Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сравнительный анализ способов повышения износостойкости инструментов из твердых сплавов. постановка цели и задач исследования 11
1.1 Особенности изнашивания твердосплавного инструмента 11
1.2 Методы поверхностного упрочнения режущих элементов из твердосплавных инструментов 14
1.2.1 Механическое упрочнение 16
1.2.2 Химико-термическая обработка 20
1.2.3 Обработка ультразвуком 24
1.2.4 Нанесение износостойких покрытий 25
1.2.5 Физико-химическое упрочнение посредством обработки КПЭ
1.2.5.1 Облучение лазерными пучками 37
1.2.5.2 Облучение металлов ионным пучком 40
1.2.5.3 Электронно-лучевая обработка 41
1.2.5.4 Электроискровое легирование 43
1.2.5.5 Электровзрывное легирование 43
1.2.5.6 Термогидрохимическая поверхностная обработка 45
1.2.5.7 Комплексная обработка поверхностей твердых сплавов 47
1.3 Анализ данных литературного обзора. Постановка цели и задач исследований 49
Выводы по первой главе 51
Глава 2. Методика исследований режущих твердосплавных инструментов с комплексной обработкой и используемое оборудование 52
2.1 Объекты исследования. Твердосплавные пластины из ВК8, Н13A(аналог ВК6ОМ) и твердосплавные сверла из ВК8 52
2.2 Методика комплексной обработки твердосплавных пластин из сплава ВК8 и пластин Н13A(аналог ВК6ОМ) 55
2.3 Методика определения микроструктуры легированного слоя твердосплавных пластин из сплава ВК8 и пластин Н13А(аналог ВК6ОМ) 64
2.4 Методика определения режущих свойств твердосплавных пластин из ВК8, пластин Н13A(аналог ВК6ОМ) и сверл из ВК8 66
Выводы по второй главе 71
Глава 3. Закономерности формирования приповерхностного модифицированного слоя на пластинах из сплава ВК8 и Н13A(аналог ВК6ОМ) 72
3.1 Особенности воздействия электронных пучков на твердый сплав 72
3.2 Влияние микролегирования при помощи низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на структуру твердых сплавов ВК8 и Н13А 74
Выводы по третьей главе 91
Глава 4. Влияние комплексной обработки на режущую способность твердосплавных пластин из сплава вк8, пластин н13a(аналог вк6ом) и твердосплавных сверл из ВК8 92
4.1 Оптимизация технологии микролегирования поверхности режущих пластин из ВК8 и пластин Н13A(аналог ВК6ОМ) 92
4.2 Исследование свойства твердосплавной пластины Н13А(аналог ВК6ОМ) после комплексной обработки при резании жаропрочных сплавов ХН73МБТЮ и ХН67ВМТЮ 97
4.3 Исследование процесса сверления синтеграна цельными твердосплавными сверлами из ВК8 с комплексной обработкой режущей части 105
Выводы по четвертой главе 109
Заключение 110
Список литературы 1
- Нанесение износостойких покрытий
- Методика комплексной обработки твердосплавных пластин из сплава ВК8 и пластин Н13A(аналог ВК6ОМ)
- Влияние микролегирования при помощи низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на структуру твердых сплавов ВК8 и Н13А
- Исследование свойства твердосплавной пластины Н13А(аналог ВК6ОМ) после комплексной обработки при резании жаропрочных сплавов ХН73МБТЮ и ХН67ВМТЮ
Нанесение износостойких покрытий
Несмотря на высокую стойкость к изнашиванию, твердосплавные пластины все-таки подвержены износу и поломкам. При этом на поломки, скалывание и выкрашивание режущего клина приходится до 80% случаев отказов. Кроме того в процессе производства твердых сплавов возникает ряд достаточно часто встречающихся дефектов структуры. Твердые сплавы производятся методами порошковой металлургии – спеканием смесей высокодисперсных частиц химических соединений с порошком металлической связки. Технология порошковой металлургии практически доведена до совершенства, но все твердые сплавы имеют один недостаток – наличие остаточной микропористости (концентраторов внутренних напряжений и центров зарождения хрупких трещин, ограничивающих возможности повышения эксплуатационных характеристик инструмента, зависящие как от режима спекания, так и от характеристик спекаемых материалов) [10].
