Разработка экологически чистой технологии нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент для обработки железоуглеродистых сплавов. Определение триботехнических свойств инструментальных материалов в зависимости от скорости скольжения покрытий.
При низкой оригинальности работы "Повышение износостойкости режущих инструментов для обработки железоуглеродистых сплавов", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ Тимофеева, канд. техн. наук А.Л. ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ РІЗАЛЬНИХ ІНСТРУМЕНТІВ ДЛЯ ОБРОБКИ ЗАЛІЗОВУГЛЕЦЕВИХ СПЛАВІВВ статье рассмотрена проблема разработки экологически чистой технологии нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент для обработки железоуглеродистых сплавов. В исследованиях использованы методы определения триботехнических свойств инструментальных материалов в зависимости от скорости скольжения покрытий. В работе изучен механизм процесса изнашивания инструмента из кубического нитрида бора и металлокерамики. Ключевые слова: сверхтвердые материалы, режущий инструмент, металлокерамика, диффузия, элемент, свойства, оксиды, покрытие. The article considers the problem of the development of environmental-friendly technology of drawing of strengthening coatings on cutting tools for processing iron-carbon alloys.Однако во всех случаях прослеживается общая закономерность, заключающаяся в том, что работа сил резания вызывает ряд явлений, которые отрицательно сказываются на стойкости режущего инструмента, качестве процесса резания. В частности, при высокой удельной работе резания может иметь место пластическая деформация обрабатываемого материала и режущего инструмента. Следует заметить, что износ инструмента зависит от многих факторов - скорости резания, контактных давлений, физико-механических свойств обрабатываемого материала и инструмента [3, 4]. Это обусловлено тем, что при определенных скоростях резания резко увеличивается температура в зоне контакта, интенсивно развиваются диффузионные процессы, в том числена границе «режущий инструмент - деталь», и заметно ослабляются защитные действия оксидных пленок. trial образом, анализируя условия работы режущего инструмента, следует указать наследующие основные требования, предъявляемые к его материалу: высокая твердость, существенно превосходящая твердость обрабатываемого материала при комнатной температуре и нагреве; надежная прочность при изгибе; высокие теплопроводность, теплостойкость, уровень износостойкости и низкий коэффициент трения; слабая адгезионная способность. Для разработки экологически чистой технологии нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент в качестве насыщающей среды были использованы: 1) перегретый пар чистой воды; 2) перегретый пар водного раствора NACL; 3) перегретый пар водного раствора Na2 S2 P3; 4) перегретый пар водного раствора CUS04.
Введение
Для изготовления различных видов режущего инструмента используется большая гамма инструментальных материалов, а также дополнительно производится поверхностное упрочнение с учетом конкретных условий его работы.
В целом известно, что в процессе обработки металлов и сплавов на режущий инструмент действуют различные по величине и направлению силы [1,2]. Они зависят от режимов резания, физико-механических свойств обрабатываемого материала и материала инструмента, его конструкции. Однако во всех случаях прослеживается общая закономерность, заключающаяся в том, что работа сил резания вызывает ряд явлений, которые отрицательно сказываются на стойкости режущего инструмента, качестве процесса резания.
В частности, при высокой удельной работе резания может иметь место пластическая деформация обрабатываемого материала и режущего инструмента. В случае высокой степени деформации обрабатываемого материала и адгезионной способности к материалу инструмента возникает большая вероятность образования нароста. Нарост нарушает геометрию инструмента, увеличивает его износ и отрицательно влияет на качество обрабатываемой поверхности. Нанесение на инструмент специальных покрытий с низкой адгезионной способностью к обрабатываемому материалу может частично или полностью предотвратить процесс наростообразования [3].
Следует заметить, что износ инструмента зависит от многих факторов - скорости резания, контактных давлений, физико-механических свойств обрабатываемого материала и инструмента [3, 4].
