автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Создание боросодержащего материала для металлорежущих инструментов

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ р ^ДК §2^1.791.92: 669.018.25(043.3)

/ б кюл шз

СНАРСКИЙ Андрей Станиславович

СОЗДАНИЕ БОРОСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ.

05.02.01- материаловедение в машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МИНСК- 1998

Работа выполнена в Полоцком государственном университете.

Научный руководитель:

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

доктор технических наук, профессор Ворошнин Л.Г.

кандидат технических наук Поко O.A.

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

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

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

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке БГПА.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

Поиск новых видов инструментальных материалов, обладающих комплексом свойств, необходимых для конкретных условий эксплуатации является весьма актуальным. Об этом свидетельствует участие в указанных исследованиях фирмы Krupp GmbH и ряда других. Министерство исследований и технологий Германии (BMFT) только в 1995 году выделило 2,74 млн. немецких марок для проведения исследований и внедрения новых типов композиционных материалов инструментального назначения. Указанная проблема актуальна и для Беларуси, особенностью которой является наличие развитого машиностроительного комплекса с высокой потребностью в металлообрабатывающих инструментах.

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

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

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

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

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

руководитель д.т.н., профессор Пантелеенко Ф.И., Ответственный исполнитель Снарский А.С.).

Цели и задачи исследования. Целью проведенной работы является:

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

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

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

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

- исследовать процессы структурообразования в боросодержащем материале при его термообработке;

- разработать технологические схемы оснащения разработанным материалом металлорежущего инструмента;

- выявить особенности поведения материала в реальных условиях эксплуатации;

- определить области рационального использования разработанного инструментального материала.

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

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

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

Б=1 ОНУ/с, где

НУ- средняя твердость покрытия по Виккерсу;

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

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

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

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

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

Фазовый состав материала определялся с помощью рентгеноструктурного фазового анализа, проводимого на приборе 0500 (51ЕМЕ^, Германия) при монохроматическом Сиа излучении.

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

Научная новизна и значимость полученных результатов:

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

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

2. Установлены закономерности формирования разработанного боросодержащего порошкового материала системы Ре-В-С-\М-Мо-Сг-\/ в инструментальное изделие, а также определен характер «поведения» указанного материала при его спекании в различных газовых средах (окислительной, восстановительной, инертной).

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

проводить в окислительной среде (воздухе).

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

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

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

Бор, входящий в указанный материал, приводит к образованию при трении скольжения на поверхности изнашивания структур на основе оксида бора В2Оэ, обеспечивающих эффект самосмазывания, что резко снижает износ данного материала.

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

Разработан ряд технологических схем оснащения металлорежущих инструментов разработанным боросодержащим материалом.

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

Результаты работы также использованы при подготовке и проведении лабораторных практикумов по курсам «Основы повышения эксплуатационных свойств поверхностей» и «Новые композиционные материалы» для специальности Т03.02.00.(1206) «Технология и оборудование высокоэффективных процессов обработки материалов».

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

— концепция создания боросодержащего инструментального материала;

— закономерности структурообразования в указанном материале при его термообработке;

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

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

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

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

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

- методом наплавки на стальную подложку;

— методом порошковой металлургии (прессование с последующим спеканием).

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

Апробация результатов диссертации. Основные положения работы были доложены:

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

на научно-технических конференциях «Современные

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

дополнительное легирование.

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

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

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

- методика определения трещиностойкости материала;

методика определения скорости охлаждения разрабатываемого материала.

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

Проведенные исследования позволили установить, что наплавленные покрытия из порошка системы ПР-10Р6М5+бор обладает наилучшими свойствами: «инструментальной» твердостью (свыше 78 О НУ) в широком диапазоне содержания бора в порошке (1-8% по массе). Тогда как остальные покрытия имеют указанную твердость только при наличие в структуре избыточных фаз, резко повышающих склонность материала к хрупкому разрушению. Установлена, также высокая износостойкость при трении скольжения наплавленных покрытий из порошка ПР-10Р6М5+бор (система Ре-В-С-\М-Мо-Сг-\/). Указанный материал и был выбран объектом дальнейших исследований.

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

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

Э-тШ/с,

где Н\Г- средняя твердость покрытия по Виккерсу;

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

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

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

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

- метод наплавки на стальную подложку,

- метод порошковой металлургии (прессование с последующимспеканием).

В результате проведенных исследований установлены общие закономерности получения материала из боросодержащих порошков: благодаря наличию в порошке бора происходит процесс самофлюсования (раскисление поверхности частиц и образование защитной пленки из расплавленного оксида бора В203 на поверхности). Поэтому наплавку указанного материала можно проводить без защитных мер на воздухе. Спекание указанного материала также лучше проводить без применения защитной атмосферы в обычной кислородосодержащей среде (воздухе).

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

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

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

- снижение температуры спекания за счет образования легкоплавких эвтектических составляющих.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

наибольшей теплостойкостью обладает покрытие с заэвтектическим типом структуры 2. Наибольшей трещиностойкостью обладает покрытие с эвтектическим типом структуры.

