Введение к работе
Актуальность. Дальнейшее повышение качества выпускаемых машин и производительности механической обработки в условиях современного производства в значительной мере определяется качеством режущего инструмента. Эта характеристика инструмента, как известно, определяется износостойкостью, твердостью, ударной вязкостью, теплостойкостью, теплопроводностью и др. параметрами инструментального материала (ИМ), которые в свою очередь обусловлены многими структурными факторами макро- и микроуровня, а также изменениями в электронной структуре (ЭС) материала, характеризуемой плотностью состояний на уровне Ферми, энергией активации, парциальным распределением валентных зарядов и другими параме грами.
В настоящее время не существует теоретического обоснования взаимосвязи триболопіческих свойств инструментальных материалов сложного состава с характеристиками их электронной структуры; отсутствуют систематические исследования ЭС, химической связи и свойств ИМ на основе нитрида бора и карбидных систем, легированных s, р, d - элементами; отсутствует концепция «конструирования» новых материалов с прогнозируемыми свойствами, прежде всего в направлении повышения их износостойкости.
Настоящая работа посвящена проблеме концептуального конструирования новых ИМ сложного состава с прогнозируемыми свойствами на основе изучения связи их ЭС с физико-механическими и трибологическими свойствами.
За последнее десятилетие накоплен значительный материал по связи ЭС со свойствами тугоплавких металлов и их соединений; установлены корреляционные связи между структурой и свойствами бинарных соединений. Решить аналогичную задачу для современных режущих ИМ затруднительно из-за кардинальной перестройки ЭС бинарных соединений при объединении
их в сложные композиционные системы. Тем не менее изучение природы формирования физических свойств ИМ на электронном уровне является важным условием создания новых режущих материалов.
В настоящее время промышленность разных стран выпускает широкую гамму инструментальных сверхтвердых материалов (СТМ) на основе кубического нитрида бора (КНБ). На базе теоретических исследований и программного продукта реально решение проблемы комплексного моделирования состава и свойств СТМ на базе как нитрида бора, так^і карбидов тугоплавких элементов - титана и вольфрама.
Предварительные экспериментальные исследования износостойкости инструмента из поликристаллического кубического нитрида бора (ПКНБ) в зависимости от его физико-химических свойств при резании труднообрабатываемых материалов показали, что существует тесная связь между строением ПКНБ и режущими свойствами инструмента на его основе. Установлено, что введение различных модифицирующих и катализирующих добавок при синтезе КНБ позволяет создать инструмент повышенной износостойкости.
Дальнейшего осмысления и научного обоснования требуют и экспериментально обнаруженные факты корреляционной связи между показателями износостойкости ИМ и величиной абсолютной термоЭДС как характеристики электронного строения ИМ.
Изложенное позволяет сформулировать следующую цель работы, которая заключается в разработке научных основ создания композиционных инструментальных материалов с повышенными режущими свойствами на основе раскрытия взаимосвязи характеристик электронного состояния ИМ с показателями износостойкости.
В задачи исследования входит: 1. Развитие теоретического метода расчета ЭС режущих ИМ типа BN-
Me/TiC-Me, TimCxNy (Al, Cr, V, Mo, Zr)n> WmTi„C; создание профаммного обеспечения для расчета физических и трибологаческих свойств и моделирования состава компонентов ИМ.
-
Изучение влияния легирования на ЭС, физические свойства тройных систем BN-Me и TiC-Me и интенсивность изнашивания лезвийного режущего инструмента.
-
Обоснование физических принципов моделирования состава ИМ с повышенными режущими свойствами;
-
Разработка аналитической зависимости для оценки износа твердых сплавов для условий абразивного изнашивания с использованием теоретических плотностей электронных состояний карбидов и величин абсолютной термоЭДС материала инструмента.
-
Создание и практическая апробация методики «конструирования» новых режущих инструментальных материалов повышенной износостойкости и внедрение новых материалов в различных отраслях промышленности. Методы исследования. Теоретическая часть работы базируется на применении квантово-механических методов расчета электронной структуры, используемой для расчета износостойкости, энергии химической связи, микротвердостн, теплопроводности и др. Расчеты и физическое моделирование новых СТМ с заданными свойствами осуществлялись на персональных компьютерах типа IBM РС586. Структура и свойства инструментальных материалов исследовали методами оптической и электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализов, путем механических испытаний на микротвердость и прочность.
Научная новизна диссертационной работы заключается в получении следующих новых научных результатов:
1. Предложены научная концепция «конструирования» новых материалов с прогнозируемыми свойствами и блок-схема конструирования материалов с
новыми свойствами; моделирование ЭС композитов на основе двойных карбидов и нитридов переходных металлов.
2. Разработка теоретического метода расчета ЭС соединений в тройных и
более сложных композициях на основе нитрида бора и карбида титана.
Разработанная методика расчета плотности электронных состояний для фаз
типа TiC, TiN, WC, TiCraN„, TimCN(Zr,Mo,V,Cr,AI)n, WmT1nC может быть
развита на другие структурные типы: (Fe,W)mCn - основу быстрорежущих
сталей, АЬОз - основу керметов.
3. На основе квантово-механических расчетов, материаловедческих
исследований и экспериментально установленных зависимостей между
параметрами ЭС и пределом прочности на изгиб раскрыта природа
твердофазного упрочнения твердых сплавов (ТС) на основе карбидов типа Ті -
Me - С; используя развитые выше представления определены направления
оптимизации функциональных свойств инструментальных материалов,
синтезированных методом СВС - компактирования.
-
Впервые получены данные о влиянии легирования на ЭС, физические свойства тройных соединений: Ті |.х Me ,Си BN ,., Мс х (Me = непереходные s.p-элементы или переходные За^металлы) и на интенсивность изнашивания лезвийного режущего инструмента (численным расчетом).
