автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Синтез электродных материалов для повышения функциональных свойств покрытий на деревообрабатывающих инструментах при электроискровом легировании

На правах рукописи

Казанников Олег Вячеславович

СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ НА ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТАХ ПРИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОМ ЛЕГИРОВАНИИ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

1 * МАР 2013 005050646

Комсомольск — на - Амуре -2013

005050646

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск) на кафедре «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей».

Научный руководитель: Мулиа Юрий Иванович, доктор технических

наук, профессор кафедры «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей», заслуженный изобретатель РФ (г.Хабаровск)

Официальные оппоненты: Ким Владимир Алексеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология новых материалов» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ» (г. Комсомольск-на-Амуре)

Копевцов Леонид Алексеевич,кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории «Композиционных материалов», ФГБУН «Институт материаловедения» Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук» (г. Хабаровск)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО « Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (г. Хабаровск)

Защита состоится «26» марта 2013 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.01 при ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ауд. 201 корпус 3. Факс 8(4217) 53-61-50; e-mail: mdsov@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Отзывы на реферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по выше указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан февраля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.И. Пронин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Развитие современного машиностроения связано с применением новых нро-фсссивных технологических процессов, позволяющих повысить ресурс, надежность машин и оборудования, обеспечить работоспособность инструментов в условиях динамических, статических, контактных, силовых и тепловых нагрузок. Это определяет необходимость разработки новых и совершенствование уже известных технологий упрочнения материалов энергетической обработкой.

В деревообрабатывающем производстве многие операции выполняются с использованием инструмента различного технологического назначения. Производительность таких операций и качество получаемой продукции напрямую зависят от того, насколько производителен и качественно выполнен сам деревообрабатывающий инструмент. Существует большое разнообразие инструментов различного конструктивного исполнения, изготовленных из углеродистых, легированных и быстрорежущих инструментальных сталей, имеющих более низкую цену по сравнению с инструментами, оснащенными пластинами из твердого сплава, и позволяющих производить их заточку и ремонт непосредственно на объектах производства. Данные инструменты работают в условиях высоких температур нагрева (300350 С), значительных величинах циклических удельных давлений (до 500 МПа и-более), высокой влажности, что увеличивает внутренние напряжения и приводит к поломке тела инструмента. Неоднородность структуры обрабатываемой древесины и присутствие абразивных включений в коре вызывает выкрашивание режущих кромок. Простои, связанные с заменой и ремонтом инструментов, составляют 1020% продолжительности рабочей смены. Для увеличения стойкости режущих инструментов известны следующие методы упрочнения: оснащение зубьев инструмента пластинами твердого сплава (1); наплавка на лезвие литых твердых сплавов (2); электроконтактная закалка зубьев пил (3); закалка зубьев в поле 'ГВЧ (4); использование технологий химико-термической или термомеханической обработки (5). Однако конструктивные особенности режущих инструментов для первичной переработки лесоматериалов имеют следующие особенности: толщина зубьев режущей части имеет размеры от 1,0 до 1,6 мм, что не позволяет воспользоваться методами 1 и 2 (небольшая величина поверхности для установки и наплавки пластин). Испытания остальных методов свидетельствуют о возможности увеличения ресурса лишь на 20...70 %, что не обеспечивает значительног о повышения стойкости.

Предлагается использовать метод электроискрового легирования (ЭИЛ), который позволяет 1! несколько раз улучшить эксплуатационные показатели данных изделий. Создание и применение новых анодных материалов, усовершенствований технологии обработки позволит уменьшить себестоимость процесса ЭИЛ с повышением функциональных характеристик деревообрабатывающих инструментов.

Исследованию и совершенствованию данного метода посвящены труды Б.Р. Лазареико, Н.И. Лазаренко, А.Д. Верхотурова, А.Е. Гитлевича, Б.II. Золотых, В.А Кима, Ю.И. Мулина, С.II. Химухина, С.А. Пячииа и многих других ученых.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ кафедры «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей», «Тихоокеанского государственного университета» по направлению «Про-

блемы машиностроения». Актуальность темы диссертационной работы подтверждена выполнением научно-исследовательских работ ТОГУ №03/09 «Создание малогабаритных установок для ЭИЛ» и № 05/10 «Разработка технологии электроискрового многослойного упрочнения режущих инструментов лснточнопильпых станков для внедрения в промышленность и в учебный процесс».

Цель работы заключается в металлотермическом синтезе новых электродных материалов (ЭМ) из реакционной шихты, содержащей шеелитовый концентрат ДВ региона, пластифицирующие элементы (№ и Со) в виде оксидных соединений и флюсующие добавки нитрат натрия (КаЫ03), фтористый калыдай(СаР2), оксид железа (Ре20з) и разработке технологии получения на поверхности инструментов качественных покрытий с применением синтезированных ЭМ для повышения стойкости деревообрабатывающих инструментов и производительности процесса электроискрового легирования.

В соответствии с целыо работы решались следующие задачи:

1. Анализ факторов, влияющих на стойкость дереворежущих инструментов, и исследование физико-геометрических параметров измененного поверхностного слоя (ИПС) вследствие упрочнения их методом ЭИЛ

2. Обоснование целесообразности использования ЭМ, синтезированных из шеелнтового концентрата и пластифицирующих элементов в виде оксидных соединений для повышения стойкости дереворежущих инструментов.

3 Исследование зависимости изменения физико-механических свойств ИПС па режущих поверхностях инструментов от энергетических параметров процесса ЭИЛ.

4 Повышение эффективности процесса ЭИЛ посредством удаления из зоны легирования твердых продук тов эрозии электродов.

5. Обоснование целесообразности промышленной реализации технологий упрочнения инструментов синтезированными материалами при ЭИЛ па лесоперерабатывающих предприятиях Хабаровского края.

Объект исследования

Объектами исследования являются режущие части инструментов для предварительной обработки древесины (зубья ленточных пил, резцы пильных цепей, клиновые поверхности фуганочных ножей), обработанные синтезированными ЭМ методом ЭИЛ.

Научная новизна работы

1. Для упрочнения деревообрабатывающих инструментов синтезированы новые электродные материалы (патент №2428279 (51)) систем \V-Cr-Co и \V-Ni-Ci-для ЭИЛ методом алюминотермии из реакционной шихты, содержащей шеелитовый концентрат (Са\¥04), пластифицирующие легирующие элементы (№, Сг, Со) в виде оксидиых соединений и флюсующие добавки №N03, СаР2,1''е203.

2. Установлена и научно обоснована экстремальная зависимость повышения прочности сцепления покрытий со стальной основой (5ХГМ) в зависимости от энергетических параметров ЭИЛ, и определены их предельные значения (\УП = 8 -8,2 кДж/см2 , т„=(84 - 87)10"6с, Г„=600Гц), при достижении которых прочность сцепления не увеличивается. При ЭИЛ численное значение выделенной энергии

является одним из ограничивающих критериев при определении рациональных технологических режимов процесса ЭИЛ.

3. Установлена закономерность влияния энергетических параметров процесса ЭИЛ на шероховатости Ra, средний шаг неровностей Sm, волнистость и относительные опорные длины профилей tp. Зависимость параметра шероховатости Ra от величины выделенной энергии для исследованных электродных материалов при частоте импульсов от 100 до 600 Гц имеет возрастающий характер. Определены граничные значения выделенной энергии (Wn= 8-9 кДж/см2), при которых на обрабатываемой поверхности начинается образование волнистости.

4. Применение метода определения динамической микротвердости ira кромках лезвий дает более точные результаты прогнозирования стойкости инструментов для деревообработки. Наибольший эффект повышения динамической микротвердости I-Id (в 3,1 раза) и коэффициента динамического упрочнения Ку ди„ (в 2,8-3,1 раза) наблюдается при использовании синтезированных электродов систем W-Cr-Со , W-Ni-Cr.

5. Выявлено и экспериментально подтверждено негативное влияние твердой фазы па скорость образования покрытия при ЭИЛ, научно обоснована целесообразность снижения доли данной фазы посредством механического удаления твердых частиц из зоны легирования путем обдува сжатым воздухом при давлении 0,11,5 МПа. При этом производительность процесса ЭИЛ повышается в 2,3-2,6 раза.

Достоверность

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных методик испытаний модифицированных поверхностей па современном оборудовании с обработкой результатов экспериментов методами математической статистики и подтверждением результатов исследований на опытно-промышленных испытаниях.

