

теерхтстного стаев Обработка проводилась несколько

раз (повторение операций нанесение-облучение), что позволило создать модифицированный слой глубиной до 5 мкм. Сущность метода состоит в расплавлении поверхности детали вместе с легирующим элементом предварительно нанесенным на обрабатываемый участок. Поверхностный слой с заданным химическим составом оказывается вплавленным в подложку и составляет с ней единое целое (рис. 1). Затем градиентное покрытие (TiAl)N толщиной 5-7 мкм было нанесено в установке Platit я80.

Стойкостные испытания проводились на токарно-винторезном станке 16К25 при торцевом точении стали 40Х. Режим резания подбирался таким образом, чтобы достигнуть катастрофического износа резца за один проход инструмента. Данная методика позволяет достаточно быстро (длительность испытания, как правило, не превышает 1 минуту) оценить работу поверхностного слоя резца. Режимы резания: глубина 1мм, подача 0.05 мм, частота вращения шпинделя до 1800 об/мин. Точение производилось от центра заготовки к краю, при этом скорость резания изменялась от 288 до 1084 м/мин (рис. 2). По завершении прохода резца измерялся профиль торцевой поверхности заготовки с целью определения отклонения размера заготовки, вызванного износом резца, при помощи контурографа фирмы MAHR с точностью 1 мкм. Определялось значение L, при котором начинался катастрофический износ инструмента.

мишень пяенка

^^^^ нанесение . пленки

шпучок

Рис. 2. Торцевое точение стали 40Х Эксперименты по определению износостойкости модифицированных по режиму близкому к оптимальному твердосплавных пластин Н13А проводились на диагностическом стенде, созданном на базе токарного станка фирмы Jesco Machinery 1650ENC, укомплектованного трехкомпонентным динамометром «9257ВА» фирмы Kistler. Проводилось продольное точение цилидрической заготовки из жаропрочного сплава ЭИ698 (ХН73МБТЮ) на следующих режимах: скорость резания v= 47м/мин; продольная подача s=0,12 мм/об; глубина резания t= 0,5мм. В качестве критериев оценки износостойкости пластин рассматривалось изменение в процессе обработки равнодействующей

Шсилы резания и величины износа по задней

Были проведены сравнительные испытания Л цельных спиральных твердосплавных сверл из ™ сплава ВК8 (К20 по ISO) диаметром 10 мм (угол ™ при вершине 2<р = 125°, задний угол а= 10°, , ЦШ передний угол у = 55°, угол наклона винтовой

канавки ы = 28°), прошедших комплексную f ^ - поверхностную обработку в сравнении с

такими же сверлами, но без обработки и со сверлами с таким же ионно-плазменным покрытием. Исследования проводились в лаборатории МГТУ «СТАНКИН» на обрабатывающем центре, созданном на

Рас. 5. Блок аттеграна я» обрабатьтающем центре во время его обработки

базе станка 24К40СФ4, оснащенном числовым программным управлением (ЧПУ) Р1ехТ\С-70 фирмы «СТАНКОЦЕНТР» (рис. 3). Опыты по сверлению были проведены на заготовке синтеграна при постоянной скорости резания у = 41м/мин и постоянной осевой подаче 5 =20 мм/мин. Критерием отказа инструмента было выбрано достижение износа по задней поверхности А, = 1 мм, измеренного на режущей кромке сверла на расстоянии 2 мм от наружного диаметра сверла.

В третьей главе рассматриваются закономерности формирования приповерхностного модифицированного слоя на пластинах из твердого сплава, возникающие при комбинированной обработке.

В процессе электронно-импульсного облучения твердого сплава в его поверхностном слое формируется зона нагрева, температурный профиль которой с поверхности в объем материала в значительной мере определяется факторами процесса. Температура в приповерхностном слое достигает значений, превышающих температуру плавления компонентов системы.

Нанесение на поверхность инструмента тонкого слоя карбидообразующих элементов IV - V группы перед обработкой электронным лучом позволяет за счет микролегирования получить многофазную карбидную структуру. Если в большинстве процессов спекания металлокерамики термодинамическим стимулом структурных превращений является уменьшение поверхностной энергии, то в данном случае этот фактор действует на фоне более мощного -изменения химического потенциала системы. Появление расплава в объеме более тугоплавких частиц приводит к резкому увеличению межфазной поверхности и возрастанию скорости реакции карбидообразования.

