Введение к работе
Актуальность темы. Одним из основных направлений современного материаловедения и термической обработки является создание инструментальных материалов с более высоким комплексом свойств и разработка новых упрочняющих покрытий для эффективного применения их в современном машиностроении.
К настоящему времени путь получения новых материалов в основном исчерпан, и ожидать получения составов, которые могли бы значительно превосходить физико-химические свойства известных, не приходится. Усложнение легирования сплавов и связанное с этим увеличение содержания в них упрочняющих фаз, например, в быстрорежущих сталях, привело к повышению служебных характеристик сплавов при одновременном снижении их технологической пластичности на различных стадиях производства, начиная от ковки и прокатки и кончая обработкой резанием и шлифовкой. Так, например, выход годного сортового проката на металлургических заводах для стандартной быстрорежущей стали Р6М5 в 4-6 раз больше, чем для сложнолегированной, менее пластичной стали марки Р12М4К8Ф2, имеющей более высокую твердость и высокие режущие свойства.
Подтверждением этого можно считать наметившуюся в последнее десятилетие тенденцию решать проблемы повышения служебных характеристик материалов, обеспечения высокой надежности, безопасности и экологической защищенности изделий за счет совершенствования существующих технологий получения материалов, нанесения покрытий и их термической обработки. В инструментальном производстве, например, при оптимизации технологий обработки увеличение твердости на 1-2 единицы HRC ведет к повышению эксплуатационной стойкости инструмента на 10-20%.
Поэтому разработка новых методов уже существующих упрочняющих технологий, повышающих прочность, износостойкость, коррозионную стойкость, сопротивление хрупкому разрушению, выносливость и другие механические и эксплуатационные характеристики материалов, безусловно, востребована и актуальна.
Одним из путей решения этой задачи является модифицирование поверхности базовых сталей с целью получения принципиально новых характеристик, которые определяют свойства изделия в целом. Модифицирование может осуществляться тремя способами: легированием поверхности через жидкую фазу, через твердую (из газовой фазы) и нанесением покрытий.
Модифицирование поверхности легированием через жидкую фазу позволяет решать задачу снижения материалоемкости дорогих
высоколегированных сталей путем замены их более дешевыми, экономнолегированными, с дополнительным поверхностным упрочнением.
В этой связи актуальной задачей является разработка перспективных упрочняющих технологий поверхностного лазерного легирования, проходящего в жидкой фазе, позволяющая получать на таких сталях механические свойства и рабочие характеристики, аналогичные характеристикам высоколегированных быстрорежущих инструментальных сталей.
Существующие традиционные технологии химико-термической обработки не всегда можно с успехом применять для поверхностного упрочнения режущего инструмента. Многие из них требуют сложного аппаратурного обеспечения, квалифицированного персонала, что приводит к большим энергозатратам и, в ряде случаев, к невозможности реализации в современных экономических условиях бурно развивающейся промышленности.
Поэтому актуальны и перспективны процессы низкотемпературного азотирования, находящие все более широкое применение из-за возможности регулирования свойств поверхностного слоя в зависимости от конкретных условий работы инструмента. Но существующие базовые, классические процессы низкотемпературного азотирования длительны, не всегда эффективны и не используют всех потенциальных возможностей. В частности, неиспользование возможностей насыщающих сред приводит к неоправданно большому расходу аммиака, выбросу вредных примесей в атмосферу, ухудшению экологии, большим энергозатратам, поэтому такие технологии требуют дальнейшей оптимизации и нового подхода к решению задач ресурсосбережении.