Практическая значимость работы

1. Разработанная технология получения анодных материалов из реакционной шихты сложного состава методом алюминотермии может быть предложена к внедрению на предприя тиях деревообрабатывающей промышленности и ГОК.

2. Предложенный метод исследования динамической микротвердости предлагается использовать для прогнозирования функциональных характеристик па кромках лезвий режущих инструментов и как экспресс-тест определения твердости различных клиповых поверхностей.

3. Разработаны и внедрены па лесоперерабатывающих предприятиях технологии получения упрочняющих покрытий ЭИЛ для повышения стойкости рабочих поверхностей леточпых пил, фуганочных ножей и пильных цепей, акты производственных испытаний которых приводятся в приложении к диссертации.

Апробация работы

Основные результаты исследований докладывались па международной конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии» (27 - 30 сентября 2010 года Комсомольск-па-Амуре), па международных симпозиумах: «Современные материалы и технологии 2009», «Современные материалы и технологии 2011» (5-9 октября 2009 г и 24 - 28 октября 2011 г.Хабаровск), на Петербургской технической ярмарке «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» получен диплом 2 степени и серебряная медаль (Санкт-Петербург, март 2010г). На X Московском международном салоне «Инновации и инвестиции» (Москва, сентябрь 2010 г.)

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 работах (в том числе 2 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК). Получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и списка литературы из 86 наименований. Работа изложена на 154 страницах, включая 39 рисунков, 19 таблиц и 1 приложение.

Основное содержание работы

Во введении изложена актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи диссертациониой работы, раскрыты научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассматриваются основные параметры, условия работы деревообрабатывающих инструментов для предварительной обработки древесины, (ленточные пилы, пильные цепи, фуганочные ножи) изготовленных из инструментальных сталей, а также факторы, влияющие на их стойкость. Ключевыми особенностями функционирования и конструкции данного вида инструмента являются увеличенный таг режущих частей(7-20 мм), значительная глубина резания(1-2 мм на зуб), малая толщина как режущей части, так и тела инструмента (0,7-3,2 мм), высокие скорости резания (15-85 м/мин), что позволило сделать вывод о их циклической работе с большими ударными нагрузками. На основе проведенного анализа существующих способов упрочнения режущих частей инструментов, а также их характеристик обоснованно применение метода ЭИЛ. Определены основные физические и геометрические параметры ИПС: толщина ИПС не должна превышать величины допуска размеров рабочих частей инструмента и иметь допустимую шероховатость; поверхностный слой должен иметь хорошую прочность сцепления с основным металлом (не ниже наплавки); ИПС должен быть стойким к длительному воздействию высоких температур (350-500°С).

Изучены основные теории и модели процесса ЭИЛ. Рассмотрены особенности, даны характеристики данного процесса с отражением его достоинств и недостатков в сравнении с другими методами поверхностного упрочнения и легирования. Описаны процессы формирования ИПС, эрозии электродных материалов. Даны особенности формирования структур однослойных покрытий. Изучены и проанализированы рекомендации по использованию электродных материалов для упрочнения легированных сталей. Представлены основные схемы установок для ЭИЛ.

Во второй главе па основе анализа специфики работы, конструкций, физико-механических свойств дереворежущего инструмента, рекомендаций ведущих ученых по подбору ЭМ и обоснованных в первой главе параметров ИПС, были сформулированы требования к составам электродов, применяемых для упрочнения режущих частей инструмента: материалы электродов в процессе ЭИЛ должны образовывать с подложкой неограниченные твердые растворы; необходимо наличие в материале электрода пластифицирующей фазы (Со, Ni) уменьшающей внутренние напряжения, возникающие в материале электрода под действием циклических тепловых и механических нагрузок искрового разряда; доступность приобретения сырья для производства электродов; простота технологического процесса изготовления электродных материалов.

В соответствии с выше изложенным, наиболее применимым для сиитеза новых ЭМ является метод алюминотермии, на основе которого нолучепы ЭМ систем Сг-Со и \V-Ni-Cr, имеющие в своем составе легирующие элементы, позволяющие повысить твердость и уменьшить хрупкость ИПС. Сущность метода алюмииотср-мии заключается в восстановлении оксидов и других соединений переходных металлов металлом-восстановителем (алюминием) при температуре более 2450°С в присутствии шлакообразующих соединений и элементов. Используемая реакционная шихта включает шсслитовый концентрат Лермонтовской горнорудной компании, порошкообразный алюминий, оксид железа, нитрид натрия, фторид кальция и легирующие добавки (оксидов хрома, никеля, кобальта). Порошкообразный алюминий частично заменялся опилками и стружкой, полученными при механической обработке алюминиевых деталей. Шеелитовый концентрат имеет следующий состав {в об%}: \У03 -55,4; СаО - 19,8; БЮ;,- 7,96; М§0 - 2,45; Мп02 - 0,02; Р205 -4,9; ТЮ2- 0,25; А1203 - 0,78; Ре203 - 5,29; РеО - 0,72; К20 - 0,17; №,0 - 0,18; Лб -0,45; 803- 0,10. Процесс осуществляется по следующей схеме: Са\\Ю4 +А1+флюс(№М03 +Ре203 +СаР2) + легирующие добавки(Сг203, Со,О,. N¡0) => сплав(\У легир.) + А1203 + шлаки.

Для определения процентного содержания новых электродных материалов в сплаве использовалась методика расчета состава шихты, которая основана на математической модели в виде зависимости выхода металла от состава шихты. Так как содержание оксида вольфрама (\У03) в руде может изменяться, то входными переменными факторами при получении сплавов \V-Cr-Co, \V-Ni-Cr выбраны отношения масс мсталлосодержащих соединений к массе оксида вольфрама в концентрате:

*,='"/ ;х,=т™/ (1)

' /Щ», ' /Щ-о, 2 /'»«», ^ ;

Относительная величина выхода металла У определялась как отношение массы выхода металла т7 к массс оксидов металлов, составляющих шихту.

"'„■о, +т КЮ +П,Сг.01

Области изменения х|,х2,х3 задавались неравенствами: 1.2<дг,<2.0; 0.33 <х2 < 0.67; 0.67 <х, <1.67. Данные неравенства были получены при анализе результатов научных работ по внепечной металлотермии и экспериментально подтверждены.

Определено рациональное соотношение компонентов реакционной смеси для получения материалов :\У-Ст-Со (Л1- 1.4-2.0, Сг203-0.6-1.7, Со304-0.5-1.4); \V-Ni-Сг ( Л1- 1.2-1,8, N¡0-0.5-2.2, Сг304 - 0.5-1.4). Данные приведены в соотношении компонентов шихты с содержанием оксида вольфрама ^03) в шеелите (па 1 массовую долю). Объем флюсовых добавок составлял 0,1-0,15% от массы основной реакционной смеси. Технологическая схема процесса получения электродных материалов методом алюминотермии из шеелитового концентрата приведена на рис.1.

Рис.1. Технологическая схема получения электродных материалов методом

алюминотермии из шсслитового концентрата.

Элементный и фазовый состав синтезированных и запатентованных ЭМ представлен в табл. 1.

Исследования фазового состава полученных материалов выполнены на ди-фрак гометре ДРОН-ЗМ и подтверждают расчетные значения элементного состава. Примеси составляют не более 5%.

С целью проверки эффективности использования новых материалов, предназначенных для упрочнения режущих частей инструментов с помощью ЭИЛ, проведен комплекс исследований состава, структуры и свойств покрытий. Применяемые методики соответствовали требованиям стандартов на проведения исследований по данному направлению. Для сравнительной оценки физико-механических свойств ИПС выбраны следующие материалы: ВКб, Т15К6 (традиционно используемые твердые сплавы для упрочнения поверхностей); Сг (карбидообразующий); 11Х15Н25М6АГ2 (сложнолсгированиая сталь, имеющая в своем составе карбидо-образующие и легирующие и пластифицирующие элементы).

Таблица 1

Элементный состав синтезированных электродных материалов

Состав металлической фазы Среднее содержание элементов, мас.%

Ж Ре N1 Со Мо Сг А! примеси

\V-Cr-Co 52.1 0,9 0,2 19,1 0,3 24,2 1,2 1,1 0,9

\V-Ni-Cr 50,3 1,2 26,9 0,3 0,1 18,1 1,1 1,1 0,9

Исследование образуемых покрытий на подложках из инструментальной стали выполнено при использовании установки ЭИЛ модели ЕШгоп 22В и созданной

при реализации научно-исследовательской работы ТО]"У № 03/09 установки ']'()-ГУ-02.