В результате широких опытных наблюдений и научно-исследовательских работ выявлены особенности повреждений инструментов [11]. Превалирующий износ обычно появляется на задней или на передней поверхности инструмента, что связано с условиями резания и свойствами инструментального и обрабатываемого материалов. По передней поверхности инструмент изнашивается следующим образом: на некотором расстоянии от режущей кромки образуется лунка с постепенным увеличением ее размеров. Когда изнашивается задняя поверхность инструмента, образуются параллельные продольные углубления (проточины), как правило, начинающиеся от режущей кромки и расположенные вдоль линии действия силы резания. В износе инструмента образование проточин проявляется наиболее часто. Износы на любых по 12 верхностях инструмента приводят к изменению геометрии резания, искажению режущей кромки. Увеличивается шероховатость обработанной поверхности, изменяются размеры обрабатываемой детали, превышаются допустимые показатели силы резания и температуры.
Многочисленные исследования в области обработки металлов резанием показывает, что основными видами изнашивания режущего инструмента являются адгезионный и абразивный, причем им сопутствуют явления, связанные с усталостными и диффузионными процессами. В зависимости от условий резания обычно один из видов изнашивания становится преобладающим, хотя при этом могут реализовываться и другие.
Процессами изнашивания инструмента при резании занимались многие ученые (A.A. Аваков, Т.Н. Лоладзе, А.Д. Макаров, H.B. Талантов, П.И. Ящерицын и др.). Эксперименты показывают, что при адгезионном изнашивании при резании [12] изнашивание происходит за счет вырванных частиц материала с поверхности обрабатываемой детали. Эти вырванные частицы переносятся на поверхность инструмента и образуют на ней наросты с достаточно высокой твердостью. В то же время частицы переносятся и обратно с поверхности инструмента поверхность обрабатываемого материала. Во время резания образующиеся наросты нестабильны и непрерывно убираются вместе с материалом детали, оставляя углубления в местах образования. Наросты, как правило, образуются непосредственно у режущей кромки резца, именно здесь имеет место наиболее сильное схватывание.
Для режущего инструмента, работающего при значительных напряжениях на поверхности, существенным является не только, а в некоторых случаях – даже не столь высокая твердость поверхностного слоя, сколько пластичность. Хрупкий инструмент не работоспособен при динамических нагрузках, а они неизбежны в реальных процессах резания. Скалывание частичек высокой твердости с поверхности, подвергающейся значительным контактным напряжениям – это процесс образования абразивов, которые интенсивно разрушают поверхность детали [13]. Достаточно изучено абразивное изнашивание режущего инструмента и его особенности [14]. Повреждения при абразивном изнашивании проявляются в виде царапин или канавок на рабочих поверхностях режущей части резца. Анализ типов повреждений и их причин позволил обнаружить следующие особенности.
Повреждения могут образоваться в результате механического воздействия весьма твердых включений (карбидов и оксидов), имеющихся в структуре обрабатываемой заготовки. В процессе резания твердые включения будут работать, как абразивный инстумент, внедряясь в поверхность инструмента и царапая ее. Если твердость режущей части резца снижается из-за тепла, то происхождение царапающего действия увеличивается. Разумеется, не последнюю роль здесь играют размеры твердых включений и характер их распределения.
В то же время повреждения могут образоваться в виде царапин, канавок, вытянутых бороздок после действия на поверхность инструмента разделившихся, имеющих повышенную твердость, сбежавшихся их фрагментов или наростов. Эти частицы, приобретшие в результате деформационного упрочнения твердость существенно превышающую твердость внешних слоев режущей поверхности инструмента, тем более переживающих при резании увеличенный нагрев, также действуют, как абразив.
Определенные вклады происхождения адгезионного и абразивного изнашивания можно предполагать примерно равными. При этом причина адгезионного изнашивания - адгезионное схватывание, возникающее за счет ковалентной, металлической, ионной, и межмолекулярной связей,y абразивного изнашивания - адгезионное схватывание с созданием разделяющихся царапающих твердых частиц и царапание резца включениями в обрабатываемой заготовке, какие всегда имеются.