Различные условия работы инструмента и многообразие их видов предполагают и различные научно обоснованные технологии их упрочнения. Существуют материалы, требующие дополнительных свойств от обрабатывающего инструмента. Это специальные стали и сплавы, металлокерамика, композиты и т.д., для которых на первое место выходят вопросы обрабатываемости, адгезии с материалом инструмента, снижение коэффициента трения. Для такого рода материалов применяется инструмент высокой твердости, теплостойкости, с низким коэффициентом трения, низкой адгезией с обрабатываемым материалом, что уменьшает схватывание и предотвращает налипание. Эти характеристики, как правило, имеет инструмент со специальным покрытием. Способов такого вида поверхностного упрочнения очень много. Одним из перспективных способов является осаждение покрытий из парогазовой фазы при разложении металлоорганических соединений. Достоинством этого метода являются низкая температура осаждения, что не приводит к разупрочнению основного металла, и высокая твердость и износостойкость получаемых покрытий.
Существующие технологии такого типа достаточно широко применяются для конструкционных сталей, где не учитываются особенности процесса резания, когда распределение температуры в зоне резания, давление материала на инструмент меняются в процессе от нулевых значений до определенного максимума, что предъявляет дополнительные требования к функциональным свойствам упрочненного слоя и изделия в целом. Поэтому изучение поведения таких покрытий в условиях дополнительного нагрева со значительным изменением всех свойств и разработка на этой основе комбинированной технологии, дающей более высокий уровень упрочнения, которого нельзя достичь ни при одном виде покрытий, являются актуальными.
В связи с этим несомненный научный и практический интерес представляет разработка системного подхода к осуществлению модификации поверхностного слоя инструментальных сталей: как легированием в жидкой фазе путем оплавления поверхности, так и диффузией из газовой фазы, и комбинированным упрочнением с нанесением покрытий.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка научных основ и технологий поверхностного упрочнения инструментальных сталей для повышения механических и режущих характеристик инструмента.
В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи.
-
Разработка теории лазерного поверхностного легирования с целью создания на поверхности дешевых углеродистых или низколегированных сталей слоев нового химического состава (новой стали), аналогичных по свойствам быстрорежущей стали.
-
Выбор оптимального химического состава легирующей композиции с целью получения максимальных режущих свойств инструмента.
-
Разработка математической модели лазерного поверхностного легирования одно-, двух- и трехкомпонентными системами с получением максимально высоких режущих свойств инструмента.
-
Изучение процесса насыщения углеродистых и низколегированных инструментальных сталей карбидообразующими элементами и углеродом из обмазок при локальном лазерном нагреве до оплавления, а также кинетики формирования зон лазерного легирования, влияния параметров обработки на размеры зон упрочнения, их фазовый состав, получаемую структуру, физико-механические и режущие характеристики.
-
Разработка оптимальной технологии лазерного поверхностного легирования инструмента с целью замены в некотором интервале скоростей резания инструмента из быстрорежущей стали на инструмент из низколегированной или даже углеродистой стали.
-
Исследование температурных полей инструмента с целью исследования эффективности лазерной технологии поверхностного упрочнения, а также для определения интервала допустимых температур при термоциклировании в процессе азотирования и температур дополнительной термической обработки при комбинированном упрочнении инструмента с использованием осаждения покрытий при разложении металлоорганических бис-ареновых соединений хрома.
-
Разработка нового метода азотирования в условиях газоциклических и термогазоциклических воздействий с целью сокращения длительности процесса, снижения расхода газа, увеличения толщины диффузионного слоя и механических характеристик материала в целом.
-
Исследование влияния длительности полуциклов на стадии насыщения и деазотирования на строение и фазовый состав диффузионного слоя с целью получения на поверхности требуемого сочетания фаз, исходя из условий работы инструмента.
-
Изучение кинетики нанесения на режущий инструмент пиролитических хромовых покрытий с целью разработки комбинированной технологии, позволяющей искусственно вызывать частичную кристаллизацию аморфной фазы в покрытии и при этом резко изменять физико-механические характеристики.
10. Разработка научных рекомендаций по выбору технологии или
мегода упрочнения для различного вида инструментов с целью получения
оптимального сочетания заданных эксплуатационных характеристик
инструмента, технологических параметров обрабатываемого материала и
экономичной реализации предлагаемых процессов.
