Підвищення експлуатаційних властивостей інструменту з карбідотитанових безвольфрамових твердих сплавів нанесенням спеціальних покриттів - Автореферат

Дефіцит в Україні вольфраму та інших елементів, що використовуються у виробництві твердих сплавів, які є матеріалом для виготовлення ріжучого інструменту, привів до розробки і впровадження безвольфрамових твердих сплавів (БВТС). Існуючі на сьогодняшній день методи її підвищення шляхом добавки легуючих елементів, або поверхневої обробки лазерним зміцненням, або нанесенням зносостійких покриттів з карбіду та нітриду титану, виявляються або малоефективними з точки зору співвідношення між величиною підвищення стійкості і вартістю енерговитрат, що потрібні для цього, або недостатньо надійними при масовому його застосуванні у виробничих умовах, і, отже, малопридатними для масового виробництва. Встановлено закономірності в розподілі элементного і фазового складу покриттів, а також перехідного прошарку на межі з основним сплавом і науково обгрунтовано їхній вплив на експлуатаційні характеристики сплаву. Експериментальні методи: метод оптичної мікроскопії - для дослідження структури сплаву в початковому (необробленому) стані, та структури сплаву з нанесеними покриттями (досліджували на оптичному мікроскопі МИМ-7); метод електронної мікроскопії з мікрорентгеноспектральним аналізом - для вивчення розподілу елементного складу у сплаві до і після нанесення покриттів (досліджували на електронному мікроскопі "Jeol" JSM 820 з системою енергодисперсійного рентгеноспектрального мікроаналізу Link На підставі аналізу даних наукових і патентно-інформаційних джерел, а також дослідження закономірностей процесу зношування БВТС в умовах термо-силового навантаження, показано і науково обгрунтовано, що ефективне підвищення стійкості цих сплавів можливе при нанесенні на них покриттів, що включають у себе оксиди і сульфіди елементів основного матеріалу.Нанесення покриттів на ТН-20 проводилось чотирма методами з метою обрання найбільш ефективного: парооксидуванням, оксилегуванням, методом КІБ та комплексним. Для аналізу результатів, отриманих при застосуванні запропонованих методів обробки сплаву, проводилось дослідження його фазового складу в приповерхневій області і на межі твердий сплав - покриття, а також розподілу елементів у початковому й обробленому сплавах і у самих покриттях. Випробуванням піддавалися чотиригранні змінні непереточувані ріжучі пластини квадратної форми 03114-150412 (ГОСТ - 19052-80) з безвольфрамового твердого сплаву марки ТН-20 без покриття, а також з покриттями, отриманими за допомогою методів парооксидування, оксилегування, методу КІБ і комплексного методу. Для порівняння умов тертя, що виникають на лезах ріжучих пластин без покриттів і з покриттями, в роботі проводилась реєстрація складових сил різання (Pz, Ру). По отриманим даним визначалися значення коефіцієнта тертя mm,, будувалися й аналізувалися графіки залежностей коефіцієнта тертя від швидкості різання для різців без покриттів і з покриттями.Проведений комплекс досліджень дозволяє сформулювати слідуючи основні наукові результати і практичні висновки: Аналіз умов роботи і причин недостатньої стійкості інструменту з БВТС, а також отриманих автором результатів досліджень і експериментів, показав, що ефективним способом підвищення стійкості є нанесення на поверхню різців покриттів, що містять у своєму складі оксиди і сульфіди елементів основного сплаву. При дослідженні ріжучих пластин з БВТС с покриттями, отриманими різними методами обробки, встановлено, що найкращі експлуатаційні властивості має інструмент, підданий оксилегуванню. Причиною цього є наявність перехідного прошарку на межі сплав-покриття, який являє собою структуру, що сформувалась внаслідок хімічних реакцій, перерозподілу елементів і фаз, та дифузійних процесів і складається як з хімічних сполук самого сплаву (ТІС, Ni, Mo), так і з його оксидів і сульфідів (TIO2, NIO, MOO2, MOS2, Ni3S2). Результати виконаного в роботі термодинамічного аналізу, а також характер перерозподілу елементів і фаз у приповерхневій зоні зразків при парооксидуванні і оксилегуванні дають підстави для побудови фізико-хімічної моделі формування покриттів у середовищі перегрітої пари на основі розробленої С.А.Кукушкіним і А.В.Осиповим теорії кінетики фазового переходу у системі адсорбований пар-тверде тіло з урахуванням хімічних реакцій між компонентами. На основі математичного аналізу виявлено оптимальну товщину оксилегованого покриття (2,5 мкм), яка забезпечує максимальну стійкість інструменту з БВТС, а також співвідношення величин параметрів технологічного процесу його нанесення, що забезпечує одержання такої товщини, та визначено припустимі межі зміни цих параметрів: час витримки в парогазовому середовищі (30-60 хв.), температура обробки (550-750°C), концентрація тіосульфату натрію в розчині (3-7 г/літр).

