Введение к работе
Актуальность проблемы Интенсификация производства, применение новых технологий обработки и автоматизированных систем предъявляют все более высокие требования к стойкости и надежности инструмента, поэтому проблема повышения стойкости инструмента является актуальной практически для всех сфер производства, начиная от машиностроения (металлообработка) и кончая пищевой промышленностью. В соответствии с этим, проблема повышения стойкости режущего и штампового инструмента в целом и, в частности, наиболее распространенного стального инструмента является, актуальной.
Для создания идеального инструментального материала, обеспечивающего инструменту высокую стойкость, необходимо сочетание в нем несочетаемых, на первый взгляд, качеств. Так, повышение износостойкости инструмента требует повышения его твердости, а это вызывает увеличение склонности материала к хрупкому разрушению - сколу, выкрашиванию рабочих поверхностей и т.п. Повышение теплостойкости, требующее повышения степени легирования инструментальных сплавов, приводит, чаще всего, к снижению его теплопроводности, а это вызывает уменьшение интенсивности отвода тепла от рабочих поверхностей и их перегрев. От материала инструмента, применяемого при горячей обработке давлением, требуется и высокая твердость, и высокая разгаростойкость – стойкость к образованию и развитию трещин при термоциклировании и т.д.
Выйти из возникающего тупика позволяет то, что работоспособность инструментального и других материалов очень часто определяется свойствами поверхностных слоев, которые можно изменять с помощью их легирования за счет применения химико-термической обработки (ХТО), а также нанесением соответствующих покрытий методами химического и физического осаждения. В соответствии с этим в настоящее время основным направлением, обеспечивающим повышение работоспособности инструмента, является развитие и применение данных технологий.
Используемые на данный момент технологии ХТО, химического и физического осаждения в основном направлены на повышение износостойкости инструмента, которое достигается созданием на его поверхности слоев с очень высокой твердостью. С этой целью инструмент подвергается цементации, азотированию, нитроцементации, сульфоцианированию, борированию, оксидированию, диффузионному хромированию, либо на поверхность инструмента осаждают карбидные, нитридные соединения металлов и т.д. Однако более широкое и эффективное повышение работоспособности инструмента может обеспечить практически не применяемая в настоящее время (за исключением хромирования) диффузионная металлизация, позволяющая создавать на поверхности инструмента и регламентировано твердые износостойкие слои, и слои, обладающие высокой вязкостью, теплопроводностью, слои, защищающие инструмент от агрессивного воздействия рабочей среды и т.д.
Среди способов диффузионной металлизации наиболее эффективным для повышения стойкости инструмента является способ нанесения покрытий из среды легкоплавких жидкометаллических растворов (ЛЖМР). Данная технология, заключающаяся в выдержке изделия в ванне с легкоплавким металлическим расплавом, в котором растворен элемент или элементы покрытия, позволяет получать покрытия одновременно на партии изделий, на инструментах самой сложной конфигурации, при наличии на нем острых кромок, малых отверстий, глубоких полостей, а также совмещать процесс металлизации с термической обработкой. При этом образующиеся покрытия характеризуются равномерностью по толщине, стабильностью состава, свойств и высоким качеством.
В настоящее время препятствием для широкого использования рассматриваемой технологии является то, что многие вопросы, касающиеся диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, недостаточно изучены. Это вопросы выбора состава среды насыщения (транспортного расплава), элемента покрытия, кинетики и механизма формирования покрытий. Нерешенными остаются задачи, связанные с характером взаимодействия элементов покрытия и элементов покрываемого материала, а также связанные с влиянием покрытий на геометрические размеры изделий, шероховатость покрытых поверхностей. Требуют дополнительного изучения вопросы влияния термического воздействия металлизационного нагрева и последующих термических обработок на материал изделия и на работоспособность изделия в целом. Должны быть решены задачи оптимизации режимов диффузионной металлизации и термической обработки, и создано эффективное технологическое оборудования для практической реализации данной технологии.
В связи с изложенным представляется весьма актуальным научно обоснованное решение перечисленных вопросов и материаловедческих задач, разработка технологий, позволяющих изменять свойства поверхностных слоев инструмента в направлении повышения его стойкости, а также научная оценка влияния поверхностного легирования, происходящего после металлизации инструмента, на его свойства.