Методика комплексной обработки твердосплавных пластин из сплава ВК8 и пластин Н13A(аналог ВК6ОМ)
В основе метода механического упрочнения лежит использование поверхностно пластических деформаций рабочих поверхностей инструмента в ходе обкатки роликами, дробеструйной обработки, вибрационной обработки, а так же ультразвукового обкатывания, алмазного шлифования и т.п. [17].
Методы поверхностного пластического деформирования (ППД): дробеструйной [18,19] и вибрационной [20,21] обработкой используются для улучшения рабочих свойств твердосплавного резца, который разрушается в значительной мере из-за усталостных явлений. Дробеструйная обработка резцов значительно снижает количество их поломок и в 2,0-2,5 раза увелививает суммарную стойкость резца. Как правило, сплавы, используемые в горнодобывающей промышленности обязательно подвергаются вибрационной обработке. При этом виброабразивная обработка наиболее эффективно действует с использованием дополнительной упрочняющей операции в среде, где применяются твердосплавные шарики в качестве наполнителя. В этом случае воздействие упрочненющей обработки связано с созданием сжимающих напряжений и пластической деформацией составляющих сплав фаз. Важным достоинством вибрационного метода является универсальность удара упрочняющего агента, что обеспечивает равномерное упрочнение детали сложной формы.
В результате рентгенографических исследований поверхностных слев твердых сплавов после дробеструйного упрочнения обнаружены значительные изменения в составе кобальтовой и карбидной фаз, распространяющиеся на глубину до 0,25 мм. В Со фазе величина растягивающих напряжений составляет величину порядка 0,02 ГПа.Эти напряжения возникают во время спекания твердосплавного изделия и позже уступают место сжимающим напряжениям (-0,04 ГПа). Величина исходных сжимающих напряжений в карбидной фазе сильно повышается с 0,02 ГПа до 0,12 ГПа, т.е. дробеструйная обработка значительно изменяет структуру карбидной фазы [22]. После 1 часа обработки величина микронапряжений может возрасти почти в два раза.
Применение методов поверхностного пластического деформирования (ППД) увеличивает динамическую и статическую прочность твердых сплавов. Характер и режим обработки определяют величину повышенной прочности.
В большинстве случаев исходное состояние поверхностного слоя твердых сплавов влияет на эффективность упрочнения в большей степени, чем режимы последующей обработки. Особеннозначительно влияет на эффективность их упрочнения уровень поверхностных остаточных расстягивающих напряжений в состоянии поставки. Чем больше их величниа вприповерхностном слое, тем более заметно ихвлияние на эффективность упрочнения, что, соотвественно, приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик твердосплавных изделий.
После упрочнения методами ППД эксплуатационные характеристики твердосплавного режущего инструмента улучшаются. В особенности после дробеструйной обработки увеличивается сопротивление поверхности твердосплавного инструмента хрупкому разрушению, чтго можно объяснить, учитывая, что при осуществлении резания разрушение начинается на передней поверхности резца от эффекта напряжений растяжения [23]. С появленим остаточных растягивающих напряжений в кобальте образуются трещины [24], которые распространяются в кобальтовые слои через карбидные зерна. В результате обработки напряжения растяжения сменяются сжимающими, что предотвращает зарождение трещины; повышеие напряжений сжатия в карбидах затрудняет дальнейшее трещинообразование и их распространение через карбиды.При этом режимами обработки определяится глубина упрочненных слоев и распространение остаточных напряжений.
Перспективным методом, приводящим к значительному упрочнению поверхности является абразивная обработка твердых сплавов алмазным инструментом. При абразивной обработке влияние на состояние поверхностных слоев за исключением механического усилия оказываетет локальный нагрев [25,26]. При механическом воздействии на поверхности образуются необратимые пластические деформации, фазовые превращения и структурные изменения, сопровождающиеся изменением объема, приводящего к созданию остаточных сжимающих напряжений, увеличению прочности и твердости и пр., т.е. происходит процесс упрочнения.
