Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор. особенности обработки резанием жаропрочных материалов. цели и задачи исследования 11
1.1 Анализ методов определения обрабатываемости сталей и сплавов при точении. Критерий износа сменных многогранных пластин (СМП) 11
1.2 Жаропрочные металлы и сплавы. Анализ эксплуатационных свойств 16
1.3 Анализ влияния физико-механических свойств жаропрочных металлов и сплавов на обрабатываемость при точении 28
1.4 Инструментальные материалы сменных многогранных пластин (СМП) для обработки жаропрочных материалов 37
1.5 Анализ данных литературного обзора. Задачи исследования 41
Выводы по главе 1 43
2 Методика исследования процесса резания при точении, структуры и свойств сплава Х65НВФТ 44
2.1 Исследуемые жаропрочные сплавы на основе хрома (Х65НВФТ) и никеля (ХН77ТЮР). Состав, технология производства 44
2.2 Исследование структуры и определение механических свойств – факторов, определяющих обрабатываемость резанием при точении 47
2.3 Определения склонности сплавов к наклепу 53
2.4 Осаждения покрытий на СМП из твёрдых сплавов КНТ16, ВК10-ХОМ, ВРК15 54
2.5 Исследования обрабатываемости резанием жаропрочных сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР при точении резцами, оснащенными СМП 55
2.6 Математическая обработка результатов исследований определения механических свойств и стойкостных испытаний 59
Выводы по главе 2 63
Исследования влияния структуры и свойств сплава х65нвфт на параметры процесса резания 64
3.1 Исследование структуры сплава в состоянии поставки 64
3.2 Механические свойства сплава в состоянии поставки 68
3.3 Характер разрушения сплава Х65НВФТ 72
3.4 Фазовые превращения при термической обработке сплава Х65НВФТ... 79
3.5 Разработка режима отжига, обеспечивающего повышение производительности при обработке деталей из сплава Х65НВФТ 87
Выводы по главе 3 92
4 Исследование процесса резания жаропрочного сплава на основе хрома 93
4.1 Сравнительный анализ структуры и свойств сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР, определяющих их обрабатываемость при точении 94
4.2 Кинетика изнашивания инструмента при точении жаропрочных сплавов резцами, оснащенными СМП 103
4.3 Влияние модуля упругости на составляющие силы резания 107
4.4 Шероховатость обработанной поверхности деталей из сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР при точении 116
4.5 Исследование стружкообразования при точении сплавов на основе хрома и никеля в зависимости от скорости резания 116
4.6 Выбор инструментального материала СМП для точения сплава Х65НВФТ 122
4.7 Разработка состава твердого сплава высокой теплостойкости для СМП, предназначенных для точения жаропрочного сплава Х65НВФТ 127
4.8 Лабораторные и промышленные испытания резцов, оснащенных СМП из сплава ВР7К6 138
Выводы по главе 4 140
Заключение 141
Список литературы 144
- Жаропрочные металлы и сплавы. Анализ эксплуатационных свойств
- Исследование структуры и определение механических свойств – факторов, определяющих обрабатываемость резанием при точении
- Разработка режима отжига, обеспечивающего повышение производительности при обработке деталей из сплава Х65НВФТ
- Шероховатость обработанной поверхности деталей из сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР при точении
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Условия эксплуатации машин в ряде промышленных отраслей, определяющих уровень технического развития страны, характеризуются повышенными или высокими температурами. Это энергетика, авиация, ракетостроение, космическая промышленность и др. Их эксплуатация не возможна без применения материалов, сохраняющих необходимую прочность при нагреве – жаропрочных. Широко используемые жаропрочные сплавы на и железоникелевой и никелевой основе сохраняют работоспособность до 900...950 C. Это недостаточно для тяжело нагруженных деталей авиационной, ракетно-космической техники и др., работающих при температурах свыше 1000C.
Работоспособность таких изделий может быть обеспечена только применением сплавов на основе тугоплавких металлов, обладающих весьма высокой жаропрочностью. Обязательным свойством деталей из жаропрочных материалов, работающих в агрессивных средах, является жаростойкость -сопротивление газовой коррозии при высоких температурах.