Исследования проводились в соответствии с координационным планом Минвуза СССР по теме: «Создание естественных композиционных материалов для летательных аппаратов за счет нового метода ХТО и разработка сплавов на основе интерметаллидов» и Министерства образования и науки РФ по г/б НИР 4.2.06 – 05 и 4.02.06 – 010 «Разработка и освоение новых технологических процессов получения и производства деталей с особыми физико-механическими свойствами.
В 2005г. на конкурсной основе получен гранд государственного фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на проведение НИОКР “ Разработка технологии изготовления накатных роликов, применяемых в оборудовании для перфорации нефтяных скважин ”
Цель работы и основные задачи исследования. Цель настоящей работы заключается в создании теоретических и технологических основ процесса и механизмов диффузионной металлизации инструментальных сталей из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, и разработка на этой основе способов и технологий повышения стойкости инструмента различного назначения.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие научно-технические задачи.
-
На основании анализа причин потери работоспособности инструмента различного назначения определить возможные пути и технологии повышения стойкости материала режущего, штампового и специального инструмента методами его диффузионной металлизации.
-
Изучить и дать теоретическое обоснование механизма и особенностей формирования покрытий из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, а также выявить факторы, влияющие на состав, структуру, параметры и свойства диффузионных покрытий, получаемых после диффузионной металлизации инструментальных сталей.
-
Установить влияние насыщающей среды, режимов процесса металлизации, элементов покрытия, состава покрываемых сталей на состав, структуру и свойства покрытий, а также на размеры покрываемых изделий и шероховатость покрываемой поверхности.
-
Выявить и оценить влияние диффузионной металлизации, термического воздействия, возникающего в процессе нанесения покрытий, а также последующей термической обработки на структуру, свойства материала инструмента и на работоспособность инструмента в целом.
-
Разработать состав покрытий, технологии их нанесения и окончательной термической обработки инструмента, обеспечивающие повышение его стойкости, а также оборудование для проведения полного технологического цикла металлизации инструмента на уровне промышленного производства.
-
Разработать рекомендации по рациональному использованию диффузионной металлизации для повышения работоспособности инструмента различного назначения.
-
Создать программы, обеспечивающие возможность компьютерного прогнозирования фазового и химического составов покрытий и кинетики их формирования, а также оптимизации режимов металлизации с учетом условий эксплуатации изделий и совмещения процесса металлизации с термической обработкой покрытых изделий.
Научная концепция. Разработка технологического решения повышения стойкости инструмента, имеющего общепромышленное и специальное применение, за счет диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов, а также научное и экспериментальное обоснование этого решения.
Научная новизна
-
Предложены и теоретически обоснованы возможные пути, а также составы диффузионных металлических покрытий и технология их нанесения из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, обеспечивающие повышение стойкости режущего, штампового инструмента, пресс-форм для литья под давлением и специального инструмента, испытывающего агрессивное воздействие рабочей среды.
-
Разработана металловедческая концепция диффузионной металлизации сталей в открытых легкоплавких жидкометаллических ваннах, устанавливающая влияние состава насыщающей среды, режимов металлизации, природы элементов покрытия, а также состава покрываемой стали и природы ее легирующих элементов на кинетику формирования покрытий, а также на их состав, структуру и свойства. В частности:
- с формулированные основные положения позволяющие оценивать возможность формирования покрытий с заданными свойствами и проводить оптимизацию процесса;
- установлено влияние состава жидкометаллические ванны, а также введения в него лития и олова на процесс и кинетику формирования покрытий и их качество;
- установлено определяющее влияние характера взаимодействия элементов покрытия с углеродом стали и режимов диффузионной металлизации на кинетику формирования покрытий, их состав, структуру и свойства;
- определено влияние природы легирующих элементов покрываемой стали, в частности, их сродства с углеродом, и характера их взаимодействия с элементами покрытия и жидкометаллической ванной на кинетику формирования покрытий, на их параметры, состав, структуру и свойства, установлена селективность во взаимодействии элементов покрытия и легирующих элементов покрываемой стали.
-
Установлена и теоретически обоснована возможность одновременного нанесения многокомпонентных покрытий из одной жидкометаллической ванны и влияние природы элементов покрытия, состава покрываемой стали, насыщающей среды и режимов металлизации на состав, структуру и свойства многокомпонентных покрытий.