Решение использовать карбидообразующие элементы ЫЬ и Щ которые имеют высокое сродство к углероду (значительно сильнее, чем у XV) и образуют устойчивые карбидные фазы, было принято, чтобы связать образующийся при облучении НСЭП \УС свободный углерод. Кроме того, МЪС и НГС имеют возможность образовывать нестехиометрические структуры, диапазон нестехиометрии которых варьируется от 0.5 до 0.97. Это, в частности.

позволяет избежать накопления свободного углерода вдоль дислокаций и границ зерен карбидов и предотвратить растрескивание поверхности из-за остаточных термических напряжений.

Благодаря легированию гафнием на поверхности модифицированного слоя, удается получить многофазную структуру без микротрещин, состоящую в основном из двух ГЦК фаз у-\УС и (ЫЬ,НГ,"Л)СХ с достаточно близкими периодами решетки 0.423-0.429 и 0.435-0.438 нм соответственно (рис. 4), таблица 1.

в

Рис. 4. Оптические светло-(а) и темнопольное(б) изображения поверхности пластины ВК8 и дифрактограмма после легирования обработкой НСЭП(в)

Таблица. 1. Фазовый состав поверхности сплава ВК8 после облучения НС.ЭП

Фаза стр.тип Об.доля, % Вес.доля, % Периоды, анг.

WC ( type Bh ) hP3/2 20.4 ± 0.1 30.1 ± 0.1 A= 2.895, C= 2.832

Y-WC (type В1 ) CF8/2 17.0 ± 0.1 23.5 ± 0.1 A= 4.233

(Nb,Ti) С (type В1 ) CF8/2 54.3 ± 0.2 32.9 ± 0.2 A= 4.375

W2C (type L'3 ) hP4/6 8.2 ± 0.1 13.5 ± 0.1 A= 2.989, C= 4.696

Взаимодействие легирующего слоя и твёрдого сплава можно оценить по распределению вольфрама и кобальта в промежуточном слое. Концентрации Nb, Hf и W в промежуточном слое свидетельствует о перемешивании твёрдого сплава с легирующим покрытием (рис. 5. а). Наблюдаемая картина свидетельствует об образовании многокомпонентного сплава (Hf NbTi W) С между WC/Co основой и (TiAl)N покрытием (рис. 5. б).

а б

Рис. 5. а) Изображение ят&яш пластины Н13А во вторичных электронах (косой шлиф), б) Распределение химических элементов в приповерхностном слое

С другой стороны, структура модифицированного слоя переходит в структуру исходного твердого сплава. В этой области наблюдается зональная ликвация кобальта. Содержание кобальта в переходной зоне, составляющей 2-3 мкм, которая хорошо вытравливается на металлографическом шлифе, в случае сплава ВК8 до четырех раз превышает его содержание в исходном сплаве. Существование такой ликвации можно объяснить тем, что кобальтовая фаза, как кристаллизующаяся последней, перемещается вместе с жидкой фазой на границу зоны термического влияния. Процессу вытеснения также способствует большая разница удельных плотностей карбидов и жидкого кобальта.

Наличие зоны, обогащенной кобальтом, подтверждается данными измерения микротвердости на поперечном шлифе. На границе зоны термического влияния наблюдается ее существенное снижение. Далее

наблюдается упрочненная зона глубиной до 50 мкм. При этом значения микротвердости на глубине до 30 мкм могут быть выше на 150 - 200 единиц по сравнению с микротвердостью основы. Максимум наблюдается на глубине порядка 20 мкм (рис.6).

В четвертой главе рассматривается влияние

характеристик износостойкого комплекса на режущую способность

твердосплавного инструмента.

В качестве управляющих факторов процесса микролегирования поверхности твердого сплава рассматривались: ускоряющее напряжение - U, от которого зависит плотность энергии пучка: время (то есть толщина предварительного покрытия) нанесения на поверхность резцов при помощи магнетрона состава NbHiTi - Т; количество обрабатывающих импульсов - п; давление рабочего газа в вакуумной камере во время облучения - Р; и, наконец, количество циклов обработки (повторение операций нанесение - облучение) -N. Оптимизация величин факторов электронно-импульсного облучения, на основе экспериментальных данных, позволяет формировать в поверхностном слое модифицированную структуру твердого сплава в значительной мере влияющую на стойкость сплава в условиях резания металла.