Но решающее значение на износ оказывает скорость резания [6]. Это обусловлено тем, что при определенных скоростях резания резко увеличивается температура в зоне контакта, интенсивно развиваются диффузионные процессы, в том числена границе «режущий инструмент - деталь», и заметно ослабляются защитные действия оксидных пленок. trial образом, анализируя условия работы режущего инструмента, следует указать наследующие основные требования, предъявляемые к его материалу: высокая твердость, существенно превосходящая твердость обрабатываемого материала при комнатной температуре и нагреве; надежная прочность при изгибе; высокие теплопроводность, теплостойкость, уровень износостойкости и низкий коэффициент трения; слабая адгезионная способность.
Постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными и практическими задачами. Современный уровень развития техники требует увеличения объема производства при одновременном повышении качества режущего инструмента. Проблема повышения качества инструмента касается прежде всего повышения его стойкости, которая достигается либо изысканием новых инструментальных
Збірник наукових праць УКРДАЗТ, 2014, вип. 145 144
Технологія металів та матеріалознавство материалов, либо путем поверхностного его упрочнения. Второй путь имеет ряд преимуществ и поэтому уже длительное время усилие многих специалистов по резанию и материаловедению направлено на разработку новых методов и материалов поверхностного упрочнения, что на сегодня является актуальным. trialз последних исследований и публикаций. Предложены и нашли уже практическое применение десятки способов упрочнения деталей и инструмента, среди которых такие, как химикотермические, тепловые и механические воздействия лишь на поверхностные слои материала инструмента [6]. Известны методы поверхностного упрочнения, к которым можно отнести: электроискровой метод, плазменное напыление, химическое осаждение из газовой среды, электролитическое осаждение.
Что касается первого пути повышения качества инструмента, то крупным скачком в развитии инструментальной промышленности явилось производство инструмента из специальных сверхтвердых материалов (СТМ) и керамических материалов (КМ) [7].
Целью данного исследования является разработка экологически чистой технологии нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент.
Основная часть исследований. При разработке новой технологии особое внимание заслуживает низкотемпературный метод нанесения покрытий из газообразной фазы, содержащей такие элементы, как Мо, W, Ni, Ті. N и др.
В частности, уже частично опробован способ поверхностного упрочнения режущего инструмента из высокоуглеродистых (У8,У10) и легированных сталей (Р6М5). Суть этого метода заключается в использовании парогазовой насыщающей среды, содержащей Мо, S, N, Cu и другие элементы, которые формируют оксидное защитное покрытие на инструментальных материалах с антифрикционными свойствами [8].
В последние годы в металлообрабатывающей промышленности находят широкое применение новые инструментальные материалы, изготовленные на основе сверхтвердых материалов. Особенностью для этих материалов является то, что в зоне резанья возникают высокие значения коэффициента трения.
Наибольший интерес с научной и практической точек зрения представляет исследование влияния оксидных покрытий на износ инструмента, изготовленного из кубического нитрида бора (КНБ).
Результаты испытаний и исследований. Для разработки экологически чистой технологии нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент в качестве насыщающей среды были использованы: 1) перегретый пар чистой воды; 2) перегретый пар водного раствора NACL; 3) перегретый пар водного раствора Na2 S2 P3; 4) перегретый пар водного раствора CUS04.
Испытания проводились с целью выявления влияния сформированного покрытия на свойства режущего инструмента, а именно на величину износа и значение коэффициента трения в зоне резания чугуна и КНБ при разных скоростях резания.Для этого были изготовлены специальные цилиндрической формы образцы из металлокерамики, которые использовались в качестве металлорежущих пластин токарных резцов.
Химический состав и содержание компонентов испытуемых материалов металлокерамических пластин приведены в табл. 1.
Таблица 1 Содержание компонентов и химический состав испытуемого композиционного керамического материала
Збірник наукових праць УКРДАЗТ, 2014, вип. 145 145
Технологія металів та матеріалознавство
В качестве материалов, обрабатываемых токарными резцами с испытуемыми пластинками из КНБ, применяли маслотный чугун, используемый для нарезки поршневых колец. Твердость чугуна 240 НВ.