Основным изменяемым технологическим параметром процесса ЭИЛ принята приведённая величина энергии \¥п, затрачиваемая на образование покрытия площадью в 1 см2. Данный параметр, предложенный профессорами Верхотуровым А.Д. и Мулипым Ю.И., позволяет воспроизводить процесс обработки методом ЭИЛ па любых моделях установок с достаточной точностью.

В третьей главе приведены результаты сравнительных исследований физи-ко-мсханических свойств ИПС, полученных с помощью вновь созданных и выбранных для сравнения ЭМ.

Для установления зависимостей между прочностью сцепления покрытия (тср) и энергетическими режимами процесса ЭИЛ проведены опыты па стали марки 5ХГМ с использованием статистического метода планирования экспериментов. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Установлено, что наибольшее влияние на прочность сцепления покрытий со стальной основой оказывает величина выделившейся энергии V/,,. Использование электродных материалов \У-Сг-Со, ВК6, Т15К6 не выявило влияния частоты следования импульсов Гц на прочность сцепления покрытий тср со стальной основой. При выполнении процесса ЭИЛ численное значение выделившейся энергии может быть одним из ограничивающих критериев при определении технологических режимов. Повышение V/,, > 8 - 8,2 кДж/см2 для большинства изучаемых ЭМ нецелесообразно, так как пе приводит к увеличению прочности сцепления с основой. По эффективности повышения прочности сцепления покрытий со стальной основой можно расположить исследованные электродные материалы в следующий нисходящий ряд; тср, МПа: ВК6( 180,0)-+ Т15К6(175,0)-^-Сг-Со(142,4)->\У-№-Сг(135,2)—> Сг(100,0)—+11Х15Н25М6АГ2(98,0).

Оценка шероховатости выполнялась в соответствии с ГОСТ 2789-73 на основе определения следующих параметров: высотных (Ка, 11г, 11тах, Кр), шаговых (8, 8т), относительной опорной длины профиля (1р).

Таблица 2

Характеристики полученных покрытий и средние результаты испытаний на

срез стали 5ХГМ

Электродные материалы Средняя толщина покрытия И, мкм Средние напряжения среза тср покрытия, МПа Допускаемые напряжения среза [тср] по справочным данным, МПа

Сг 60 100,0 60-70

11Х15Н25М6АГ2 55 98,0 98-105

В Кб 50 180,0 175

Т15К6 40 175,0 165

W-Ni-Cr 48 135,2 -

W- Сг-Со 55 142,4 -

Общий вид зависимости шероховатости от приведенной энергии представлен па рис. 2. На рис. 3 показано изменение профиля микроперовностей при ЭИЛ в зависимости от V/,,.

/?Д. ЛИОН

ю.и

Wp, кДж/см2 2 4 6 8 10 12 Рис.2. Зависимости шероховатости образуемых покрытий от величины приведенной энергии при ЭИЛ па подложках из 5ХГМ, поверхности которых предварительно обработаны шлифованием (Ra = 1,25 мкм); материалы электродов: 1 -Т15К6; 2 - ВК8; 3 - W-Cr-Co, 4-W-Ni-Co, 5-Cr, 6-11Х15Н25М6АГ2

¿¿///ифоОа/ // /е?

Обработка ЭИЛ при Wn = 1,5—4,0 кДж/см'

Обработка ЭИЛ при Wn = 4,0-8,2, кДж/см

(оптимум)

Обработка ЭИЛ при IV,, = >9 кДж/см2

Рис.3. Изменение профиля микронсровностей при ЭИЛ: а) поверхность после шлифования; б) покрытие после ЭИЛ при \УП> 1,5 - 2,0 кДж/см ; в) покрытие после ЭИЛ при

Ш„>4,0 Дж/см2; г) покрытие после ЭИЛ при V/,, >9,0 кДж/см Из общего комплекса параметров неровностей можно выделить параметры формирующейся па поверхности волнистости (рис. 3 г), под которой понимают совокупность неровностей с шагами, превышающими базовую длину и имеющую место при соотношении 5т-/„ = 50 - 1000, где - шаг волнистости, - высо-

г /"„.

та волнистости. Это объясняется избирательностью пробоя межэлектродного промежутка (МЭИ) в процессе ЭИЛ на участках наименьшего зазора между электродами. При дальнейшем легировании шероховатость незначительно увеличивается и происходит преимущественное формирование волнистости поверхности, 'так как эродируемый материал взаимодействует с вершинами воли, не заполняя впадин между ними. Для уменьшения высоты шероховатости образуемых покрытий ис-

пользован известный способ повторной обработки поверхности без смены установок ЭИО графитовым электродом ЭГ-2. Установлено, что шероховатость На поверхности уменьшается при обработке электродами: 1 - Т15К6 с 3,0-3,8 мкм до 1,8- 2,2 мкм; 2 - ВК8 с 3,6-4,1 мкм до 2,0-2,4 мкм; 3 - \У-Сг-Со с 2,8-3,5 мкм до 1,8-2,4 мкм; 4 - Сг с 2,9-3,6 мкм до 1,6-1,9 мкм; 5 - 11Х15Н25М6АГ2 с 4,1-5,5 мкм до 2,8-3,2 мкм.

В результате проведенных исследований можно сделать вывод о том, что формируемый в процессе выполнения ЭИЛ микрорельеф покрытия в значительной мере отличается от микрорельефа после механической обработки и имеет увеличенные численные значения относительной опорной длины профиля поверхности. Наибольшие значения относительных опорных длин профилей поверхностей достигнуты при параметрах режима ЭИЛ \УП от 6,0 до 8,2 кДж/см2, ^ = 100 Гц. Дальнейшее выполнение процесса ЭИЛ приводит к уменьшению значений относительных опорных длин профилей поверхности покрытия в связи с образованием волнистости. Данные значения величины выделившейся энергии можно считать предельными с точки зрения качественного формирования геометрических характеристик покрытий, следовательно их можно считать дополнительным ограничивающим критерием продолжения выполнения процесса ЭИЛ.

Металлографический анализ микроструктуры легированного слоя стали 5ХГМ, толщины покрытия проводился в соответствии с ГОСТ 9450-76. Характер формирования модифицируемых слоев контролировался по парамет рам его структурного состояния (Пм - микро-твердость, 8 - толщина покрытия, С - сплошность), а также по вариациям этих величин в плоскости микрошлифа. Погрешность показаний микротвёрдости составила (10-25) %. Усреднённое значение микротвёрдости определено по результатам 8-10 замеров. Коэффициент упрочнения поверхности рассчитывается следующим образом: Ку = Нмп / Нц° , где Нмп, Нм° - микротвёрдость покрытия и основы соответственно.

На рис.4 в качестве примера представлена фотография поперечного среза образца из стали 5ХГМ, обработанного '\У-Сг-Со, для определения структуры и микротвердости. Результаты измерения микротвердости представлены в табл. 3.

■ Основа

Х700

Рис.4. Структура и результаты измерения микротвердости для стали 5X1 'М после ЭИЛ электродом \V-Cr-Co, N¥„=8 кДж/см2

В процессе ЭИЛ стали 5ХГМ происходит преимущественное взаимодействие материалов электродов со стальной основой, о чем свидетельствуют результаты рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов, в следствие чего изменяе тся микротвсрдость структурных зон.

Таблица 3

Результаты измерения микротвердости подложек из стали 5ХГМ, обработап-

Электрод Микротвердость, МПа Коэффициент упрочнения. К,

«Белый» слой ЗТВ Основа

Т15К6 152,4 46,4 50,7 3,2

Сг 88,0 48.4 50,4 1,5

ВК6 146,4 43,2 48,1 3,0

11Х15Н25М6АГ2 39,3 42,3 44,2 0,9

W-Cr-Co 98,3 45,1 49,1 1,9

W-Ni-Cr 89.1 44,2 50,1 1,6

Химический состав покрытий и распределение элементов по толщине для электродных материалов W-Ni-Cr, W-Cr-Co в поперечном сечении приведены n'a

g ^

w Fe

/хЛ/-' \Г7

№ s s^l \ \

У " Цм

Сг \ \ \

\ V \

\

Рис.5. Распределение химических элементов в поверхностном слое стали 5ХГМ после электроискрового легирования электродными материалами а) -\V-Cr-Co б) - W-Ni-Cr.