2. Основний зміст роботи

Проведений комплекс досліджень дозволяє сформулювати слідуючи основні наукові результати і практичні висновки: Аналіз умов роботи і причин недостатньої стійкості інструменту з БВТС, а також отриманих автором результатів досліджень і експериментів, показав, що ефективним способом підвищення стійкості є нанесення на поверхню різців покриттів, що містять у своєму складі оксиди і сульфіди елементів основного сплаву. Механізм дії таких покриттів аналогічний механізму дії твердих мастил.

При дослідженні ріжучих пластин з БВТС с покриттями, отриманими різними методами обробки, встановлено, що найкращі експлуатаційні властивості має інструмент, підданий оксилегуванню. Причиною цього є наявність перехідного прошарку на межі сплав-покриття, який являє собою структуру, що сформувалась внаслідок хімічних реакцій, перерозподілу елементів і фаз, та дифузійних процесів і складається як з хімічних сполук самого сплаву (ТІС, Ni, Mo), так і з його оксидів і сульфідів (TIO2, NIO, MOO2, MOS2, Ni3S2). За своїм елементним складом та властивостями утворена структура є спадковою відносно покриття, але більш довговічною і тому сприяє менш інтенсивному зношуванню інструменту.

Результати виконаного в роботі термодинамічного аналізу, а також характер перерозподілу елементів і фаз у приповерхневій зоні зразків при парооксидуванні і оксилегуванні дають підстави для побудови фізико-хімічної моделі формування покриттів у середовищі перегрітої пари на основі розробленої С.А.Кукушкіним і А.В.Осиповим теорії кінетики фазового переходу у системі адсорбований пар-тверде тіло з урахуванням хімічних реакцій між компонентами. Відповідно до неї на першому етапі процес створення покриттів протікає внаслідок хемосорбції, що супроводжується окислювально-відновними реакціями між хімічними елементами матеріалу БВТС і компонентами робочого середовища. У результаті зявляється плівка. Подальший ріст плівки йде за рахунок дифузійних процесів. На основі металографічних досліджень виявлено, що оксилегування змінює структуру основного сплаву тільки в тонкій приповерхневій зоні, а отже не змінює фізико-механічних, у тому числі міцністних, властивостей БВТС.

На основі математичного аналізу виявлено оптимальну товщину оксилегованого покриття (2,5 мкм), яка забезпечує максимальну стійкість інструменту з БВТС, а також співвідношення величин параметрів технологічного процесу його нанесення, що забезпечує одержання такої товщини, та визначено припустимі межі зміни цих параметрів: час витримки в парогазовому середовищі (30-60 хв.), температура обробки (550-750°C), концентрація тіосульфату натрію в розчині (3-7 г/літр).

Проведені у Харківському науково-дослідному інституті технології машинобудування та на Харківському заводі тракторних двигунів випробування на стійкість інструменту зі сплаву марки ТН-20, що пройшов хіміко-термічну обробку відповідно запропонованим у даній роботі режимам, показали, що така обробка підвищує стійкість інструменту при чистовому точінні в середньому в 1,8-2,5 рази. Очікуваний річний економічний ефект за рахунок зниження витрат на придбання змінних непереточуваних ріжучих пластин при використанні пластин, оброблених методом оксилегування, в заводських умовах складає біля 9502 грн. на 1 верстат.

Це дозволяє рекомендувати її для широкого застосування.

У додатках наведено розрахунки регресійного рівняння стійкості ріжучих пластин, регресійного рівняння залежності між технологічними параметрами процесу оксилегувания, що забезпечують оптимальну товщину покриття, та акти з застосування результатів розробок і досліджень.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

Тимофеева Л.А., Геворкян Э.С., Солнцев Л.А., Чубукин А.С. Повышение стойкости резцов из однокарбидных безвольфрамовых твердых сплавов. // Високі технології в машинобудуванні: тенденції розвитку, менеджмент, маркетінг. Праці VII міжнародного науково-технічного семінару - Харків- ХДПУ- Алушта -1997.

Чубукин А.С. Влияние твердосмазочных покрытий на стойкость безвольфрамовых твердых сплавов. // Вестник Харьковского Государственного Политехнического Университета - Вып.16. - Харьков: ХГПУ - 1998.

Чубукин А.С., Тимофеева Л.А., Солнцев Л.А., Влияние оксилегирования на изнашивание инструмента из безвольфрамового твердого сплава ТН-20 при резании сталей. // Вестник Харьковского Государственного Политехнического Университета - Вып.21. - Харьков: ХГПУ - 1998

Чубукин А.С. Повышение стойкости безвольфрамовых твердых сплавов. // Вестник Харьковского Государственного автомобильно - дорожного технического Университета - Вып.8. - Харьков: ХГПУ - 1998.

Чубукин А.С., Солнцев Л.А., Мощенок В.И. Повышение стойкости безвольфрамовых твердых сплавов путем оксилегирования. // Сварка и смежные технологии. Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием. - М.: МЭИ (ТУ) - 2000.