Научная новизна. Новыми являются:
разработанные физико-химические основы поверхностного упрочнения инструментальных сталей методом легирования с оплавлением поверхности лазерным нагревом, позволяющие получать на поверхности дешевых углеродистых или низколегированных сталей модифицированные слои нового химического состава с принципиально новыми механическими характеристиками;
математическая модель лазерного поверхностного легирования, позволяющая связать составы насыщающих композиций и рабочие характеристики инструмента;
введенная для процесса лазерного легирования характеристика интегральной микротвердости и корреляционная зависимость ее с интенсивностью изнашивания при работе инструмента;
- диаграммы преимущественных режимов лазерного легирования при
различной плотности мощности излучения и количестве наносимой обмазки;
экспериментально установленные закономерности влияния технологических параметров лазерной обработки (плотности мощности излучения, коэффициента перекрытия лазерных пятен, плотности наносимой обмазки) на структуру, фазовый состав и механические и режущие характеристики инструментальных сталей;
экспериментально полученные и аналитически рассчитанные диаграммы распределения температурных полей режущей кромки, позволяющие прогнозировать температурные режимы работы инструмента из низколегированных сталей после лазерного поверхностного легирования;
- принципиально новый метод низкотемпературного азотирования -
газоциклическое и термогазоциклическое, и новый технологический
параметр процесса - длительность полуциклов, позволяющий просто,
эффективно и доступно регулировать структуру, фазовый состав и свойства
поверхности;
кинетические закономерности формирования и рассасывания диффузионного слоя при газо- и термогазоциклическом азотировании;
- комбинированный способ поверхностного упрочнения инструмента
для обработки труднообрабатываемых материалов, заключающийся в
нанесении пиролитических хромовых покрытий из металлоорганических
соединений с последующим печным или лазерным отжигом, дающим резкое
повышение твердости, износостойкости, теплостойкости и режущих
характеристик инструмента;
- экспериментально установленные закономерности влияния параметров
дополнительной термической обработки (температуры и продолжительности
отжига, плотности мощности лазерного излучения) на структуру, фазовый
состав и эксплуатационные характеристики инструмента.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Исследована широкая номенклатура режущего инструмента, работающего в различных условиях эксплуатации, и применительно к ним разработаны оптимальные технологии, позволяющие получать высокий комплекс эксплуатационных характеристик. Для инструмента простой формы с небольшой поверхностью режущей кромки, работающего с высокими скоростями резания, разработана и предложена к внедрению технология упрочнения путем лазерного легирования с оплавлением поверхности. Предложены рекомендации по выбору химического состава насыщающих обмазок и их количественному соотношению. Разработаны оптимальные технологические параметры процесса поверхностного упрочнения, обеспечивающие требуемые рабочие характеристики инструмента из экономнолегированных сталей, аналогичные, а в ряде случаев более высокие, чем у быстрорежущих сталей.
Разработана методика расчета износа и интенсивности изнашивания инструмента после лазерного поверхностного легирования с учетом механизма массопереноса легирующих элементов и химических составов насыщающих обмазок.
Для инструмента со сложной геометрией режущей поверхности и большой ее протяженностью обоснована целесообразность использования технологии низкотемпературного азотирования в условиях газо-и термогазоциклических воздействий взамен применяющегося в настоящее время классического азотирования в проточном аммиаке. Разработаны рекомендации по длительности полуциклов насыщения и рассасывания, позволяющие регулировать строение и фазовый состав поверхности инструмента и получать те или иные эксплуатационные характеристики, исходя из условий его работы
Для сложнообрабатываемых материалов разработана технология комбинированного поверхностного упрочнения с нанесением пиролитических хромовых покрытий и последующим печным или лазерным отжигом. Выработаны рекомендации по технологическим параметрам дополнительной термической обработки для обеспечения более высокого повышения режущих характеристик инструмента.