Полученные данные свидетельствуют о том, что в процессе электроискрового легирования стали 5ХГМ указанными материалами преимущественно взаимодействие происходит в состоянии жидких фаз. Рентгеноструктурный анализ отражает взаимную растворимость материалов электродов и материала подложки (Ре№, РеСт); образование карбидов за счет углерода, содержащегося в материале подложки (1теС, '^С), оксидов, образующихся за счет захвата кислорода воздуха (Ре203, \УзО) и других более сложных соединений (Ре2\*/Об). Это дает основание полагать, что при электроискровом легировании имеют место диффузионные процессы, образуется слой пересыщенного твердого раствора сложного состава.

Анализ проведенных измерений позволяет сделать следующие выводы: поверхностные слои, полученные при ЭИЛ различными электродами, сплошные и равномерные, но содержат микротрещины и поры; структура основного металла -мартенсит с карбидами; вблизи «белого слоя» в результате нагрева при ЭИЛ про-

исходит дополнительный отпуск материала основы и твердость снижается (зона термического влияния - ЗТВ).

Проведенные измерения позволяют оцепить микротвердость покрытия в статическом режиме, однако небольшая толщина и специфика работы режущих частей данного вида инструментов предполагает необходимость проведения исследования динамической микротвердости, направленное на выявление зависимости хрупкости ИПС от состава электродных материалов и определение взаимосвязи со стойкостью.

Исходя из вышесказанного для дальнейшего исследования, был применен метод определения динамической микротвердости, предложенный проф. Хусаиновым А.III., Данный метод основан на определении объёма вытесненного металла в результате ударного воздействия бойка (индентора рис.6). Численное значение определяется как отношение кинетической энергии бойка к объему вытесненного металла:

V

(4)

где: Е - кинетическая энергия бойка, V - объем вытесненного металла. Схема эксперимента приведена на рис. 6.

5 4 3 2 1

Рис.6. Схема эксперимента и отпечатка на лезвии при ударе бойка I-подставка,2-спытываемый образец, 3- боек, 4 - груз, 5- штанга, 6- верхний упор, 7- нижний упор.

После удара глубину лунки А, измеряют с помощью микроскопа с увеличением не менее х24 и ценой деления шкалы 0,05 мм. Объем вытесненного бойком металла вычисляют как отрезок цилиндра.

Энергия удара бойка, затраченная па пластическую деформацию металла, определяется как потенциальная энергия Е (Дж) маятника, выведенного из равновесного состояния:

В качестве параметров для сравнения выбраны коэффициенты упрочнения К х

и А";,о,,,, (коэффициент упрочнения динамический). £„,„„=-—, гдс Я, -

^п Н т!

микротвердость, измеренная с помощью ПМТ-3, упрочненных образцов соответствующими электродными материалами, IIп - микротрердость подложки, Нл -микротвердость измеренная с помощью устройства для определения динамической микротвердости упрочненных образцов соответствующими электродными материалами, /7,(С/- динамическая микротвердость подложки.

При сравнении полученных данных можно выявить степень достоверное™ предложенного способа, в определении механических свойств упрочненного материала. Результаты проведенных экспериментов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Исходные данные и результаты экспериментов по определению динамической

микротвсрдости при а>» 45° на подложке из стали 5ХГМ

ЭМ кДж/см2 А.,., мм V, мм3 нл МПа Ку дин МПа Ку

Сг 8,0 0,025 0,54 30,4 3,1 88,0 1,5

Т15К6 8,9 0,034 0,68 24,1 2,48 152,4 3,2 .

ВКб 8,7 0,034 0,69 23,7 2.44 146,4 3,0

Н'-Сг-Со 8,9 0,028 0,58 28,2 2,9 98,3 1,9

\V-Ni-Cr 8,6 0,030 0,60 27,9 2,8 89,1 1,6

11Х15Н25М6АГ2 8,6 0,039 0.61 26,9 2,7 39,3 0.9

Без покрытия - 0,062 1,69 9,7 1,0 47,4 1,0

Применение метода определения динамической микротвердости на кромках лезвий дает более точные результаты прогнозирования стойкости инструментов для деревообработки. По эффективности повышения прочностных параметров исследуемые электродные материалы можно расположить в следующий нисходящий ряд:

-по коэффициенту упрочнения Ку: Т15К6(3,2) ->ВК6(3,0) -» \¥-Сг-Со(1,9) -> \\ММьСг(1,6) Сг(1,5)—>11Х15И25М6АГ2(0,9). -> без покрытия (1);

-по коэффициенту упрочнения динамическому Ку дш,\ Сг(3,1) —> W-Cr-Co(2,9)

W-Ni-Cr(2,8) -> 11Х15Н25М6АГ2(2,7) ->Т15К6(2,48) -^ВК6(2,44) -> без покрытия (1);

-по динамической микротвердости, МПа: Ст(30,4) —» W-Cr-Co(28,2) —> \V-Ni-Ст(27,9) 11Х15Н25М6ЛГ2(26,9) ->Т15К6(24,1) ->ВК6(23,7) -> без покрытия (9,7).

Следовательно, наибольший эффект увеличения коэффициентов упрочнения наблюдается в условиях динамических испытаний на микротвердость. Наибольший эффект увеличения коэффициентов Кудш, фиксируется при использовании ЭМ Сг, \V-Cr-Co и \V-Ni-Cr (в 2,8-3,1 раза).

Необходимо отметить, что при проведении производственных испытаний, наибольшую долговечность показали инструменты, упрочненные Сг, \У-Ст-Со, V/-№-Сг. Данный эффект можно объяснить наличием в легирующих электродах компонентов (Сг, Со), которые при реализации микрометаллургических процессов ЭИЛ снижают силы межатомных связей, что приводит к увеличению подвижности структурных элементов кристаллической решетки, увеличивая релаксационную способность и снижая хрупкость образованного слоя.

На рис. 7 приведены результаты испытания ленточных пил в производственных условиях.

ЛУ ИИа

Нр

I

I

1-й ^ 18

Тч.

89.3 89.1

Г'.'.

[г-Г.--

-О '

Г 39.3 .и

■¿з4 ^ . £ к4

I Е"

*хт 5ХГМ 5ХГМ

Рис.7. Диаграммы результатов испытаний ленточных пил: а - по 1Ти -динамической микротвердости, б - по Нц - микротвердости измеренной с помощью ПМ'Г-3, в - по 'Г,, - стойкости ленточных пил между перезаточками (и часах) при промышленных испытаниях

Полученные результаты свидетельствуют, что применение метода ЭИЛ для лезвия режущих инструментов повышает их динамическую микротвердость. Наибольшее влияние па стойкость лезвий оказывают величина приведенной энергии \УП и материал элекфодов. С помощью метода определения динамической микротвердости можно определять микротвердость различных лезвийных инструментов, изготовленных из материалов с твердостью меньше, чем твердость применяемого ипдентора. Целесообразно применение метода динамической микротвердости как более точного способа определения функциональных характеристик на кромках лезвий режущих инструментов но сравнению с традиционным при использовании приборов серии ПМ'Г. При испытаниях на предприятиях Дальнего Востока стойкость ленточных пил увеличилась в среднем (в часах) для материалов электродов из \V-Cr-Co до 5,1, \V-Ni-Cr до 5,2, Сг до 4,2, Т15К6 до 3,6, ВК6 до 3,4, 11Х15Н25М6АГ2 до 3,1.

Исследование жаростойкости образуемых покрытий па подложках из сталей выполнялось на дериватографе СНООО в соответствии с ГОСТ 5130-71. Производились запись кривых дифференциального термического анализа (ДТА), кривых скорости изменения массы и изменения массы в зависимости от температуры. Сравнительная оценка была выполнена по величине удельного прироста массы с] = Ат / б в период пагрсва через каждые 20 мин, где Дт - прирост массы, возрастающий во времени, б - площадь поверхности образца. Учитывая специфику создания покрытий при ЭИЛ, когда площадь поверхности покрытия увеличивается за счет образования больших значений шероховатости, при выполнении исследования ограничивались предельными значениями приведенной энергии V/,, < 9,0 кДж/см2. Определена температура начала разрушения поверхностных слоев 800 С. Производилась выдержка при температуре 700°С в течение 5 часов. В табл. 5 и на рис.8 приведены параметры и результаты исследования жаростойкости покрытий на подложке из стали 5 Х1'М.