-
Получена формула для оценки интенсивности изнашивания ТС для условий абразивного износа с использованием теоретических плотностей электронных состояний (ПЭС) . карбидов. Впервые в формуле для интенсивности изнашивания учтена характеристика электронного состояния ТС - абсолютная термоЭДС. Расчетные' оценки величины интенсивности изнашивания для карбида вольфрама коррелируют с экспериментальными данными. Расчетами величины интенсивности изнашивания для разных составов двухкарбидных твердых сплавов (от Т5К10 до Т60К6) показано, что сплав с меньшей термоЭДС имеет большую износостойкость. Эти результаты теоретических
расчетов подтверждают данные многочисленных экспериментов при трении и резании, выполненных не только для твердых сплавов, но и для керметов и быстрорежущих сталей. Расчетные величины энергии связи карбидов могут/ быть использованы в будущем для оценки интенсивности изнашивания для других видов изнашивания, в частности, адгезионного и диффузионного видов износа.
Практическая ценность. При разработке основ конструирования новых материалов сложного состава с предсказанными физико-химическими свойствами в работе решены следующие задачи: разработана методика конструирования новых инструментальных ТС и СТМ; установлены корреляционные связи параметров ЭС с механическими свойствами; разработаны и опробованы физико-химические и технологические основы синтеза твердых и СТМ на основе КНБ и карбида титана; разработаны новые ИМ с повышенными режущими свойствами: ТС - на основе карбидов титана и хрома; СТМ - на основе нитрида бора; проведена практическая апробация новых инструментальных ТС и СТМ в условиях производства, что показало на их повышенные режущие свойства и экономическую целесообразность их использования в инструментальном производстве.
Создан пакет компьютерных программ, позволяющий осуществить расчет свойств композитов сложного состава и провести оптимизацию состава шихты прогнозируемого режущего инструмента (РИ) в процессе компьютерного эксперимента.
Полученные результаты нашли применение в виде методик, технических средств для-их осуществления, новых составов ТС и СТМ на основе нитрида бора и карбида титана для изготовления металлообрабатывающего инструмента, опытно-промышленных партий порошковых изделий на следующих предприятиях: Ростсельмаш, Южная техническая компания, Донпр^ссмаш.
На основании выполненных автором исследований сформулированы и обоснованы научные положения, совокупность которых можно квалифицировать как теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы, имеющей важное значение для экономики России.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами комплексных научно-технических ГКНТ СССР на 1985-87 гг.; ГоскомВУЗа РФ "Мелкосерийная и малотоннажная наукоемкая продукция" на 1992-93 гг. Разработки, выполненные в диссертационной работе, внедрены в машиностроительной, приборостроительной и станкоинструментальной отраслях промышленности и принесли значительный экономический эффект. Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты теоретических исследований, позволяющие конструировать состав и структуру основы режущих ИМ, прогнозировать их физические и трнбологические свойства, механические и стойкостные характеристики в у&ювиях резания.
-
Квантово-химяческие модели структуры перспективных ИМ, позволившие раскрыть механизм растворимости переходных 3<і-металлов в матрице КНБ и природу твердофазного упрочнения (Ті-Ме-С)-композитов, а также обосновать направления оптимизации структуры и свойств твердых и сверхтвердых ИМ.
-
Новые ИМ на основе нитрида бора и карбида титана, разработанные на основе теоретических и экспериментальных исследований, которые обеспечивают повышение стойкости РИ в автоматизированном производстве.
-
Новый подход к оценке износостойкости режущих ИМ с позиций ЭС, определяемой ПЭС, энергией Ферми, парциальным распределением заряда и ее производной — абсолютной термоЭДС и аналитическая зависимость для оценки износостойкости при абразивном изнашивании.
-
Экспериментальные результаты стойкостных исследований РИ,
оснащенных новыми ИМ на основе нитрида бора и и карбида титана, синтезированных методом СВС-компактирования, подтверждают результаты теоретических исследований.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в данной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: 3-й Международный симпозиум «Дисперсно-упрочненные материалы» (Чебоксары-1993); Европейские конференции: «Перспективные материалы и процессы» (Мюнхен-1999, 2000); «Порошковая металлургия» (Стокгольм-1996, Мюнхен-1997, Турин-1999); «Кристаллография'15-19» (Дрезден-1994, Лунд-1995, Лиссабон-1997, Прага-1998, Глазго-1999, Нанси-2000); Международный конгресс «Порошковая металлургия» (Гренада-1998); Международные конференции: «Новейшие процессы и материалы п ПМ» (Киев- 1997); «Деформация и структура в ПМ» (Пештану-1999); Всесоюзные конференции: «Порошковая металлургия и композиционные материалы» (Ленинград-1992); «Теплофизика технологических процессов» (Ташкент -1984); «Прессование металлов» (Каменск-Уральский-1985); «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог-1995); Республиканские семинары: «Методы получения, свойства и области применения тугоплавких карбидов и сплавов на их основе» (Чернигов-1990); «Влияние высоких давлений на вещество» (Киев, АН УССР ИПМ - 1976, 1978, 1979); Региональный семинар «Порошковые магнитные материалы» (Пенза-1988,1991), а также ежегодных научно-технических конференциях ДГТУ, По теме диссертации опубликовано 90 работ, перечень основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 322
страницах машинописного текста и состоит из введения, восьми глав основной части, заключения, приложения, содержащего описание основных методик, пакета программ, рекомендаций по выполнению технологических процессов,
акты внедрения технологических процессов в производство различных предприятий, авторские свидетельства на изобретение. В тексте диссертации содержится 46 рисунков, 33 таблицы, список использованных источников из 358 наименований.