Химический состав маслотного чугуна приведен в табл. 2. Износ пластин из металлокерамики определяли при точении закаленной стали 40Х.
Первая опытная партия инструмента, предназначенного для нарезки поршневых колец из маслотного чугуна, была обработана по четырем вариантам, отличающимся химическим составом насыщающей среды.
Таблица 2 Химический состав испытуемого чугуна
Материал Содержание элементов, мас. дол. % (ост.-Fe)
C Маслотный чугун 3,7
Si Mn Ti
2,6 0,80 0,11
P S Cu Cr
0,48 0,09 0,45 0,18
По всем вариантам химикотермического способа нанесения покрытия температура составляла 600°С, продолжительность насыщения - 60 мин.
Были проведены сравнительные лабораторные испытания образцов с покрытием и без покрытия, изготовленных из КНБ.
Линейный износ режущих пластин устанавливался методом обмера их позадней поверхности после обработки чугунных заготовок (маслотного чугуна) длиной 210 мм.
Зависимость величины износа пластин из КНБ от химического состава насыщающей парогазовой среды, содержащей ионы и катионы различных химических элементов и используемой для создания покрытий, приведена на рис. 1.
Рис. 1. Изменение величины износа пластин из КНБ в зависимости от скорости резания и состава насыщающей среды при ХТО: 0 - исходный образен (без ХТО); 1 - перегретый водяной пар; 2 - раствор NACL (3%); 3 - раствор Na2S2O3(3%); 4 - раствор CUSO4(3%)
Збірник наукових праць УКРДАЗТ, 2014, вип. 145 146
Технологія металів та матеріалознавство
Анализируя полученные экспериментальные данные при скоростях скольжения 145 и 500 м/мин, следует отметить наличие характерного предельного значения скорости резания, при котором качественно изменяется роль покрытия в процессе обработки маслотного чугуна. А именно при скорости резания более 145 м/мин и вплоть до 550 м/мин все исследованные покрытия усиливают скорость изнашивания режущих пластин. В наибольшей мере проявляется увеличение в случае покрытия, полученного из водного раствора хлористого натрия, а в наименьшей - тиосульфата натрия.
В то же время обработка пластин из КБН по всем вариантам состава насыщающей среды уменьшает интенсивность их изнашивания, если скорость резания маслотного чугуна ниже 145 м/мин. В частности, покрытие из водного раствора Na2 S2 О3 и CUSO4 на 30 % уменьшает износ пластин по сравнению с исходным вариантом (0). Существенное повышение величины износа пластин, обработанных по варианту 2, может быть связано с тем, что, как было установлено ранее, такого рода покрытие резко повышает коэффициент трения.
Исследования проводились на образцах сопряженной пары «серый чугун покрытие -маслотный чугун» на машине трения СМЦ - 2 при скорости скольжения 1,04 м/с и давлении 4,5 МПА. На поверхность трения химикотермическим методом наносили покрытие из перегретого пара водного раствора солей NACL и Na2 S2 О3.
Оказалось, что, несмотря на одинаковую структуру и химический состав исходных чугунов (материала подложки) испытываемой пары трения, указанные покрытия коренным образом изменяют условие трения: наличие соли натрия в покрытии создало предпосылки для создания условий фрикционности работы пары трения, в отличие от соли Na2S2О3, которая способствовала повышению антифрикционных свойств исходной пары трения «серый чугун - маслотный чугун». На протяжении 100 часов испытаний пары трения с покрытием из NACL стабильно сохранялось значение коэффициента трения в пределах 0,45...0,50 (рис. 2). Температура смазки в объеме 250 мл поддерживалась практически постоянной на всех промежутках испытания (6 часов непрерывного испытания) и равнялась 160...175°С.