Таблица 5

Результаты исследования на жаростойкость образцов на стали 5ХГМ

Технологический Толщина Удельный при- Увеличение

Материал элек трода параметр покрытия, рост массы об- жаростойко-

1, кДж/см2 мкм разцов, г/м2 сти, раз

Сг Т15К6 8,0 30 32,6 2,8

8,9 39 81,7 1,1

ВК6 9,0 61 75,6 1,2

1Ш5Н25М6АГ2 8,5 89 49,5 1.8

\V-Cr-Co 7,9 82 75,4 1,2

\V-Ni-Cr 8,1 80 72,6 1,2

5ХГМ - - 92,4 1,0

1

-1-1-1-1--.—|

О 1 2 3 4 г. час

Рис.8. Зависимость изменения удельного прироста массы, образцов из стали

5ХГМ с покрытиями от времени изотермической выдержки при 700 С I - без

покрытия; 2-е покрытием Т15К6; 3-е покрытием ВК6, 4-е покрытием V/-

Сг-Со; 5- с покрытием \V-Ni-Cr; б— с покрытием Сг; 7- с покрытием

11Х15Н25М6ЛГ2

Установлено, что ири температуре 700 С увеличение массы у образцов с покрытием меньше, чем у образцов без покрытий. Это определяет эффективность защиты основы от обезуглероживания и окисления при условии нанесения сплошного равномерного покры тия. Исследования образцов с покрытиями при температуре более 700 С показали, что покрытие плохо защищает основной металл от образования окалины. По результатам данного исследования можно сделать следующие выводы: при использовании в качестве электродных материалов 11Х15Н25М6АГ2, Сг для ЭИЛ жаростойкость образцов повышается в значительной мере; предел эффективного применения ЭИЛ предполагает ограничить эксплуатацию инструментов при достижении температуры 700 С.

В четвертой главе проведены результаты исследований, связанных с увеличением производительности процесса ЭИЛ путем удаления из зоны легирования твердой фазы.

Экспериментальным путем установлено, что в зависимости от материала электродов и энергии разряда на поверхности катода в зоне действия импульсных разря-

дон (межэлсктродиом промежу тке) может находиться до 30% эродированного материала электродов в виде свободных дисперсных частиц размером от 0,1 до 120 мкм. Учеными Всрхотуровым А. Д., Кимом В. А., Химухиным С.II., Коротаевым Д.II. проводились исследования процесса ЭИЛ в различных средах. При этом приоритеты в работах отдавались защите зоны легирования от кислорода и азота, рассматривались зависимости эрозии и массопереноса от термодинамических и физико-химических свойств межэлектродиого газа, в том числе вакуума. Итогами их исследований были повышения микротвердости, износостойкости и общей динамики процесса массопереноса. В результате анализа данных о механизме процесса ЭИЛ и влиянии па пего межэлектродиого пространства, была выдвинута гипотеза о негативном влиянии твердой фазы на скорость массопереноса. Осколки электродов величиной отЮ до 120 мкм, попадая в зону легирования, не закрепляются прочно па обрабатываемой подложке, а при соприкосновении анода и катода могут быть о торваны. Закрепленные частицы у краев расплавленных ванн подвергаются бомбардировке последующими электроискровыми разрядами, сопровождающимися массопереиосом, при этом в значительной мере увеличивается пористость и повышается шероховатость ИПС. Для проверки данной гипотезы, учитывая небольшую массу твердых частиц, а также для улучшения качественных характеристик образуемого покрытия производился обдув поверхности легирования струей сжатого воздуха давлением 0,1-0,15 МПа па расстоянии 20 мм от зоны легирования. Анализ продуктов эрозии с целью количественного определения объемной доли фракции сферической формы (жидкая фаза) и осколочной (твердая фаза), проводили с помощью микроскопа МИМ-10 по методике определения размерон частиц и объемной доли фракции, описанной в ГОСТ 23402-78. В табл. 6 приведены значения гранулометрического состава продуктов эрозии при ЭИЛ.

Таблица 6

Усредненный фазовый и гранулометрический состав продуктов эрозии при _ЭИЛ подложки из стали 5ХГМ, \УП =6 кДж/см2, £и =500 Гц_

Материал анода Шарообразные частицы Твердые частицы

. Диаметр, мкм Содержание, % Размер, мкм Содержание, %

11Х15М25М6АГ2 9-130 72 30- 120 28

Сг 8-80 59 20-90 41

\V-Ni-Cr 10-100 68 10-110 32

\V-Cr-Co 15-110 49 40 - НО 51

ВК6 20-90 33 20-90 67

Т15К6 18-110 35 18 - 100 65

Для упрочнения режущей части инструмента методом ЭИЛ необходимо за короткое время при соответствующих технологических режимах упрочнения добиться минимального прироста линейного размера режущей части и обеспечить сплошность покрытия 80% - 90%.

Основой количественного метода определения сплошности покрытий ЭИЛ является исследование участка нанесённого слоя на базовой длине микрошлифа после его травления. Оценка сплошности С образованного покрытия определяется как отношение протяжённости участков материала покрытия с основой к общей протяжённости исследуемого участка: С= [(Ь - Ьпр) / Ь]-100%, где Ь - базовая (фактическая) длина измерения, мм; Ьпр- суммарная длина участков с пропусками,

мм. При проведении эксперимента использовался металлографический микроскоп мод. МИМ-7.

Исследования каждого варианта покрытия па образцах выполнены количеством не менее пяти, при этом производился замер толщины легированного слоя. Дереворежущие инструменты для первичной обработки проектируются и производятся с большой точностью. Режущая часть данных изделий имеет жесткие ограничения по всем геометрическим параметрам. В результате обзора опыта по изготовлению данного вида инструментов величина уширения режущей части имеет поле допуска 0,06 - 0,1 мм. В связи с этим одним из ограничивающих факторов процесса ЭИЛ при упрочнении является достижение толщины покрытия менее 0,05 -0,06 мм. Результаты исследований представлены в табл. 7.

Таблица 7

Резуль таты исследований толщины и сплошности покрытий на подложке из

стали 5ХГМ

Электродные материалы Выделившаяся энергия \У„, кДж/см2 Длительность искрового импульса т„, 10"6с. Частота следования импульсов Гц Толщина покрытия, мкм Средняя сплошность покрытия с,%

С обдувом Без обдува С обдувом Без обдува

Сг 3,3 65 600 15-68 20-70 92 86

11Х15Н25М 6А в Кб ...... 4,6 65 500 15-70 18-75 94 89

4,2 65 400 13-65 20-80 92 87

'Г15К6 5,6 65 500 10-55 15-90 95 88

\V-Ni-Cr 3,9 65 500 12-50 15-66 96 80

IV- Сг-Со 3,6 65 500 13-55 15-62 95 82

По результатам исследования можно сделать вывод, что удаление из зоны легирования твердой фазы позволяет достигать сплошности, удовлетворяющей заданным требованиям, при этом не выходя за поле допуска геометрических размеров режущих частей инструментов.

Для изучения скорости массопереноса (основного показателя производительности процесса ЭИЛ) в работе использовался гравиметрический метод, который позволяет достаточно точно определять направление и эффективность переноса материала с электрода на поверхность инструмента. Удельную эрозию анода Да и привес катода Дк при исследовании массопереноса оценивали взвешиванием образцов до и после обработки, а также через каждую минуту обработки на весах САи\¥-Б 1200 с точностью до 0,0001 г. Для определения средних арифметических значений указанных параметров использовали шесть измерений. По распределению Стыодснта, с надежностью 0,95 определяли доверительный интервал. Коэффициент массопереноса материала рассчитывали по формуле К = ]ГЛК /£Ла при постоянном времени легирования для каждого электродного материала. Определены зависимости массопереноса в условиях производственных помещений и при обдуве зоны легирования воздухом комнатной температуры давлением 0,1МПа. Построены соответствующие графики зависимости изменения удельной массы катода и анода от величины приведенной энергии V/,,. На рис.9 прсдставле-

на типовая зависимость изменения удельной массы катода и анода от величины приведенной энергии при обдуве поверхности легирования и без пего.

М!

кДх/см~

Рис.9. Зависимости изменения удельной массы катода и анода от величины приведенной энергии 1- без обдува поверхности, 2- с обдувом поверхности.

Положительный эффект увеличения скорости массоперспоса дал обдув зоны легирования воздухом 0,15 МГГа с использованием бытового компрессора фирмы « КРАТОК». Показатель \Умгу уменьшился в 1,2 - 2,3 раза, а ^А',. увеличилась в 1,08 - 1,7 раза. Так как при обдуве температура и влажность потока воздуха соо тветствовали техническим нормам производственных помещений, в которых производилось легирование без обдува, можно сделать вывод, что данные результаты получены за счет удаления из зоны легирования твердой фазы. Давление обдува может быть ограниченно минимальной величиной 0,15 МПа.