Алмазы имеют высокую твердость, наименьший коэффициент трения, большую протяженность режущих частей и их заостренность, поэтому шлифование алмазным кругом значительно отличается от обычного образивного шлифования низкими температурами и меньшини усилиями в зоне резания. После обработки азмазом в поверхностном слое твердосплавных изделий W-Со, как правило, образуют остаточные сжимающие напряжения, ориентированные в плоскости шлифования [27,28].
Влияние на величину остаточных напряжений, глубину их распространения значительно оказывают способ и режимы обработки, тип и характеристики алмазного инструмента [29]. Величина остаточных сжимающих напряжений поверхностного слоя на глубине около 10 мкм в WС и Со снижается до нуля и переходит в растягивающие, постепенно приближаясь к исходным.
Величина напряженного слоя с глубиной до 80 мкм превышает в несколько раз значения глубниы изношенной части режущего инструмента, поэтому величина износа и характер изнашивания резца имеют взаимосвязь с напряженной зоной после шлифования. В процессе изготовления режущего инструмента методами алмазной и образивной обработки, вид и условия заточки также влияют на характер износа режущей части. В результате алмазной обработки инструмента в его поверхностном слое образуются остаточные напряжения сжатия, следствием которых будет образование отсройрежущей кромки без сколов и выкрашиваний даже при значительной величние износа. Таким образом, после алмазной обработки исходная острота режущей кромки и полученное более благоприятное напряженное состояние вызывают снижение усилий резания и тепловыделения, что приводит к меньшему значению степени механического и термического влияния на интенсивность и величину износа на начальной и поздней стадиях.
Влияние микролегирования при помощи низкоэнергетического сильноточного электронного пучка на структуру твердых сплавов ВК8 и Н13А
Для проведения экспериментов были использованы твердосплавные пластины из сплава ВК8, сменные многогранные пластины H13A (Аналог ВК6ОМ, Sandvik koromant) и спиральные твердосплавные сверла из ВК8.
ВК8 – однокарбидный твердый сплав вольфрамовой группы. Применяется для обработки металлов резанием, в частности, для чернового точения при неравномерном сечении среза. Используется для обработки серого чугуна, нержавеющих высокопрочных и жаропрочных труднообрабатываемых сталей и сплавов, в том числе сплавов титана,цветных металлов. Использовались пластины квадратной формы (Рис.1) и шлифованные пластины для проведения исследований структуры.
При обработке сталей инструментом, оснащенным сплавом ВК8, в особенности при работе на высоких скоростях резания, происходит быстрое лункообразование на передней поверхности, приводящее к разрушению режущей кромки и достаточно быстрому износу. Благодаря этой особенности, сплав удобен для изучения процессов упрочнения твердосплавного инструмента, в том числе поверхностного микролегирования. Кроме того он является одним из самых простых по химическому составу, что облегчает изучение структурных особенностей модифицированного материала.
Н13А– универсальная сменная многогранная пластина без покрытия с мелкозернистой основой для получистовой и черновой обработки жаропрочных и титановых сплавов на низких и средних скоростях резания, сочетающая в себе отличную стойкость к абразивному износу и прочность (Рис. 2). Пластины Н13А формы CNMG 120404-SM (обозначение по коду ISO) производства фирмы Sandvik koromant применяются для режущих инструментов, работающих в агрессивных химических средах, содержит не более 8% Co. Твердый сплав, из которого сделана пластина, по своим коррозионным свойствам довольно близок к высоколегированным никелевым сталям и нихромам, но значительно превосходит их по прочности и повышенной стойкости к эрозии [66].
Для исследования процесса сверления использовали спиральные твердосплавные сверла из ВК8 диаметром 10 мм (угол при вершине = 125o, задний угол = 10o, передний угол = 55o, угол наклона винтовой канавки = 28o).