Параметром, по которому оценивалось качество обработки, была выбрана величина пути резания L, при достижении которой наступал катастрофический износ режущей пластины в экспериментах по торцевому точению стали.

Полученная неполная экспоненциально-степенная мультипликативная стохастическая модель для сплава ВК8 имеет вид: L = 2.4 104 U"239T° 17п048Р040№30ехр(0.13и - 0.02Т -О.ОЗп -0.11Р + 0.02N) (1)

С 20 40 60 80 100 120 км

| • BKS ышфопетрое-лме HWi |

Рис. 6. Микротеердостъ по сечению пластины BKS после микролегирования.

Значения параметров математической модели, а также коэффициент и показатели степеней определялись методом наименьших квадратов. Математическую модель путем подстановок приводили к линейному виду, формировали систему линейных уравнений и решали их методом последовательного исключения неизвестных.

Из полученной модели можно определить необходимые значения управляющих факторов: оптимальное значение ускоряющего напряжения 18 кВ; оптимальное количество обрабатывающих импульсов — 5; оптимальное время нанесения покрытия "ЫЬНГП магнетроном составило 2 минуты 35 секунд; оптимальное давление рабочего газа (аргона) в вакуумной камере при облучении составило 4x10"" Па. Оптимальное количество циклов обработки - 4. Оптимальные режимы обработки для сплава ВК8 и пластин Н13А практически совпадают.

По результатам торцевого точения стали 40Х обнаружено, что интенсивность изнашивания сШр/с1Ь (Ьр - размерный износ резца, Ь — путь резания) для пластин без обработки приблизительно в два раза выше по сравнению с образцами с износостойким покрытием и с комплексной обработкой, где она почти одинакова. Но режущие пластины только с износостойким покрытием разрушаются значительно раньше. Катастрофическое разрушение образца без обработки и образца с износостойким покрытием ("ПА1)Ы начинается при достижении отклонения размера заготовки около 0.15 мм. При этом происходит разрушение режущей кромки инструмента, что просматривается по поведению кривой размерного износа. Резец с комплексной обработкой «держит» режущую кромку до отклонения в 0.2 мм. На пластинах Н13А с комплексной обработкой режущая кромка выдерживает нагрузку вплоть до разрушения материала основы из-за перегрева (рис. 7).

Проведенные исследования по изнашиванию сменных многогранных пластин Н13А на операции точения жаропрочного сплава показали, что электронно-лучевое легирование в сочетании с покрытием изменяет место

а о

Рис. 7. Изменения размера заготовки при торцевом точении стали 40Х. а) ВК8 (t = 1 мм, s = 0,05 мм/об, п = 1250 об/мин); б) HI3A (t = 1,2 мм, s = 0,05 мм/об, п = 1800

об/мин)

расположения очага износа инструмента и существенно снижает интенсивность его изнашивания.

При резании инструментом без обработки превалирующий очаг износа располагается у вершины пластины. У инструмента с покрытием без микролегирования после обнажения основы условия трения по задней поверхности все более приближаются к тем, которые характерны для инструмента без покрытия. Для инструментов с износостойким покрытием и комплексной обработкой наблюдается блокирование развития износа у вершины, что существенно замедляет наступление стадии катастрофического износа. Комплексная обработка заметно сдерживает образование лунки износа на передней поверхности. Зона износа на таких пластинах располагается ближе к вершине инструмента, чем у пластин только с износостойким покрытием, но при этом износ по вершине пластины не развивается. Поверхностный модифицированный слой, сформированный комплексной обработкой, обладает лучшей сопротивляемостью микроскопластическим деформациям и химической пассивностью, что приводит к существенному снижению мощности основного источника теплоты для режущего клина инструмента и, как

следствие, способствует торможению процессов разупрочнения у задней поверхности (рис. 8).