Таблица 8

Результаты и характеристики процесса ЭИЛ при обработке образцов из стали _5ХГМ соответствующими электродами с обдувом 0,15МЛа._

Характеристики границы окончания процесса ЭИЛ

Материал электрода \У,„-кДж/ем* 2>*пг мг/см2 К = Ак/Ла \УП): кДж/см2 мг/см2

С об-ДУ-вом Без обдува с обдувом Без обдува С обдувом Без обдува С обдувом Без обдува С обдувом Без об-ду-па

Сг 3,3 8,0 9,2 5,0 0,61 0,44 4,1 10,8 15,2 6,4

В Кб 4,2 9,0 10,5 8,2 0,67 0,47 9,0 18,3 1,2 10,0 10.0 15,0

Т15К6 5,6 8,9 9,0 8,0 0,68 0,45 9,5 11,5 15,2

11Х15Н25М6АГ2 4,6 8,5 10,2 8,3 0,71 0,51 15,0 28,5 16,3

П-Сг-Со 3,6 7,9 9,1 8,2 0,72 0,54 13,0 25,5 18,0 /5,5

\V-Ni-Cr 3,9 8,1 10,5 6,2 0,73 0,52 12,9 26,2 19,2 16,8

Характеристики порога разрушения

Приведены результаты практического применения результатов исследований на действующих лесоперерабатывающих предприятиях Дальнего Востока. Даны рекомендации по применению электродных материалов и режимов обработки в зависимости от вида инструмента.

Исследования зависимости долговечности работы инструмента от величины выделившейся энергии и созданных новых электродных материалов, выполнены в производственных условиях на лесоперерабатывающем заводе ООО "Проект" нос. Хор с использованием машины МГ 6500м (рис.11). Процесс образования износостойкого покрытия методом ЭИЛ осуществлялся на заточном участке с применением специального приспособления для разводки зубьев и с использованием компрессора для обдува зоны легирования.

Рис.11. Процесс нанесения покрытия на режущие части ленточной пилы ма-

шины МГ 6500м с использованием приспособления для разводки зубьев

Покрытие наносились па всю длину задней, передней поверхности и па боковые поверхности зубьев шириной 0,7 от высоты профиля. Сплошность определялась по эталонному образцу который соответствовал толщине покрытия 15 - 35 мкм. (рис 12).

I А-А

Покрытие

Покрытие,

Рис. 12. Схема нанесения покрытия на режущие части ленточной пилы

Производился распил древесины хвойных пород до появления «волны» на обработанной поверхности (критерий затупления, ухода разводки). Результаты испытаний представлены в таб. 9.

Таблица 9

Результаты промышленных испытаний ленточных пил из с тали 5ХГМ, обработанных соответст вующими электродными материалами па машине

МГ 6500м

Материал электрода Технологический параметр Wn, кДж/см2 Время работы до затупления, ч Повышение стойкости,раз

Сг 8,0 4,2 2,10

Т15К6 8,9 3,6 1,80

ВК6 9,0 3,4 1,70

1 1Х15Н25М6АГ2 8,5 3,1 1,55

W-Cr-Co 7,9 5,' 2,55

W-Ni-Cr 8,1 5,2 2,60

Значительное увеличение стойкости пил, обработанных W-Cr-Co и W-Ni-Cr, можно объяснить тем, что они в своем составе имеют W и Сг, которые в процессе легирования образуют с материалом подложки неограниченные твердые растворы. Легирующие элементы обрабатываемой инструментальной стали способствуют прочному закреплению образовавшихся при ЭИЛ карбидов в ИГ1С, что обеспечивает сформированному покрытию достаточную твердость и допустимую вязкость, необходимые при циклическом и ударном характере работы дереворежущего инструмента для первичной обработки.

ВЫВОДЫ

1. Научно обоснованы и экспериментально подтверждены исследования о целесообразности использования минеральных концентратов, которые содержат дорогостоящие легирующие элементы и добываются на территории Хабаровского края для изготовления олекчродных материалов с целыо упрочнения дереворежущих инструментов.

2. Синтезированы новые анодные материалы W-Cr-Co (масс. % W - 52%, Сг -24%, Со - 19%.) и W-Ni-Cr (масс. % W - 50.2%, Ni - 26.3% ,Сг - 18.3%) из шесли-тового концентрата методом алюминотермии и последующее их применение для упрочнения изделий из инструментальных сталей. Установлено рациональное соотношение компонентов реакционной смеси(А1, W03i Cr203, Со30,|, NiO) для синтеза электродных материалов систем: W-Cr-Co (А1- 1.4-2.0, Сг2Оз-0.6-1.7, Со30|-0.5-1.4); W-Ni-Cr ( А1- 1.2-1,8, NiO-O.5-2.2, Cr304 - 0.5-1.4). Данные приведены в соотношении компонентов шихты с содержанием оксида вольфрама (W03) в шеелите (па 1 массовую долго). |патепт№2428279].

3. Применение метода определения динамической микротвердости на кромках лезвий дает более точные результаты прогнозирования износостойкости и долговечности инструментов для деревообработки, данный метод можно использовать как экспресс-тест при упрочнении различных клиновых поверхностей. Эффект увеличения коэффициентов упрочнения Ку и динамического упрочнения К„)Ш1 можно расположить в следующий нисходящий ряд при использовании исследованных электродов: Ку: T15К6(3,2), ВК6(3,0), W-Cr-Co(l,9), W-Ni-Cr (1,6), Сг (1,5), 11Х15Н25М6АГ2 (0,9), без покрытия (1); Kvdull: Cr(3,l), W-Cr-Co(2,9), W-Ni-Cr(2,8), Т15К6(2,48), ВК6(2,44), 11Х15Н25М6АГ2 (2,7), без покрытия (1).

4. Рентгеноструктурпый и микрорентгеноспектральный анализ позволяет заключить, что в покрытиях, сформированных W-Cr-Co, W-Ni-Cr, образуются соединения FeNi, FeCr, карбиды Ni и Сг, оксиды Fe203. W03, Сг2Оэ и более сложные соединения типа Fe2W06 вслсдствии диффузионных процессов в жидко-твердом состоянии. Микротвердость «белого слоя» колеблется от 39,3 до 152,4 МПа. По эффективности понижения микротвердости электродные материалы располагаются в следующий нисходящий ряд: Белый слой, (МПа) - Т15К6 (152,4), В Кб (146,4), W-Cr-Co (98,3), W-Ni-Cr (89,1), Сг (88,0), 11Х15Н25М6АГ2 (39,3); ЗТВ, (МПа) - Сг (48,4), Т15К6 (46,4), W-Cr-Co (45,1), W-Ni-Cr (44,2), В Кб (43,2), 11Х15Н25М6АГ2 (42,3)

5. Механическое удаление твердой фазы из зоны легирования путем обдува воздухом при давлении не менее 1,5 МПа позволяет ускорить процесс ЭИЛ в 2-2,5 раза, при достижении сплошности покрытия 92% - 96% толщина ИПС составляет

10-20 мкм. Эта величина входи т в поле допуска уширения режущей части дереворежущих инструментов, что позволяет упрочнять их, не изменяя геометрических параметров.

6. Предложены рекомендации по подбору электродных материалов для образования покрытий ЭИЛ в зависимости от породы древесины, назначения и параметров деревообрабатывающего инструмента. Образование поверхностей с И11С при применении процессов ЭИЛ для упрочнения дереворежущих инструментов из инструментальных сталей позволяет повысить их стойкость в 2,5 - 2,6 раза.

Основные положения диссертации опубликованы в 9 работах:

1. Казанников О.В. Образование поверхностей с изменяющимся качеством методом ЭИЛ для повышения износостойкости инструментов / Ю.И. Мулин, В .Д. Власепко, О.В. Казанников // Автомобильный транспорт Дальнего Востока — 2008: материалы четвертой научно-практической конференции (Хабаровск 23-26 сентября 2008 года) / под общ. ред. проф. В.Д. Басаргина. - Хабаровск: Изд-во Тихо-океан. гос. ун-та, 2008. - с 250-255.

2. Казанников О.В. Синтез электродных материалов из концентратов минерального сырья методом алюминотермии для обработки деталей автомобилей / Ю.И. Мулип, О.В. Казанников, Е. С. Коваленко // Проблемы транспорта Дальнего Востока: материалы восьмой международной научно-нрактичсской конференции (Владивосток 30 сентября - 2 октября 2009 г.) / Владивосток: ДВО Российской академии транспорта, с 141 - 142.