В ряде работ, посвященных электронно-лучевой обработке твердых сплавов, отмечалось, что такая обработка приводит к снижению показаний микротвердости из-за накопления свободного углерода в виде графита вдоль дислокаций и границ зерен карбидов W [67]. Чтобы связать образующийся при облучении низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком карбида вольфрама свободный углерод, было принято решение использовать карбидообразующие элементы Nb и Hf, которые имеют высокое сродство к углероду (значительно сильнее, чем у W) и образуют устойчивые карбидные фазы. Они формируют карбиды типа МС, которые могут быть эвтектическими или первичными. Такие карбиды имеют высокую твердость, составляющую приблизительно 2400 HV, превосходящую твердость WC, составляющую приблизительно 1500 HV (однако, горячая твердость у карбида вольфрама все же выше). Карбиды ниобия и гафния формируются при высокой температуре непосредственно в расплаве первыми. Но, благодаря высокой скорости охлаждения расплава, в конечном продукте они вырасти не успевают, и остаются мелкими и гомогенно распределенными. Это должно благоприятно сказаться на износостойкости и сопротивлении разрыву. Выбор лигатуры также обоснован данными, что сплавы W-Hf-C также обладают наиболее высоким пределом прочности на разрыв [68]. Кроме того, в литературе отмечается возможность дисперсионного упрочнения в сплавах системы W-Hf-C, где упрочняющей фазой является карбид гафния [69] или сложный карбид (NbHfMo)CX [70]. Сплав ВК8 облучался в исходном состоянии и после нанесения при помощи магнетрона на поверхность 0.2-0.3 мкм слоя сплава Nb70Hf22Ti8 для легирования поверхности. Пластины Н13А, похожие по химическому составу, но с мелкозернистой структурой, обрабатывались по режимам, определенным в ходе оптимизации по результатам стойкостных испытаний режущих пластин из ВК8.
Сплавы NbHfTi являются жаропрочным материалом, сочетающими в себе способность противостоять значительным нагрузкам при повышенных температурах с превосходной стойкостью к окислению. Мишени изготовлялись из слитка, подвергнутого электронно-
Предварительно, перед обработкой инструмента, производился контроль и измерение геометрических параметров резцовой пластины, включая основные углы и радиус закругления режущей кромки на приборе MicroCADlite (GFM, Германия) (Рис. 3). В дальнейшем прибор использовался для оценки характера изношенных поверхностей инструмента.
Промежуточной операцией являлся процесс очистки пластины: мойка в ультразвуковой ванне в щелочном растворе, промывка в дистилированной воде и обезвоживание в ацетоне чда. Образцы сменных многогранных пластин из твердого сплава ВК8 и H13А покрывались при помощи магнетрона сплавом Nb70Hf22Ti8 толщиной 0.2 - 0.3 мкм (рис.4) (характеристики магнетронного распылителя приведены в таблице 1), а затем были обработаны 1 – 10 импульсами длительностью около 5 мкс низкоэнергетического сильноточного электронного пучка (НСЭП) непосредственно в установке «РИТМ-СП» (Рис.5). Очищенная резцовая пластина закреплялась на столике установки таким образом, чтобы одновременно обрабатывались как передняя, так и главная и вспомогательная задние поверхности.
Исследование свойства твердосплавной пластины Н13А(аналог ВК6ОМ) после комплексной обработки при резании жаропрочных сплавов ХН73МБТЮ и ХН67ВМТЮ
Задача эффективного управления процессом микролегирования представляет собой задачу определения экстремума целевой функции с ограничениями, устанавливаемыми целью и областью управления, или без них. Решение задачи управления осуществляется различными методами, среди которых безусловная оптимизация, нелинейное программирование, линейное программирование, стохастическое программирование и другие. Метод решения задачи управления резанием определяется целью управления. Целью управления в нашем случае будет такое состояние материала после обработки, при котором все ее параметры, кроме одного, находятся в устанавливаемых пределах, допустимых требуемым качеством изделия и качеством установки.