шЩ

шм

Рис. 8. Изнашивание режущих пластин Н13А при точении жаропрочного сплава; а -б) пластина без покрытия; в - г) пластина с покрытием; д - е) пластина после комплексной обработки

Прирост стойкости пластины после комплексной обработки, включающей в себя легирование при помощи НЭСП и последующее нанесение покрытия ("ПА1)>4, по критерию сил резания составил до 100% по сравнению с пластинами без обработки и до 75% по сравнению с пластинами только с износостойким покрытием (рис. 9 а). Увеличение стойкости по критерию величины износа по задней поверхности составило порядка 400-500% по сравнению с пластинами без обработки и до 40% по сравнению с пластинами только с износостойким покрытием (рис. 9 б).

Рис. 9 а)Величины равнодействующей силы резания от времени работы резца б) износ режущей пластины по задней поверхности от времени работы резца

Характер изнашивания цельных твердосплавных сверл из сплава ВК8 при сверлении синтеграна без СОЖ определяется спецификой формирования стружки. Увеличение температуры в зоне взаимодействия сверло-синтегран приводит к плавлению связки.

Тем не менее, несмотря на увеличение износа со временем, сверла продолжали работать без заметного увеличения крутящего момента и осевой силы. Сверла без покрытия изнашиваются быстрее, чем сверла с покрытием (TiAl)N, до полутора - двух раз, и до трех-четырех раз, чем сверла с комплексной обработкой (Рис. 10). При достижении критерия отказа инструмента периоды стойкости сверл составили соответственно 11, 24, 38 мин. в среднем.

Величина осевой силы для сверл с комплексной обработкой до 15% ниже по сравнению с необработанным инструментом и до 10% по сравнению со сверлами только с ионно-плазменным покрытием. Отмечено, что изменение величины осевой силы по мере износа сверл во всех случаях незначительно (в пределах 5%), а изменения величины крутящего момента более существенны (до 20%).

а б

Рис. 10. Зависимости времени резания (а) и величины крутящего момента (б) от величины износа инструмента по задней поверхности при постоянных скорости резания и осевой подаче при сверлении сиитеграна. . 1 - исходное сверло, 2 - сверло с покрытием (ТЫЩ без микролегирования, 3 - сверло с комплексной обработкой

Таким образом, комплексная обработка позволяет в наибольшей степени оптимально использовать сочетание прочности и вязкости основы инструментального материала, микротвердости и теплостойкости модифицированного слоя, износостойкости, химической инертности и диффузионной пассивности тугоплавкого соединения (Т)А1)М, используемого в качестве покрытия. Поскольку комбинированная обработка сильно трансформирует характеристики контактных и тепловых процессов при резании и изменяет поверхностные свойства твердосплавного инструмента, оптимальные условия эксплуатации инструмента будут несколько отличаться от эксплуатации обычного инструмента. Критические температуры для упрочненного инструмента будут достигаться при больших скоростях резания. А уменьшение силы резания позволяет поднять производительность обработки за счет увеличения подачи и глубины резания.

Основные результаты работы и выводы.

1. В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в повышении режущих свойств твердосплавного инструмента на основе комплексного модифицирования его поверхности электроннолучевым легированием сплавом NbHfTi и нанесением износостойкого покрытия (TiAl)N и в определении взаимосвязи между управляющими факторами процесса микролегирования поверхности твердосплавного инструмента в составе комплексной поверхностной обработки и его режущими свойствами, что позволило создать новый технологический процесс, имеющий значение для инструментального производства.

2. Совмещение импульсного электроннолучевого переплава поверхности твердых сплавов ВК8 и Н13А с магнетронным напылением сплава NbyoF^Tig и последующего нанесения покрытия (TiAl)N способно создать композиционный инструментальный материал с градиентным переходом от карбидной основы к покрытию, до двух раз продляющий ресурс работы такого инструмента по сравнению с традиционным инструментом с износостойким покрытием.

3. На основании установленных связей построена математическая модель, описывающая зависимость износостойкости режущей кромки пластины по величине изменения размера обработанной детали от основных факторов процесса микролегирования поверхности образцов твердого сплава, что позволяет сформулировать технологические рекомендации.