Рис. 2. Изменение коэффициента трения сопряжения «колодка - диск»
(СЧ покрытие - маслотный чугун) в зависимости от состава насыщающей среды: 1 - ХТО в среде Na2 S2 О3; 2 - ХТО в среде NACL
В случае пары трения с покрытием, полученным в среде водного раствора Na2S2О3, значение коэффициента трения составляло 0,015...0,08. Температура масла за 6 часов испытаний не превышала 60°С.
Как подчеркивалось ранее, кроме коэффициента трения на износ резца оказывают существенное влияние другие факторы, учет которых должен быть комплексным. Однако по результатам предварительных экспериментов можно сделать вывод, что микролегированные оксидные покрытия оказывают двойственное влияние на износ пластин из КНБ: при скорости резания чугуна, не превышающей 150 м/мин, ослабляют интенсивность процесса изнашивания, при более высокой (вплоть до 550 м/мин) - усиливают, причем в различной степени в зависимости от состава покрытия. Для объяснения этих закономерностей необходимо провести дополнительные испытания и исследования, охватывающие более широкий диапазон концентраций элементов в насыщающей среде, которые оказывают минимальное отрицательное влияние на износ пластинки. Кроме того, возможно, что снижение температуры ХТО может быть также положительным фактором,
Збірник наукових праць УКРДАЗТ, 2014, вип. 145 147
Технологія металів та матеріалознавство поскольку при температуре ? 6000 С имеет место частичное окисление КНБ, а значит снижение твердости рабочего микрослоя.
Исследовали также влияние аналогичных оксидных покрытий на режущую способность керамических пластин. Испытания керамических неперетачиваемых пластин проводили в процессе чистовой обработки закаленной стали 40Х с твердостью 50...53 HRC, без применения смазочно-охлаждающей жидкости. Это связано с тем, что керамика в таких условиях резания лучше сохраняет твердость, достаточно хорошо переносит резкие температурные перепады.
На рис. 3 приведены результаты определения зависимости величины износа пластин из композита от скорости резания и состава оксидных покрытий.
Рис. 3. Зависимость величины износа пластин позаданной поверхности в зависимости от скорости резания стали 40Х: 1 - чистый композит без покрытия; 2 - перегретый водный пар; 3 - перегретый водный раствор Na2 S2 О3 (3%)
Установлено, что парооксидирование и в особенности оксилегирование поверхностного слоя керамической пластинки повышают ее износостойкость при скорости резания в пределах 100...350 об/мин. Причем с повышением скорости резания во всех случаях наблюдается тенденция повышения износа режущей пластинки. Но износостойкость пластин с оксидными покрытиями фактически в 4 раза выше, чем у необработанных. Это достигается, очевидно, в первую очередь за счет снижения коэффициента трения, а также благодаря падению химической активности поверхностного рабочего слоя.
Известно, что процесс резания может сопровождаться пластическим течением поверхностных контактных слоев инструментального материала и их дальнейшим срезом. Это связано с размягчением материала инструмента при больших скоростях и подачах обработки. Однако керамические материалы обладают достаточной твердостью даже при высоких температурах и поэтому срез материала происходит в месте соединения покрытия и режущей пластинки.
Можно представить, что в процессе резания имеет место рост оксидной пленкина поверхности подложки (композита) за счет диффузии к ней кислорода. Это в конечном итоге приводит к образованию твердых растворов шпинельного типа, которые увеличивают вязкость разрушения керамических пластин и снижают вероятность абразивного износа.
Чем выше скорость резания, а следовательно, температура, тем больше толщина оксидной пленки, а значит сильнее проявляются ее защитные свойства. Химическая активность материала резца, таким образом, снижается.
Устойчивость и эффективность оксидного покрытия объясняется, очевидно, не только прочной адгезионной связью между покрытием и подложкой, но и возможностью образования твердых растворов внедрения или замещения между материалом покрытия и подложкой, а также наличием эффективного диффузионного барьера на границе «инструмент - обрабатываемый материал». При наличии оксидного слоя снижается также вероятность хрупкого разрушения керамики.