В качестве управляющих факторов процесса микролегирования поверхности твердого сплава рассматривались: ускоряющее напряжение - U, от которого зависит плотность энергии пучка; время (то есть толщина предварительного покрытия) нанесения на поверхность резцов при помощи магнетрона состава NbHfTi - Т; количество обрабатывающих импульсов - n; давление рабочего газа в вакуумной камере во время облучения - P; и, наконец, количество циклов обработки (повторение операций нанесение – облучение) - N. Оптимизация величин факторов электронно-импульсного облучения, на основе экспериментальных данных, позволяет создать в приповерхностном слое модифицированную структуру твердого сплава, в значительной мере влияющую на поведение сплава при резания металла.
Один из параметров резания выбирается для оценки качества управления. Параметром, по которому оценивалось качество обработки, была выбрана величина пути резания L, при достижении которой наступал катастрофический износ режущей пластины в экспериментах по торцевому точению стали. Информацию о процессе микролегирования можно представить в виде математической модели обработки. Такая математическая модель будет представлять собой систему математических соотношений между параметрами и управляющими факторами. Ее можно получить эмпирически, если сравнить графики функциональных зависимостей с графиками некоторых наиболее часто используемых функций.
Для решения задачи управления процессом микролегирования при помощи НСЭП использовалась неполная экспоненциально-степенная мультипликативная стохастическая модель, которую путем логарифмирования можно привести к логарифмически линейной полиномиальной.
В этом случае задача планирования представляет собой задачу стохастического программирования и решается путем приведения ее к детерминированному эквиваленту задачи линейного программирования и дальнейшего решения симплекс методом на ЭВМ. Для получения оптимальных значений факторов модель приводится к виду
Значения параметров математической модели, коэффициент и показатели степеней определялись методами библиотечных функций програмного пакета MATLAB. Так как при обработке электронным пучком имеет место существенная неоднородность распределения энергии по сечению пучка и сопротивления контакта между обрабатываемым объектом и коллектором (держателем), то принимается достаточным совпадение экспериментальных данных с рассчитанными в результате моделирования на уровне 20%. Использовался классический план эксперимента – пять однофакторных планов, у которых каждый фактор варьируется на трх уровнях. Проводился 21 опыт – работали пластины, обработанные с разными режимами обработки электронно-лучевого легирования (Таблица 3).
Из полученной модели можно определить необходимые значения управляющих факторов: оптимальное значение ускоряющего напряжения 18 кВ; оптимальное количество обрабатывающих импульсов – 5; оптимальное время нанесения покрытия NbHfTi магнетроном составило 2 минуты 35 секунд; оптимальное давление рабочего газа (аргона) в вакуумной камере при облучении составило 4х10-2 Па. Оптимальное количество циклов обработки - 4. Оптимальные режимы обработки для сплава ВК8 и пластин Н13А практически совпадают.
По результатам торцевого точения стали 40Х обнаружено, что интенсивность изнашивания dhP/dL (hP– размерный износ резца, L – путь резания) для пластин без обработки приблизительно в два раза выше по сравнению с образцами с износостойким покрытием и с комплексной обработкой, где она почти одинакова. Но режущие пластины только с износостойким покрытием разрушаются значительно раньше. Катастрофическое разрушение исходного и образца с износостойким покрытием (TiAl)N начинается при достижении размерного износа около 0.15 мм (Рис.28.). При этом происходит разрушение режущей кромки инструмента, что просматривается по поведению кривой размерного износа. Резец с комплексной обработкой «держит» режущую кромку значительно дольше (до размерного износа 0.2 мм для Н13А). На пластинах Н13А с комплексной обработкой режущая кромка выдерживает нагрузку вплоть до разрушения материала основы из-за перегрева.
По-видимому, наличие сложных карбидов ниобия, гафния и титана на модифицированной поверхности твердого сплава и почти 10% увеличение микротвердости приповерхностного слоя толщиной до 500 мкм снижает прочность адгезионной связи, которая присутствует на всей поверхности соприкосновения между обрабатываемым материалом и поверхностью инструмента, подверженной износу, по сравнению с обработкой резцами только с износостойким покрытием. Лучшая стойкость инструмента после комплексной обработки обуславливается менее интенсивным химическим взаимодействием таких карбидов с обрабатываемым материалом. Именно поэтому, а также благодаря более высокой твердости, такие сложные карбиды подвержены износу меньше, чем карбиды WC.