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

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

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

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

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

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

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

Также установлено, что:

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

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

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

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

Проведены эксперименты по электронно-лучевой обработке (ЭЛО) наплавленных покрытий из разрабатываемого материала. Установлены основные закономерности процесса ЭЛО указанного материала. При закалке из жидкого состояния происходит формирование слоя с аномально высокой твердостью до 1100HV и низкой трещиностойкостью 150-220 МПа/м*10"е.

Для повышения сопротивления хрупкому разрушению была проведена термообработка покрытий после ЭЛО: двухкратный отпуск при температуре 800°С продолжительностью по 0.5 часа. Установлено, что указанный отпуск повышает трещиностойкость в 1.5-2 раза при сохранении высокой твердости 950-980 HV.: Предложены практические рекомендации по применению указанного метода обработки: ЭЛО наплавленного покрытия на "мягком" режиме (плотность мощности 103 Вт/см2) с последующим двухкратным отпуском (температура отпуска - 800 °С, продолжительность каждой выдержки при данной температуре - 0.5 часа ),

В пятой главе «Основы изготовления и особенности

I

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

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

Проведенные исследования позволили установить, что:

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

- наивысшую износостойкость имеет материал имеющий эвтектический тип структуры;

- в условиях трения скольжения без применения СОЖ замечено образование в зоне трения структур самосмазывания на основе В2Оэ, которые повышают триботехнические характеристики разработанного боросодержащего материала системы Яе-В-С-УУ-Мо-СГ'Ч.

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

1. Низкоуглеродистая сталь (сталь Ст 3 );

2. Среднеуглеродистая конструкционная сталь (Сталь 45 );

3. Нетеплостойкая инструментальная сталь ( 6ХВ2С );

4. Полутеплостойкая инструментальная сталь (45ХН4МФА ).

Установлено, что:

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

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

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

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

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

Также разработано несколько технологических схем оснащения металлорежущих инструментов боросодержащим материалом системы Ре-В-С-У/-Мо-Сг-\/:

- плазменная наплавка порошкового материала на корпус инструмента;

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

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

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

Определены наилучшие режимы резания для некоторых материалов. Так, например, при точении стали 40Х (200 НУ) без СОЖ (глубина резания 0.5 мм, подача 0.1 мм/об, скорость резания 30-35 м/ мин) период стойкости соответствует 30-45 мин. Указанный материал может работать при обработке данной стали при скорости резания в 1,8 - 2.1 раза превышающей скорость резания быстрорежущей сталью при том же периоде стойкости.

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

Результаты указанных испытаний свидетельствуют о том, что

&

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

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

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

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

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

- введение бора приводит к образованию в условиях трения скольжения на поверхности материала структур самосмазывания на основе оксида бора В2Оэ [1].

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

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

5. Разработано несколько технологических схем оснащения

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

- плазменная наплавка порошкового материала на корпус инструмента;

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

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

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

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

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

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

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

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

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

6. Применение шламовых отходов сталей в качестве сырья

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

я

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

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

Разработаны научные и технологические основы получения и термической обработки боросодержащего инструментального материала. Выбран наилучший способ получения данного материала: плазменная наплавка с последующей закалкой материала из жидкого состояния с использованием электронно-лучевой, обработки (плотность мощности 10э Вт/см2) и с проведением последующего двухкратного отпуска при температуре 800 °С продолжительностью 0.5 часа.

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

РЕЗЮМЭ Снарсю Андрэй Станислававн АТРЫМАННЕ БОРАУТРЫМЛ1ВАЮЧАГА МАТЭРЫЯЛУ ДЛЯ МЕТАЛАРЭЗНАГА (НСТРУМЕНТА Ключавыя словы: самафлюсавальныя парашю на жалезнай аснове, наплауленае пакрыцце, ¡нструментальная пласцжа, бораутрымл1ваючы ¡нструментальны матэрыял, терм1чная апрацоука, апрацоука металау рэзаннем.

У якасц1 аб'екта даследванняу выступав новы ¡нструментальны матэрыял, атрыманы метадам дыфузШнага леправання борам парашку хуткарэзнай стал! 10Р6М5 з наступным яго кампактыраваннем. Метай працы з'яуляецца распрацоука i даследванне гэтага матэрыялу.

Распрацаваны навуковыя i тэхнапал'чныя асновы атрымання i термннай апрацоук1 бораутрымл!ваючага ¡нструментальнага матэрыялу. Выбран найлепшы спосаб атрымання дадзенага матэрыялу: плазменная наплаука з наступнай загартоукай матэрыяла з вадкага стану з прымяненнем электронна-прамяневай апрацоую (шчыльнасць магутнасщ 103 Вт/смг) i з правядзеннем наступнага двухразовага водпуска пры тэмпературы 800 °С працягласцю 0.5 гадзЫы.

Металларэзны ¡нструмент, аснашчаны бораутрымл1ваючым матэрыялам, рэкамендуецца выкарыстоуваць для чыставой i паучыставой алрацоук! незагартаваных сталей, а таксама алюмМя i яго сплавау,-

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

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

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

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

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

СНАРСКИЙ Андрей Станиславович

СОЗДАНИЕ БОРОСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.05.98, Формат 60x84/16 Печать ксероксная Усл.-печ.л. 1,39 Уч.-изд.л.1,25 Тираж 100 Заказ /35*

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