Единственным тугоплавким металлом, отвечающим этим требованиям, является хром и сплавы на его основе. В литературе нет данных о технологических свойствах этих сплавов и, в частности, об обрабатываемости резанием. В настоящее время обработка деталей из этих сплавов затруднена; наблюдается низкая стойкость инструмента, его быстрый износ и, как следствие, низкое качество обработанной поверхности. В этой связи повышение производительности обработки и уменьшение шероховатости обработанной поверхности является актуальной научно-технической задачей.
Актуальность темы диссертации подтверждается:
соответствием тематике, относящейся к критическим технологиям, определяемых Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899, а именно к п. 24: «Технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения».
выполнением научно-исследовательских работ с ОАО «Композит»:
-
«Установление обрабатываемости базового ВХ4 (Х65НВФТ) и экспериментального перспективного сплава типа ВХ4. Выбор оптимальных инструментальных материалов и режимов резания». (Договор №12-18/б-1008/0100-12 от 20.02. 2012).
-
«Разработка технологии обработки резанием специального сплава» (Договор № 12-55-1079/0100-12 от 10.09. 2012).
-
«Исследование структуры специального сплава» (Договор № 13-22/у-1140/0100-13 от 07. 05 2013 г).
Степень разработанности темы. Разработанность темы низкая. Данные по
свойствам сплавов на основе хрома в литературе весьма ограничены, не изучены
превращения сплавов при термической обработке. Технологические свойства и, в
частности, обрабатываемость резанием не рассмотрены ни в справочной, ни в
периодической технической литературе. Нет данных о рациональном
инструментальном материале для изготовления инструмента, предназначенного для точения жаропрочного сплава на основе хрома. Это обосновывает научный интерес, и необходимость получения практических рекомендаций для конструкторов инструмента и технологов механической обработки.
Цель работы: повышение производительности и при обработке деталей из жаропрочного сплава на основе хрома путем применения инструмента из твердого сплава высокой теплостойкости и режима термической обработки заготовок, обеспечивающего повышенную обрабатываемость резанием сплава на основе хрома.
Для реализации поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Разработка режима термической обработки - отжига, обеспечивающего улучшение обрабатываемости сплава на основе хрома
-
Проведение стойкостных исследований при точении сплава Х65НВФТ инструментом, оснащенным сменными многогранными пластинами (СМП) из твердых сплавов, режущей керамики и композита для рационального выбора инструментального материала для изготовления СМП.
4. Проведение стойкостных исследований для обоснованного выбора
состава твердого сплава для изготовления СМП с износостойким покрытием.
-
Разработка состава, и определение свойств твердого сплава высокой теплостойкости
-
Проведение испытаний инструмента, оснащенного СМП, из разработанного твердого сплава в производственных условиях.
Теоретическая значимость работы заключается в установлении
взаимосвязей между параметрами процесса резания: кинетикой изнашивания
режущего инструмента при точении, силами резания, условиями
стружкообразования, шероховатостью обработанной поверхности и
кристаллической решеткой, структурой физико-механическими и
теплофизическими свойствами жаропрочного сплава на основе хрома.
Практическая значимость работы заключается в разработке состава
однокарбидного ренийсодержащего твердого сплава, предназначенного для
обработки труднообрабатываемых жаропрочных материалов (на ренийсодержащий
твердый сплав ВР7К6 получено положительное решение о выдаче патент),
изготовлении и опробовании инструмента из этого сплава; разработке
технологического процесса термической обработки сплава Х65НВФТ,
обеспечивающего его стабильную твердость в пределах 35…36 HRC и улучшенную обрабатываемость точением (на способ термической обработки сплава Х65НВФТ получено положительное решение о выдаче патента).
Методика исследования.
При исследовании структуры использовали металлографический,
рентгенофазовый (РФА), микрорентгеноспектральный (МРСА) анализы.
Склонность обрабатываемых материалов к наклепу определяли прямым методом -холодным пластическим деформированием на прокатном стане Кварто-175. Механические свойства изучались при 20C и повышенных температурах.
Для стойкостных исследований при точении использовали резцы, оснащенные СМП из твердых сплавов, в том числе с износостойким покрытием; режущей керамики; СТМ на основе нитрида бора. Изучали кинетику износа, условия
стружкообразования, определяли силы резания, шероховатость обработанной поверхности.