3. Kazannikov O.V. Increase of wear resistance of cutting saws elements of circuits electrospark / Ju. I Mulin, O.V. Kazannikov // Modern materials and technologies 2009: International Xth Russian - Chinese Symposium. Proceedings. - Khabarovsk: Pacific National University - 2009/ - p 297 - 301.

4 Казанников О.В. Расчет технологических параметров процесса ЭИЛ для образования функциональной толщины покрытия с использованием ЭВМ / Ю.И. Мулин, О.В. Казанников // Автомобильный транспорт Дальнего Востока - 2010: материалы пятой научно-практической конференции (Хабаровск — Владивосток 38 сентября 2010 года) / под общ. ред. П.П. Володькина. — Хабаровск: Изд-во Тихо-оксан. гос. ун-та, 2010.-е 113-117.

5. Казанников О.В. Восстановление размеров изношенных поверхностей деталей автомобилей электроискровой обработкой / Ю.И. Мулин, О.В. Казанников // Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»: материалы международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы обработки материалов и заготовительных производств» (Комсомольск-на-Амуре, 27-30 сентября 2010 года): В 5 т. Т. 2/ Ред-кол.: A.M. Шпилев (отв. Ред.) и др. - Комсомольск-па-Амуре: ГОУВПО «КнАГ-ТУ». 2010.-с 245-250.

6. Казанников О.В. Упрочнение ленточных пил методом электроискровой обработки / Ю.И. Мулин, В.Д. Влпссико, О.В. Казанников // Вестник Тихоокеанского государственного университета.- 2011. - №1(20). — С.91-98.

7. Kazannikov O.V. Electric discharge machining process as a method to increase working life and wear resistance of wood cutting saw blades / Ju. I Mulin, O.V. Kazannikov // Modern materials and technologies 2011: International Xlth Russian - Chinese

Symposium. Proceedings. - Khabarovsk: Pacific National University - 2011 - p 327 -332.

8. Патент №2428279 (51) МПК B22F 3/00. Способ получения композиционных материалов W-Cr-Co и W-Ni-Cr из вольфрамосодержащего минерального сырья/ Ю.И. Мулин, В.Д. Власснко, О.В. Казанников, П. С. Коваленко, Л.С. Мулин -№2010112183/02;заявлспо 29.03.2010; опубликовано 10.09.2011, Бюл.№25 - 1 с.

9. Казанников О.В. Исследование динамической микротвердости режущих поверхностей деревообрабатывающих инструментов / Ю.И. Мулин, В.Д. Власснко, О.В. Казанников // журнал « Контроль. Диагностика» - 2012. - №4.-С. 50-53.

Казанников Олег Вячеславович

СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ НА ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТАХ ПРИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОМ ЛЕГИРОВАНИИ

Автореферат диссер тации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 28.01.2012 г. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Гарнитура «Тайме». Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 120 экз. Заказ 9

Отдел оперативной полиграфии издательства Тихоокеанского государственного университе та 680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет»

СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ НА ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТАХ ПРИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОМ ЛЕГИРОВАНИИ.

Специальность 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

Казанников Олег Вячеславович

УДК621.048.4(043.5)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

00 со

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Мулин Ю. И.

с\1 <£>

О

Комсомольск-на-Амуре 2013

і

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................... 4

1 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, УСЛОВИЯ РАБОТЫ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ ПРИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОМ ЛЕГИРОВАНИИ.............. 9

1.1 Условия эксплуатации и конструкция дереворежущих инструментов для предварительной обработки древесины................................ 9

1.2 Обоснование выбора метода упрочнения... 17

1.3 Сущность процесса электроискрового легирования....................... 18

1.4 Основные модели процесса электроискрового легирования............ 20

1.5 Эрозия материалов электродов при ЭИЛ.................................... 29

1.6 Механизм образования ИПС при ЭИЛ........................................ 31

1.7 Структура легированного слоя при ЭИЛ..................................... 34

1.8 Электродные материалы, используемые для ЭИЛ........................ 39

1.9 Используемые установки для ЭИЛ............................................. 41

1.10 Определение цели и задачи исследования.................................. 44

2 ВЫБОР И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯДЕРЕВОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВНИЕ.......... 48

2.1 Обоснование выбора электродных материалов............................ 48

2.2 Технология синтеза электродных материалов из шеелитового концентрата методом алюминотермии................................................. 53

2.3. Основные методики, применяемые в работе и используемое оборудование............................................................................................................................................................58

2.4. Основные методики, применяемые в работе и используемое оборудование..............................................................................................................................................................70

2.5. Применяемые установки при исследовании процессов

электроискрового легирования..................................................... 71

2.6 Выводы по второй главе.......................................................... 73

3 ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СОЗДАННОГО СИНТЕЗИРОВАННЫМИ ЭЛЕКТРОДНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ.......................................... 75

3.1 Исследование прочности сцепления покрытий с основным металлом в зависимости от величины приведенной энергии...................... 75

3.2 Исследование изменений шероховатости и волнистости поверхностей покрытий в зависимости от энергетических параметров процесса ЭИЛ.......................................................................................... 81

3.3 Определение микроструктуры и микротвёрдости ИПС.................. 87

3.4 Влияние состава электродных материалов на жаростойкость поверхностного слоя........................................................................ 98

3.5. Выводы по третьей главе........................................................ 105

4 ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ЭИЛ, РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УПРОЧНЕНИЯ

ИНСТРУМЕНТОВ И ВНЕДРЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВО................. 107

4.1 Влияние межэлектродных газовых сред на процесс ЭИЛ............. 107

4.2. Исследование гранулометрического состава продуктов эрозии..... 109

4.3. Определение сплошности электроискровых покрытий с применением обдува............................................................................... 112

4.4. Исследование закономерности массопереноса и границ окончания процесса ЭИЛ при упрочнении...................................................... 113

4.5 Определение границы окончания процесса легирования при упрочнении инструментальных сталей.............................................. 117

4.6 Основные методологические положения на разработку технологий получения функциональных покрытий ЭИЛ................................... 112

4.7 Разработка технологии получения упрочняющих покрытий ЭИЛ для повышения стойкости ленточных пил....................................... 124

4.8 Разработка технологии получения упрочняющих покрытий ЭИЛ для повышения долговечности фуганочных ножей.................................. 131

4.9 Разработка технологии получения упрочняющих покрытий ЭИЛ

для повышения долговечности пильных цепей................................ 134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................... 136

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ................ 138

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................. 139

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................... 148

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современной инструментальной промышленности связано с применением новых современных технологических процессов, позволяющих повысить стойкость, надежность, обеспечить работоспособность инструментов в условиях динамических и статических контактных, силовых и тепловых нагрузок. Надежность и ресурс современных инструментов для первичной обработки древесины в значительной степени зависят от эксплуатационных свойств стали, из которых они изготовлены. Это определяет как разработку новых, так и совершенствование уже известных технологий упрочнения инструментальных сталей высокоэнергетической обработкой. Повышение параметров стойкости и прочности дереворежущих инструментов, которые в значительной степени определяются физико-механическими и геометрическими свойствами поверхностного слоя рабочих поверхностей, на сегодняшний день является актуальной задачей, поскольку они позволяют повысить производительность, точность размеров обработки и геометрической формы обрабатываемой древесины.

В настоящее время большое применение в лесной и лесоперерабатывающей промышленности имеют инструменты, изготовленные из различных инструментальных сталей - пильные цепи, ленточные пилы, фуганочные, рейсмусовые ножи и т.д. Это обусловлено более низкой ценой по сравнению с инструментами оснащенными пластинами из твердого сплава, а так же возможностью производить их заточку и ремонт непосредственно на объектах производства. Данные инструменты работают в тяжелых условиях. Высокие температуры нагрева (350-500°С), значительные величины циклических удельных давлений (до 500 МПа и более), высокая влажность увеличивают внутренние напряжения и приводят к поломке тела