Разработанные технологии лазерного поверхностного легирования прошли промышленное опробование на предприятии Ракетно-космической корпорации им. С.П.Королева, на заводе «Водоприбор», г. Москва. По результатам испытаний при резании ресурс работы значительно увеличен, стойкость инструмента из стали ХВГ возросла в 5-7 раз. В НПО «Плазма Поволжья», г. Саратов, предложенная технология используется для изготовления режущих инструментов в стоматологии и в учебно-научной лаборатории «Материаловедение и технология конструкционных материалов» при чтении курса лекций для специальностей 120700 и 190500, а также при разработке специального мелкоразмерного концевого инструмента для обработки костного ложа под установку внутрикостных имплантатов с плазменно-дуговыми биопокрытиями. Технология термогазоциклического азотирования внедрена на предприятии ФГУП «Завод «Топаз». Инструмент, упрочненный по комбинированной технологии с нанесением пиролитического хромового покрытия и дополнительным лазерным отжигом, применяется для обработки пьезокерамики в НИИ «Элексирон», г. Ростов-на-Дону. При вырезании из крупногабаритных блоков высокоплотной керамики (керамические системы цирконата-титаната свинца ЦТС-19, ЦТС-26) призматических элементов наблюдается значительное повышение качества поверхности, резкое уменьшение сколов. Методика расчета износа по интегральной микротвердости и компьютерная программа вычисления коэффициентов регрессии уравнений, связывающих износ инструмента с составами насыщающих обмазок, внедрены в учебном процессе на кафедре
Металловедения и термообработки МАДИ (ГТУ) при чтении курса лекций «Фрикционное материаловедение», а новый подход к азотированию - в общем курсе «Материаловедение».
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 36 печатных работ, 1 авторское свидетельство и 2 монографии.
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 29 конференциях, совещаниях, семинарах, в том числе: на Республиканской научно-технической конференции «Создание и использование лазерной техники и технологии», г. Киев, 1985 г.; на зональной конференции «Современные процессы поверхностного упрочнения», г. Пенза, 1985 г.; на Всесоюзной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии термической обработки», г. Киев, 1985 г.; на научно-технической конференции «Химико-термическая обработка деталей машин и инструмента», г. Нижний Тагил, 1986 г.; на Всесоюзной научно-технической конференции «Новые материалы», г. Челябинск, 1987 г.; на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Лазерная техника и технология», г. Вильнюс, 1988 г.; на научно-технической конференции «Социально-экономические проблемы управления производством», г. Калуга, 1995 г.; на 3-ем Собрании металловедов России, г. Пенза, 1998 г; на Международной научно-практической конференции «Проблемы безопасности на транспорте», г. Гомель, 2000 г.; наП (1996 г.), Ш (1997 г.), IV(1998г.), V (1999г.), VI (2000г.), IX (2003г.), X, XI (2004 - 2005 гг.) Международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», Москва, Ассоциация «Механика и технологии»; на научно-методических совещаниях заведующих кафедрами металловедения и ТКМ вузов России, Ярославль, 2002 г., Саратов, 2003 г., Нижний Новгород, 2004 г.; на технологической секции научно-технической конференции (НКТБ «Пьезоприбор» РТУ, РДФ НИИФИ) в рамках V Международного гидроавиасалона, г. Геленджик, 2004 г.; на 42-й (1984 г.), 43-й (1985 г.), 44 (1986 г.), 45 (1987 г.), 46 (1988 г.), 54 (1996 г.), 58 (2000 г.), 59 (2001 г.), 61(2003 г.) научно-исследовательских конференциях МАДИ.
Работа выполнялась на кафедре металловедения и термообработки Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) в соответствии с планами научно-исследовательских работ. Диссертационная работа является логическим продолжением исследований, проведенных на кафедре под руководством профессора Ю.М.Лахтина. Отдельные этапы работы выполнялись по гранту ТОО-5.8-772, раздел «Металлургия» фундаментальных исследований в области технических наук Министерства образования РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех частей (12 глав), заключения, библиографического списка из