На защиту выносятся следующие положения:
1 Структурные факторы, определяющие параметры процесса точения
жаропрочного сплава Х65НВФТ – наличие в структуре фазы - фазы с решеткой
ОЦК, более высокие, чем у никелевых сплавов, значения модуля упругости и
теплофизические свойства; твердораствоное упрочнение сплава,
2 Технология термической обработки для формирования равновесной
структуры, с низкой легированностью - фазы и максимальным количеством
крупнозернистой - фазы, обеспечивающей лучшую обрабатываемость резанием
сплава Х65НВФТ.
3 Взаимосвязи между свойствами материалов СМП и их стойкостью при
обработке жаропрочного сплава на основе хрома. Показано, что теплостойкость
твердых сплавов определяется температурой разупрочнения связки, зависящей от
температуры плавления или полиморфного превращения металла-связки.
4 Оптимальное соотношение Co и Re в связке однокарбидных сплавах с
карбидом WC.
Научная новизна заключается в:
обосновании рационального содержания рения в однокарбидных твердых сплавах, предназначенных для изготовления инструмента, оснащенного сменными многогранными пластинами, обеспечивающего повышение производительности обработки резанием деталей из сплава на основе хрома;
определение взаимосвязи между характером изнашивания инструмента при токарной обработки и кристаллическим строением жаропрочного сплава Х65НВФТ на основе хрома, его механическими и теплофизическими свойствами, склонностью к наклепу;
установлении взаимосвязи между модулем упругости обрабатываемого материала и соотношением составляющих силы резания;
выявление взаимосвязи между структурными превращениями, изменением свойств при нагреве и характером стружкообразования «сливная
элементная» при повышении скорости резания с 14 м/мин до 30-40 м/мин жаропрочного сплава Х65НВФТ на основе хрома.
Достоверность результатов подтверждается тем, что работа базируется на теории резания, и фундаментальных положениях теории жаропрочности, о связях между температурами плавления и полиморфного превращения и жаропрочностью жаропрочных сплавов, распространенных на универсальный инструментальный материал - твердые сплавы. Достоверность полученных данных подтверждена их статистической обработкой, а также промышленными испытаниями на ОАО Композит и ФГУП «ОКБ Факел».
Реализация работы
-
Режим отжига заготовок из сплава Х65НВФТ внедрен на ОАО «Композит». Внесено изменение № 0100-150 от 28.11.2013 в ТУ 1850-540-56897835-2012 на изменение режимов термической обработки прутков.
-
При обработке заготовок элементов термокаталитических двигателей из сплава Х65НВФТ во ФГУП «ОКБ Факел» достигнуто повышение стойкости инструмента из разработанного твердого сплава ВР7К6 более чем в два раза и снижение шероховатости обработанной поверхности, по сравнению с базовым вариантом – инструментом из сплава ВК6-ОМ. Рекомендовано проведение промышленных испытаний инструмента из разработанного твердого сплава для обработки труднообрабатываемых сплавов на основе тугоплавких металлов.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на
международных и отраслевых конференциях:
-
METMG 2012:«Manufacturing Engineering and Technology for Manufacturing Growth», November 1-2 2012, San Diego, CA, USA.
-
Международный Семинар Национального технического университета "Харьковский политехнический институт". «Высокие технологии в машиностроении» ИНТЕРПАРТНЕР–2012; Сентябрь, 2012 10-15, Украина.
-
Молодежная Конференция «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике», ФГБУ «Научно-исследовательский
испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина», 27-29 июня, 2012, Звездный городок (победитель, награжден Дипломом и Грамотой).
4 IV Международная Конференция с элементами научной школы для
молодежи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», 1-5 Октябрь 2012, г. Суздаль.
В полном объеме диссертация заслушана:
на расширенном заседании кафедр «Высокоэффективные технологии обработки» и «Металловедение» с привлечением представителей кафедр «Технология машиностроения», «Инструментальная техника и технологии формообразования» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»;
на НТС ОАО «Композит».
По результатам работы опубликовано 9 статей, из них 7 в журналах, входящих в перечень ВАК, в том числе, 1 статья в системе цитирования «Web of science», 4 - в системе цитирования «Scopus».