Выводы. С учетом природы и химического состава исследуемых СТМ и КМ материалов предложен и частично опробован способ химикотермического нанесения оксидных покрытий, суть которого заключается в воздействии (30...60 мин) перегретого (600°С) пара водного раствора (3 %) различных солей на рабочую поверхность инструмента.
Технологический процесс нанесения оксидных покрытий опробован в лабораторной печи, прост, недорогой, высокопроизводителен, экологически чист.
Предварительные сравнительные испытания режущих пластин из КНБ и композитов на основе оксидов, нитридов и
Збірник наукових праць УКРДАЗТ, 2014, вип. 145 148
Технологія металів та матеріалознавство других мелкодисперсных абразивных частиц показали, что оксидные покрытия оказывают положительное влияние на их износостойкость. Наиболее значительный эффект (износ уменьшается в 2...4 раза) достигается при обработке чугуна и стали 40Х (закаленной до 50-52 НЛС), если скорость резания не превышает 140...150 м/мин.
С увеличением скорости резания вплоть до 500 м/мин наблюдается пропорциональное увеличение износа, характерное для пластин из КНБ.
В дальнейшем необходимо провести исследования диффузионных и физико-химических процессов, происходящих в поверхностных слоях режущих пластин во время ХТО и в результате механической обработки. Кроме того, следует продолжить исследования в направлении более широкого варьирования параметрами процесса ХТО инструмента - температурой, химическим составом и концентрацией насыщающей среды. Это позволит добиться их оптимизации, а также уточнить химический состав покрытия.
Список использованных источников
1. Даниелян, А.М. Теплота и износ инструментов в процессе резания [Текст] / А.М. Даниелян. - М.: Машгиз, 1984. - 275 с.
2. Конструкционные материалы [Текст] / под ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1986. - 383 с.
3. Макаров, А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов [Текст] / А.Д. Макаров. - М.: Машиностроение, 1966. - 264 с.
4. Табаков, В.П. Износостойкие покрытия на основе нитрида титана, легированного железом и алюминием, для режущих пластин резания [Текст] / В.П Табаков // Станки и инструмент. - 1991. - №3. - С. 29-30.
5. Шагнев, С.А. Экономическая эффективность использования режущего инструмента с покрытиями, полученными методом химического и физического осаждения: CVD и PVD [Текст] / С.А. Шагнев, C.B. Бойко // Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химикотермической обработки деталей машин и инструмента: тез. докл. к зонал. конф., 12-13 апр. 1990. - Пенза, 1990. - С. 42-43.
6. Мацевитый, В.М. Покрытия для режущих инструментов [Текст] / В.М. Мацевитый. - Харьков: Вища шк., 1987. - 128 с.
7. Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами, и их применение резанием [Текст] / В.П. Жедь, Г.В. Боровской, Я.А. Музыкант, Г.М. Ипполитов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1987. - 319 с.
8. Гуров, К.П. Взаимная диффузия в многофазных металлических системах [Текст] / К.П. Гуров, Б.А. Карташкнн, Ю.Э. Угасте. - М.: Наука, 1981. - 349 с.
Тимофеєва Лариса Андріївна, д-р техн. наук, професор, завідуюча кафедрою матеріалів і технології виготовлення виробів транспортного призначення Української державної академії залізничного транспорту. Тел.: (057) 730-10-49.
Комарова Ганна Леонідівна, канд. техн. наук, доцент кафедри матеріалів і технології виготовлення виробів транспортного призначення Української державної академії залізничного транспорту.. Тел.: (057) 730-10-49.
Timofeeva Larisa Andreevna, dr. sciences, professor, head. department of materials and technology of the manufacture of products for transport purposes Ukrainian State Academy of Railway Transport. Tel: (057) 730-10-49.
Komarova Anna Leonidovna, k-t technology. sciences, associate professor, department of materials and technology of the manufacture of products for transport purposes Ukrainian State Academy of Railway Transport. Tel.: (057) 730-10-49.
Збірник наукових праць УКРДАЗТ, 2014, вип. 145 149
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