инструмента. Неоднородность обрабатываемой древесины и присутствие абразивных включений вызывает износ рабочих поверхностей инструментов. У предприятий занимающихся заготовкой и первичной переработкой леса есть реальные возможности по приобретению высокопроизводительной техники поставляемой ведущими странами Европы и Азии. Стоимость такого оборудования достаточно высокая. Для его рентабельной работы требуются значительные объемы древесины и максимально возможное время непрерывной работы. Простои, связанные с заменой и ремонтом режущего инструмента по различным данным составляют 10-20% продолжительности рабочей смены. Повышение времени работы режущих инструментов для переработки лесоматериалов между перезаточками значительно повысит непрерывность работы станков и машин, их производительность. Для увеличения стойкости режущих инструментов известны следующие методы упрочнения: механическое оснащение зубьев инструмента пластинами твердого сплава (1); наплавка на лезвие твердых сплавов (2); электроконтактная закалка зубьев пил (3); закалка зубьев в поле ТВЧ (4); использование технологий химико-термической или термомеханической обработки (5). Однако конструктивные особенности режущих инструментов для первичной переработки древесины имеют следующие особенности: толщина зубьев режущей части имеет размеры от 1,0 до 1,6 мм, что не позволяет воспользоваться методами 1 и 2 (небольшая величина поверхности для установки и наплавки пластин). Испытания остальных методов свидетельствуют о возможности увеличения ресурса лишь на 30...60 %, что не обеспечивает значительного повышения стойкости. Главным достоинством поверхностной обработки инструмента является определенное сочетание высокой твердости и прочности поверхностного слоя с вязкостью и достаточной пластичностью тела инструмента. При этом появляются перспективы создания материалов со свойствами соответствующим условиям эксплуатации инструмента. Значительное повышение стойкости достигается за счет повышения не только твердости рабочей поверхности режущей части, но и коррозийной стойкости лезвия инструмента. Из множества современных методов обработки поверхностей изделий из металла концентрированными потоками энергии, предлагается использовать

метод электроискрового легирования (ЭИЛ), который позволяет в несколько раз улучшить эксплуатационные показатели инструментов изготовленных из инструментальных сталей. Синтез и последующие применение новых электродных материалов и усовершенствование технологии ЭИЛ позволит уменьшить себестоимость данного процесса с повышением функциональных характеристик деревообрабатывающих инструментов.

Цель данной работы заключается в металлотермическом синтезе новых электродных материалов (ЭМ) из реакционной шихты, содержащей шеелитовый концентрат ДВ региона, пластифицирующие элементы (N1 и Со) в виде оксидных соединений и флюсующие добавки нитрат натрия (Ыа>Юз), фтористый кальций(СаР2), оксид железа (Ре203) и разработке технологии получения на поверхности инструментов качественных покрытий с применением синтезированных ЭМ для повышения стойкости деревообрабатывающих инструментов и производительности процесса электроискрового легирования.

В соответствии с целью работы решались следующие задачи:

1. Анализ факторов, влияющих на стойкость дереворежущих инструментов, и исследование физико-геометрических параметров измененного поверхностного слоя (ИПС) вследствие упрочнения их методом ЭИЛ

2. Обоснование целесообразности использования ЭМ, синтезированных из шеелитового концентрата и пластифицирующих элементов в виде оксидных соединений для повышения стойкости дереворежущих инструментов.

3 Исследование зависимости изменения физико-механических свойств ИПС на режущих поверхностях инструментов от энергетических параметров процесса ЭИЛ.

4 Повышение эффективности процесса ЭИЛ посредством удаления из зоны легирования твердых продуктов эрозии электродов.

5. Обоснование целесообразности промышленной реализации технологий упрочнения инструментов синтезированными материалами при ЭИЛ на лесоперерабатывающих предприятиях Хабаровского края.

Научная новизна работы

1. Для упрочнения деревообрабатывающих инструментов синтезированы новые электродные материалы (патент №2428279 (51)) систем \\^-Сг-Со и №-Сг для ЭИЛ методом алюминотермии из реакционной шихты, содержащей шеелитовый концентрат (СаШОД пластифицирующие легирующие элементы (№, Сг, Со) в виде оксидных соединений и флюсующие добавки №N03, Са¥2, Ре203.

2. Установлена и научно обоснована экстремальная зависимость повышения прочности сцепления покрытий со стальной основой (5ХГМ) в зависимости от энергетических параметров ЭИЛ, и определены их предельные значения (\Уп =8-8,2 кДж/см2 , ти=(84 - 87)10"6с, ^=600Гц), при достижении которых прочность сцепления не увеличивается. При ЭИЛ численное значение выделенной энергии (\У„) является одним из ограничивающих критериев при определении рациональных технологических режимов процесса ЭИЛ.

3. Установлена закономерность влияния энергетических параметров процесса ЭИЛ на шероховатости Яа, средний шаг неровностей 8П1, волнистость и относительные опорные длины профилей Зависимость параметра шероховатости Яа от величины выделенной энергии для исследованных электродных материалов при частоте импульсов от 100 до 600 Гц имеет возрастающий характер. Определены граничные значения выделенной энергии (\УП =8-9 кДж/см ), при которых на обрабатываемой поверхности начинается образование волнистости.

4. Применение метода определения динамической микротвердости на кромках лезвий дает более точные результаты прогнозирования стойкости инструментов для деревообработки. Наибольший эффект повышения динамической микротвердости На (в 3,1 раза) и коэффициента динамического упрочнения Ку дин (в 2,8-3,1 раза) наблюдается при использовании синтезированных электродов систем \V-Cr-Co, \V-Ni-Cr.

5. Выявлено и экспериментально подтверждено негативное влияние твердой фазы на скорость образования покрытия при ЭИЛ, научно обоснована целесообразность снижения доли данной фазы посредством механического удаления осколочных частиц из зоны легирования путем обдува сжатым воздухом

при давлении 0,1-1,5 МПа. При этом производительность процесса ЭИЛ повышается в 2,3-2,6 раза.

Практическая значимость работы

1. Разработанная технология получения анодных материалов из реакционной шихты сложного состава методом алюминотермии может быть предложена к внедрению на предприятиях деревообрабатывающей промышленности и ГОК.

2. Предложенный метод исследования динамической микротвердости предлагается использовать для прогнозирования функциональных характеристик на кромках лезвий режущих инструментов и как экспресс-тест определения твердости различных клиновых поверхностей.

Разработаны и внедрены на лесоперерабатывающих предприятиях технологии получения упрочняющих покрытий ЭИЛ для повышения стойкости рабочих поверхностей ленточных пил, фуганочных ножей и пильных цепей, акты производственных испытаний которых приводятся в приложении к диссертации

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных методик испытаний модифицированных поверхностей на современном оборудовании с обработкой результатов экспериментов методами математической статистики и подтверждением результатов исследований на опытно-промышленных испытаниях.

Основные результаты исследований докладывались на международной конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии» (27 - 30 сентября 2010 года Комсомольск-на-Амуре), на международных симпозиумах: «Современные материалы и технологии 2009», «Современные материалы и технологии 2011» (5 - 9 октября 2009 г и 24 - 28 октября 2011 г. Хабаровск), на Петербургской технической ярмарке «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» получен диплом 2 степени и серебряная медаль (Санкт-Петербург, март 20 Юг). На X Московском международном салоне «Инновации и инвестиции» (Москва, сентябрь 2010 г.)

1 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, УСЛОВИЯ РАБОТЫ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ, ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ ПРИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОМ ЛЕГИРОВАНИИ

1.1 Условия эксплуатации и конструкции дереворежущих инструментов для предварительной обработки древесины

В настоящее время предприятия деревообрабатывающей отрасли не изготавливают инструмент, а используют продукцию, предлагаемую отечественной и иностранной инструментальной промышленностью. Повышение времени работы режущих инструментов для первичной переработки лесоматериалов между перезаточками значительно повысит производительность станков и машин.

В качестве материалов для изготовления большого количества деревообрабатывающих инструментов чаще всего используют инструментальные стали. Чтобы обосновать необходимость упрочнения деревообрабатывающего инструмента необходимо проанализировать особенности обработки древесины, как сложного физического тела органического происхождения и самих древесных материалов имеющих специфические физико-механические свойства. Основными параметрами древесины, имеющие отношение к резанию являются: структура древесины (ортотропно-анизотропное, волокнисто слоистое клеточное строение), меха-

нические параметры, (твердость, влажность, температура, порода, климатические условия и пр.) [1].

Взаимосвязь между механическими свойствами древесины, и процессом ее обработки резанием заключаются в следующем: обрабатывается труднее древесина твердых пород, чем древесины мягких пород; большое влияние на обработку оказывает климатические условия пиления (зима, лето); географическое место положения срубленного сырья и способ транспортировки к месту обработки (склоны - наличие абразивных включений, долины рек - сплав - повышенная влажность и т.д.). Учет особенностей структуры и механических показателей древесных материалов имеет важное значение, для организации рациональной обработки резанием.

Резание в реальных производствах осуществляется не идеальным лезвием с режущей кромкой в виде геометрической фигуры - угла с идеально острым углом, а реальным, с режущей кромкой, имеющей затупление, отклонения от идеальной формы и шероховатостью. Р