Получены положительные решения на выдачу патентов: «Твердый сплав на основе карбида вольфрама для обработки резанием труднообрабатываемых материалов»; «Способ термической обработки жаропрочного и жаростойкого сплава Х65НВФТ».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы (81 наименование). Работа изложена на 166 страницах, содержит 61 рисунок, 40 таблиц и 6 приложений.
Жаропрочные металлы и сплавы. Анализ эксплуатационных свойств
Обработка резанием – одна из наиболее важных технологий формообразующей обработки. Литье, обработка давлением, сварка в большинстве случаев не обеспечивают требуемой точности деталей. Изделия, полученные этими методами – отливки, поковки, сварные детали, являются заготовками для последующей обработки резанием, которая является окончательной.
Только обработка резанием позволяет получить детали высокой точности, с допусками на размеры, составляющими тысячные доли миллиметра, а также обеспечить высокое качество (малую шероховатость) обработанной поверхности. Одним из основных направлений развития режущего инструмента для лезвийной обработки является применение конструкций с механическим креплением СМП из твердого сплава, керамики, сверхтвердых материалов.
Обрабатываемость резанием, одно из главных технологических свойств материалов, это комплексная характеристика, оценивающая производительность обработки; качество обработанной поверхности (шероховатость); вид образующейся стружки; силы резания. Исследования обрабатываемости резанием новых материалов актуальны. Это обусловлено: - быстрым развитием современной техники и связанным с этим необходимостью технологического освоения новых материалов; - интенсивным развитием новых инструментальных материалов и конструкций инструмента; - возрастающими требованиями к качеству поверхностного слоя и точности обработки.
Исследование обрабатываемости резанием сплавов на основе тугоплавких металлов особенно актуально. Их обработка затруднена вследствие высокой прочности, большого сопротивления пластическому деформированию, недостатком технологической пластичности и сохранением этих свойств до высоких температур [1]. На основании исследований обрабатываемости осуществляется рациональный выбор инструментального материала, режимы резания, обеспечивающие повышение производительности обработки, снижения шероховатости обработанной поверхности.
Обрабатываемость резанием материала (далее обрабатываемость) оценивается: - производительностью обработки; - качеством обработанной поверхности; - видом образующейся стружки (хорошо удаляется из зоны резания стружка элементная, плохо – сливная); - силами резания.
Эти критерии характеризуют обрабатываемость резанием при разных операциях. В настоящей работе оценивалась обрабатываемость резанием при точении. Это классический, наиболее точный и объективно отражающий влияние обрабатываемого материала на изнашивание инструмента метод [2], между показателями обрабатываемости при точении и, с другой стороны, при сверлении и фрезеровании хорошая корреляция (рисунок 1.1 [3]). Кроме того, основные детали, изготавливаемые в настоящее время из исследуемого сплава – тела вращения.
Производительность обработки определяется способностью обрабатываемого материала изнашивать режущую часть инструмента. За критерий обрабатываемости принимают скорость резания, при которой обеспечивается определенная стойкость инструмента – до принятых критериев затупления, т.е. до регламентируемого износа. Этот критерий применяют для оценки обрабатываемости материалов и при предварительной, и при окончательной лезвийной обработке.
Часто пользуются критерием «V» - это скорость резания (м/мин), при которой период стойкости инструмента до регламентируемого износа составляет «» мин [4]. Обрабатываемость углеродистых и низколегированных сталей обычно оценивают скоростью резания, при которой обеспечивается 60 - минутная стойкость инструмента - V60. Для труднообрабатываемых материалов заданный период стойкости может быть понижен до 30, 20 или даже до 15 мин (V30, V20, V15).
Стойкость инструмента () при точении определяется, исходя из величины допустимого износа задней поверхности СМП резца (hз). Регламентируемая величина износа близка при точении разных материалов, (таблица 1.1 [5, c 253]). Для черновой обработки величина допустимого износа определяется тем, что при превышении hз изнашивание развивается катастрофически; при чистовой – превышении hз влечет потерю точности обработки и снижение качества обработанной поверхности. Естественно, что при обработке с чистовыми режимами величина допустимого износа инструмента ниже.