4. Прирост стойкости СМП Н13А при резании жаропрочного сплава ЭИ968 после комплексной поверхностной обработки по критерию сил резания составил до 100% по сравнению с пластинами без обработки и до 75% по сравнению с пластинами только с износостойким покрытием. Увеличение стойкости по критерию величины износа по задней поверхности составило порядка 400-500% по сравнению с пластинами без обработки и до 40% по сравнению с пластинами только с износостойким покрытием. Наблюдается

смещение зоны изнашивания к вершине резца и уменьшение радиуса скругления режущей кромки р после приработки пластины.

5. Сверление синтеграна спиральными сверлами с описываемыми выше свойствами, показывает что, использование твердосплавных сверл только с покрытием (TiAl)N увеличивает стойкость сверл в 1.5-2 раза, в то время как сверла с комплексной обработкой увеличивают стойкость в 3 - 4 раза при сверлении без использования СОЖ.

6. Полученные результаты и рекомендации могут быть использованы при создании перспективных твердосплавных режущих инструментов и назначении для них режимов резания.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Йе Мин Со. Комплексное модифицирование поверхности карбидного инструмента: Прогрессивные технологии в современном машиностроении / C.B. Федоров, М.Д. Павлов, A.A. Окунькова, Йе Мин Со.-2012.-№8- С. 50-52.

2. Йе Мин Со. Комплексное модифицирование поверхности карбидного инструмента легированием NbHfTi с последующим нанесением износостойкого покрытия (TiAl)N: Трение и износ / С.Н. Григорьев, C.B. Федоров, М.Д. Павлов, A.A. Окунькова, Йе Мин Co.-2013-Том 34, №1.-С. 599-605.

3. Йе Мин Со. Исследование процесса сверления синтеграна твердосплавными сверлами с комплексным модифицированием режущей части: Вестник МГТУ «СТАНКИН» / Йе Мин Со, В.И. Кокарев, C.B. Федоров, А.К. Велис,- 2013.-№3- С. 45-49.

4. Йе Мин Со. Комплексное модифицирование поверхности карбидного инструмента злектронно-лучевым легированием сплавом NbHfTi с последующим нанесением износостойкого покрытия (TiAl)N: Вакуумная техника, материалы и технология / C.B. Федоров, М.Д. Павлов, A.A. Окунькова, Йе Мин Co.- 2013,- №8.- С. 221-225.

5. Йе Мин Со. Комплексная обработка твердосплавного инструмента, включающая в себя обработку низкоэнергетическим сильноточным

электронным пучком и последующее нанесение износостойкого покрытрия: Пленки и покрытия / С.В. Федоров, М.Д. Павлов, А.А. Окунькова, Йе Мин Со-2013,- №11.-С. 72-74.

6. Йе Мин Со. Закономерности формирования приповерхностного слоя на металлокерамике, модифицированного при микролегировании низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком: Наноинженерия / Йе Мин Со, С.В.Федоров, А.А.Окунькова, Мин Тхет Со.-2014.-№7- С. 3-6.

7. Йе Мин Со. Сверление синтеграна твердосплавными сверлами с комплексным модифицированием режущей части: Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении / Йе Мин Со,

B.И. Кокарев, С.В. Федоров, А.К. Велис.- 2014,-№3.- С.127-129.

8. Ye Min Soe. Combined surface treatment of hard alloy cutting tool: International congress of high current electronics, modification of materials with particle beams and plasma flows, and radiation physics and chemistry of condensed matter / Ye Min Soe,FedorovS.V, Okunkova A.A.-2014-№4-C. 353.

9. Йе Мин Co. Комбинированная поверхностная обработка инструмента из твердых сплавов: Известия высших учебных заведений, физика / Йе Мин Со,

C.В.Федоров, А.А.Окунькова. - 2014. - том 57. - №10/3. - С. 283-287.

10. Йе Мин Со. Патент на изобретение №2501865, Способ упрочнения изделий из твердых сплавов / Йе Мин Со, А.В. Кабанов, С.В. Федоров, А.А. Вислагузов, М.Д. Павлов,- № 2012134117, заявлено 09.08.2012.

Научное издание

ЙЕ МИН СО

ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЕГО ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ СПЛАВОМ NbHfTi И НАНЕСЕНИЕМ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ (TiAl)N

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 30.12.2014 Формат 60х 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 15.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» 127055, Москва, Надковск.'ш пер., За Тел.: 8(499)973-31-93