Таблица 1.1 Критерий V% является абсолютным показателем обрабатываемости. В каждом конкретном исследовании на его величину влияют свойства и геометрия инструмента, состояние станочного оборудования и т.п. Это может сделать несопоставимыми результаты, полученные разными исследователями, в разных условиях.
Поэтому используют также относительный (по отношению к эталонному материалу) показатель обрабатываемости - Kv: тэт где Vrt и Утэт - обрабатываемость исследуемого и эталонного материалов (сталей, сплавов), соответственно [4].
В этом случае при определении обрабатываемости исследуемого материала проводят параллельно и испытания эталона - материала с известной обрабатываемостью. Это позволяет, сопоставляя полученные и известные результаты, получать более надежные выводы.
Для углеродистых и низколегированных сталей в качестве эталона принимается сталь 45 с твердостью 160...180 НВ [6]; для труднообрабатываемых материалов - аустенитная сталь Х18Н9Т, для жаропрочных материалов широко изученный сплав на никелевой основе ХН77ТЮР [5].
Исследование структуры и определение механических свойств – факторов, определяющих обрабатываемость резанием при точении
Тугоплавкие металлы и сплавы. Температура плавления тугоплавких металлов - V, Nb, Та, Сr, Mo, W составляет 1857...3149 C. Тугоплавкие металлы имеют прочные межатомные связи, обладают повышенной жесткостью (большие значения модуля нормальной упругости Е), малым тепловым расширением, низкой теплопроводностью.
Между механическими свойствами этих металлов и температурой плавления наблюдается хорошая корреляция (таблица 1.4 [22, с 506]).
Механические свойства тугоплавких металлов и сплавов на их основе весьма существенно зависят от чистоты – количества примесей. Эти металлы активно взаимодействуют с кислородом, азотом, углеродом, образуя фазы внедрения [14, 22]. Наличие примесей внедрения приводит к охрупчиванию. В том случае, если содержание примесей превышает предел их растворимости в металле, в структуре образуются неметаллические включения, дополнительно повышающие хрупкость. Растворимость примесей в W, Mo, Cr пониженная. Это определяет высокую вероятность наличия в структуре сплавов на их основе неметаллических включений, располагающихся в виде хрупких прослоек по границам зерен, вызывая дополнительное охрупчивание металла. Поэтому в этих сплавах количество примесей строго ограничено (сотые и тысячные доли процента). Необходимость получения высокой чистоты тугоплавких металлов и сплавов определяет обязательность применения специальных металлургических технологий при их производстве. Легирование титаном и цирконием, редкоземельными металлами, которые образуют с примесями химические соединения, нейтрализуя, в значительной степени, их вредное влияние [22].
Для ряда тугоплавких металлов (W, Mo, Cr) характерен высокий порог хладноломкости, значительно, на сотни градусов, превышающий цеховую (20...25 C) температуру.
Сплавы на основе тугоплавких металлов подразделяют на две группы: не упрочняемые, со структурой твердого раствора, и упрочняемые за счет дисперсионного твердения (закалка + старение).
Высокая прочность сплавов первой группы достигается за счет образования легированного твердого раствора (твердорастворное упрочнение). Легирующие элементы - Ti, Zr, Nb, Mo, W, Та, Re.
Сплавы второй группы содержат повышенное количество углерода и карбидообразующие элементы. При старении сплавов этой группы упрочняющей фазой являются карбиды, которые выделяются внутри зерен.
Температура длительной эксплуатации сплавов определяется температурой плавления компонента-растворителя (таблица 1.5 [22, с 507]). Сплавы на основе ванадия и хрома наименее жаропрочны (до 1100 С), однако, они превосходят сплавы на никелевой основе.
Сплавы на основе ниобия пригодны для использования до 1300 C, а при кратковременной эксплуатации выдерживают температуры до 1500 С.
Сплавы на основе молибдена можно использовать до 1300...1400 C, на основе тантала до 2000 C, а на основе вольфрама до 2000...2200 С.
Жаростойкость сплавов определяется типом соединений (преимущественно оксидов), образующихся при их взаимодействии с агрессивными средами. Свойства этих соединений определяют не только способность сопротивляться газовой коррозии, они определенным образом влияют на явления, происходящие при обработке резанием [5].
Наиболее высокой жаростойкостью обладает хром, образующий плотные, бездефектные оксидные пленки с высокой адгезией к основному металлу.
Жаростойкие сплавы на основе никеля обладают жаростойкостью до 900 C в окислительной среде, но в средах, содержащих серу, они не стойки к газовой коррозии. Присутствие серы в окислительных средах (среды сгорания топлива) снижает жаростойкость никеля до 550 С, а в восстановительных средах - до 260 С [1, 19]. Т.е. в этих условиях никель и сплавы на его основе жаростойкостью не обладают.
Все тугоплавкие металлы за исключением хрома не обладают жаростойкостью, это связано с тем, что оксиды этих металлов не создают надежной защитной пленки (см. таблицу 1.2).
Температуры интенсивного окисления вольфрама и молибдена составляют 600...700 С. Вольфрам при температуре 700 С при избытке кислорода образует летучий оксид, не препятствующий контакту газовой среды с поверхностью деталью. Молибден образует летучий оксид МО3 при 600 С, температура плавления этого оксида 750 С, т.е. оксидная пленка будет просто стекать с поверхности изделия при высоких температурах.
Тантал и ниобий имеют большее сопротивление окислению, чем вольфрам, при 1100 С скорость окисления этих металлов примерно в три раза ниже, чем у вольфрама, однако они уступают никелевым сплавам. При 1000...1200 С скорость окисления лучших сплавов на основе ниобия (систем «Nb – Ti -W», «Nb – Ti -Mo», «Nb – Al -V») на несколько порядков выше, чем у никелевых сплавов, которые, в свою очередь, менее жаростойки, чем сплавы на основе хрома.
Скорость окисления хрома на порядок меньше, чем у сплавов на основе никеля и тугоплавких металлов и составляет: - тугоплавкие металлы (исключая хром) в интервале 700…800 C -101…103 (г/м2ч); - железо, никель, кобальт: в интервале температур 500…600 С -10-3…10-1 (г/м2ч) и резко возрастает при повышении температуры до 700…800 С – 1…10 (г/м2ч); - хром в интервале 400…600 C - менее 10-6 (г/м2ч), а в интервале 700…800 С - 10-4…10-3 (г/м2ч) [22, 18].
Разработка режима отжига, обеспечивающего повышение производительности при обработке деталей из сплава Х65НВФТ
Стойкостные исследования инструмента проводили в условиях сухого точения. Фиксировали величину износа, а также выкрашивания режущей кромки, макро- и микро сколов режущей части СМП и т.д.
Регистрация значений параметров износа после начала резания производили через равные промежутки времени, соответствующие 1, 3, 5 минутам резания. Последующие интервалы времени, через которые производили фиксацию износа, выбирали с учётом темпа нарастания износа. По зафиксированным значениям параметров строили зависимости «износ-время».
Испытания с одними режимами резания выполняли по 3…4 раза. Погрешность не превышала 10…15 %.
Шероховатость поверхности оценивали на профилографе -профилометре модели Hand-held Roughness Tester TR200 (Япония).
Измерение шероховатости производили на обработанной поверхности заготовки непосредственно после завершения процесса без снятия заготовки со станка. Юстировку прибора для оценки шероховатости осуществляли по «эталонам шероховатости».
Прибор работает контактным профильным методом ощупывания измеряемой поверхности головкой острозаточенной иглой приводимой в поступательное перемещение по определенной трассе перпендикулярно относительно рискам обработанной поверхности. Ось иглы располагалась по нормали к поверхности. Прибор TR200 последовательно по мере перемещения щупа по поверхности преобразует измеряемый профиль сначала в механические, а затем в электрические колебания с фиксацией отклонения на дисплее. Игла выполнена из алмаза с радиусом закругления 10 мкм.
Настройка прибора осуществлялась по прецизионному образцу с шероховатостью Rа = 3,05 мкм. Результаты измерения высвечивались на экране дисплея с точностью до сотых долей микрона. Прибор показывает Ra, Ry, Rz.
Среднеарифметическое отклонение абсолютных значений профиля в пределах базовой длины оценивается зависимостью:
Высота неровностей Rz- сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой блины измерения: 5
Режущий инструмент. В качестве режущего инструмента использовали токарные резцы с механическим креплением сменных многогранных пластин (СМП) из различных марок твёрдого сплава (с покрытием и без покрытия) (рисунок 2.6) по стандарту ISO 183214 - CSSNR2516M12. При закреплении СМП формы SNUN (стандарт ISO 513) в используемую державку обеспечивали следующее значение геометрических параметров режущей части: у= - 8; а= 8; ср= 45; q i = 45; 1 = Режимы резания выбирали в соответствии с рекомендациями по обработке жаропрочных сплавов по ГОСТ 2575115 и стандартам ISO 513 (обработка специальных сплавов на основе железа, никеля, кобальта, хрома, титана и др.) для области применения S01 - S20. Такие режимы резания (чистовая, получистовая обработка) были выбраны, т.к. именно такой обработке подвергают реальные изделия из сплава Х65НВФТ. В результате металлургического передела получают заготовки высокого качества, для которых черновая (предварительная) обработка не нужна.
Исследования проводили при продольном точении сплавов на следующих режимах резания: - скорость резания варьировалась в пределах V = 20 - 50 м/мин; - глубина резания -1 = 1,0 мм; подача = 0,15 мм/об были постоянными при всех скоростях резания.
Исследования обрабатываемости материала точением обусловлены следующими обстоятельствами. Между показателями обрабатываемости при точении и с другой стороны, при сверлении и фрезеровании хорошая корреляция (см. рисунок 1.1). Кроме того, в настоящее время детали, изготавливаемые из сплава Х65НВФТ - тела вращения.
Малая выборка. При определении механических свойств и значений стойкости инструмента пользовались методами математической обработки для малой выборки.
При малом количестве экспериментов (малом объеме выборки менее 20...30 экспериментов на точку), основной задачей является определение с заданной вероятностью интервала, в котором находится средняя арифметическая (математическое ожидание) генеральной совокупности [47, 48]. Под генеральной совокупностью подразумевается выборка из п измерений (единиц) какого-либо свойства, причем и- оо.
Т.е. определение вероятности Р того, что математическое ожидание а генеральной совокупности располагается в интервале (ju±%) (это доверительный интервал). Расчет проводится из предположения, что распределение измеряемой величины подчиняется нормальному закону распределения, встречающемуся в технике наиболее часто.
Пусть имеем выборку из п единиц: х\, Х2, …хп, в которой: ju - среднее арифметическое, а– среднеквадратичное отклонение.
Для нормального закона распределения «нормированное» отклонение, т.е. разность между текущим значением переменной и средней совокупности, отнесенная к среднеквадратичному отклонению, не зависит от среднеквадратичного отклонения, а подчинятся определенному закону распределения [47, 48].
Шероховатость обработанной поверхности деталей из сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР при точении
Исследования проводились в три этапа. На первом этапе проводили сравнение обрабатываемости исследуемого сплава и сплава ХН77ТЮР, используемого в качестве эталона (параграф 1.1). Это позволило выявить особенности обработки жаропрочного сплава на основе хрома. Поскольку задача этого этапа - сравнение обрабатываемости двух сплавов, использовали СМП только из одного твердого сплава - ВК10-ХОМ. Этот сплав имеет мелкозернистую структуру (размеры основной фракции карбидов - 1,3 мкм), обладает высокой износостойкостью и предназначен, в соответствии со стандартом ISO 513, для обработки труднообрабатываемых материалов (группа S), в частности, жаропрочных сталей и сплавов, тугоплавких металлов [60]. Использовали СМП из этого сплава без покрытий и с износостойкими покрытиями.
На втором этапе проводили стойкостные исследования с целью определения рационального инструментального материала для обработки сплава Х65НВФТ; испытывали разные марки твердых сплавов, в том числе с износостойкими покрытиями, режущей керамики. Третий этап был посвящен оптимизации состава твердого сплава, предназначенного для обработки труднообрабатываемых жаропрочных материалов. Критерием отказа инструмента в стойкостных исследованиях служила величина предельного изнашивания задней поверхности твёрдосплавной сменной многогранной пластины (СМП): hз = 0,45...0,5 мм.
Анализ проводили по следующим параметрам: - структура сплавов; - механические свойства при 20 С и повышенных температурах; - теплофизические свойства;
В литературе, посвященной обрабатываемости резанием жаропрочных сплавов, было показано, что эта технологическая характеристика тем ниже, чем выше жаропрочность сплава [5]. Однако, наши исследования обрабатываемости резанием жаропрочного сплава Х65НВФТ на основе хрома не подтвердили это положение. При более высоких механических свойствах при 20 С и повышенных температурах обрабатываемость сплава Х65НВФТ выше, чем у ХН77ТЮР (параграф 4.2).
Указанное противоречие объясняется неодинаковостью кристаллических решеток, фазового состава и комплекса механических и теплофизических свойств исследуемых сплавов.
Структура сплавов (таблица 4.1 [61, с 551]). Структура сплава Х65НВФТ -двухфазная - cr-фазы (ОЦК) и у - фазы (ГЦК), их твердость 570 HV и 430 HV, соответственно. Количественное соотношение фаз близко к 50:50; твердые дисперсные частицы в структуре отсутствуют (см. рисунок 3.3).
Структура сплава ХН77ТЮР хорошо изучена. В состоянии поставки (закалка 1080 С с охлаждением на воздухе или закалка 1080 С + старение 700 С, 16 ч) структура представлена легированным у - твердым раствором на основе никеля в первом случае и у - фазой и интерметаллидом у - фазой типа Шз(ТіАІ). Твердость у-фазы невысокая - 200… 250 НВ. После закалки и старения в структуре в результате дисперсионного твердения выделяется интерметаллид обладающий высокой твердостью 700 HV [61], его количество в сплаве не менее 20 % объемн [22].
Принципиальные отличия структуры сплавов, следующие. Во-первых, в структуре сплава Х65НВФТимеется а -фаза с решеткой ОЦК, тогда как структура сплава ХН77ТЮР представлена только фазами с ГЦК решеткой. Во-вторых, наличием твердой у - фазы в структуре сплава ХН77ТЮР; тогда как в структуре сплава Х65НВФТ вторая, у–фаза, обладает пониженной твердостью. Влияние структуры на поведение материала при обработке резанием рассмотрено ниже.
Механические свойства сплавов Прочность и пластичность. Обрабатываемость резанием жаропрочных материалов определяется рядом факторов. Прежде всего, жаропрочностью, т.е. способностью сохранять высокие механические свойства (не разупрочнятся) при нагреве. Поэтому обрабатываемость резанием определяют не только и столько свойства сплавов при 20 С (начальный период обработки), но механические характеристики при высоких температурах, которые возникают в зоне резания при обработке этих сплавов.
Важной характеристикой сплава, определяющей его технологичность при обработке резанием, является пластичность. Большая пластичность сплава определяет более высокие усилия резания при обработке, так как разрушение пластичных материалов (необходимое для отделения стружки) требует больших затрат энергии, на предварительное, перед разрушением, пластическое деформирование [11, 63]. Напомним, что в работах [5, 25] вводится понятие истинного предела прочности: Бк=ов{\+д).
Кроме того, при обработке резанием пластичных материалов возрастает склонность к наклепу - упрочнению под действием пластической деформации, а также к образованию адгезионных связей между инструментальным и обрабатываемым материалом [4, 28, 29].
Характеристики, определяющие пластичность это относительное удлинение (е ) и отношение предела текучести к пределу прочности - о0,2/ов. Чем меньше это отношение (т.е. больше разница между пределами прочности и текучести), тем более пластичен материал и тем большая энергия необходима для снятия одного и того же объема металла.
Сплав Х65НВФТ обладает более высокими механическими свойствами по сравнению со сплавом ХН77ТЮР как при 20 C (таблица 4.2 [18, c 434; 62, c 551; 64]), так и при повышенных температурах (таблица 4.3). Этот сплав сохраняет более высокие механические свойства при нагреве - преимущество перед сплавом ХН77ТЮР примерно 100 C, пределы прочности сплава Х65НВФТ при 1100 C и сплава ХН77ТЮР при 1000 C близки (см. таблицу 4.3).