-
Установлено явление блокирования как объемной, так и поверхностной диффузии карбидообразующих элементов углеродом покрываемой стали, а при многокомпонентном насыщении - блокирование диффузии и некарбидообразующих элементов покрытия, если хотя бы один из элементов покрытия является карбидообразующим.
-
Выявлено наличие 3-х стадий в механизме формирования диффузионных покрытий на базе карбидообразующих элементов, и установлена зависимость длительности и полноты протекания двух последних стадий диффузионного взаимодействия, а также состава, структуры и свойств покрытий от соотношения величин диффузионных потоков углерода и элементов покрытия.
-
Оценено влияние диффузионной металлизации на состав, структуру и свойства приграничных с покрытием слоев покрываемой стали, а также на покрываемый материал в целом, и предложены пути устранения негативного влияния этих слоев изменений в структуре основы на работоспособность покрытых изделий.
-
Проведен анализ причин изменения геометрических размеров и шероховатость поверхности изделий после диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов, и дана оценка влияния режимов диффузионной металлизации и природы элементов покрытия на эти параметры покрытых изделий.
-
Создана программно-математическая модель, обеспечивающая возможность компьютерного прогнозирования фазового и химического составов покрытий и кинетики их формирования, а также оптимизации режимов металлизации с учетом условий эксплуатации изделий и совмещения процесса металлизации с термической обработкой покрытых изделий.
-
Установлено влияние типа инструментальных сталей на кинетику формирования покрытий, их состав, структуру и свойства. Оптимизированы, с учетом вида инструмента и условий его работы, составы покрытий, обеспечивающих повышение работоспособности инструмента.
-
Установлено влияние титановых и никельсодержащих покрытий на свойства инструментальных сталей и стойкость режущего, штампового инструмента, пресс-форм для литья под давлением и специального инструмента, испытывающего агрессивное воздействие рабочей среды.
Практическая ценность работы
- создана концепция повышения стойкости режущего, штампового и специального инструмента диффузионной металлизацией инструмента в среде легкоплавких жидкометаллических растворов за счет изменения механических, физико-химических свойств его поверхностных слоев;
- предложена технология диффузионной металлизации инструмента и рекомендованы составы покрытий на базе карбида титана и никельсодержащих покрытий, обеспечивающие повышение износостойкости, теплостойкости, трещиностойкости, коррозионной стойкости в электролитах и расплавах металлов, жаростойкости;
- созданы компьютерные программы, обеспечивающие возможность прогнозирования состава покрытий и кинетики их формирования, а также оптимизации режимов металлизации с учетом условий эксплуатации изделий и совмещения процесса металлизации с термической обработкой покрытых изделий.
- даны рекомендации по выбору покрытий, материала инструмента, насыщающей среды, режимов металлизации и финишной обработки в соответствии с видом инструмента и условиями его работы;
- разработано оборудование и оптимизирован технологический процесс, обеспечивающий возможность использования технологии диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов в серийном и массовом производствах.
Реализация научно-технических результатов работы в промышленности
На заводе «Балтийский Машиностроительный Инструментальный завод» в г.Санкт-Петербурге организован участок диффузионной металлизации инструмента, на котором производится диффузионное титанирование ручных ножовочных полотен и полотен для электролобзиков и пресс-форм для вулканизации резиновых изделий, а также нанесение диффузионных никель-медных и никель-хромовых покрытий на пресс-формы для литья под давлением алюминиевых сплавов. Использование диффузионной металлизации для повышения работоспособности инструмента позволило повысить стойкость ножовочных полотен от 2 до 10 раз, стойкость пресс-форм - в 4,7 раза.
На предприятии ООО «Нефтемаш», производящем роликовые ножи, опорные оси, размывочные сопла, опоры для гидроперфораторов стволов нефтяных скважин, внедрены технологии диффузионной металлизации по технологиям, разработанным в данной диссертационной работе. Диффузионная металлизация роликовых ножей и опорных осей позволила значительно снизить вероятность аварийного разрушения этих изделий, повысить производительность процесса перфорации скважин в 2 – 3 раза и период стойкости роликовых ножей в среднем в 2,5 раза.
Результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, внедрены и используются на предприятии ООО «Екатеринодар Бизнес», занимающимся перфорацией стволов нефтяных скважин. Экономический эффект от внедрения разработок на данный момент составил один миллион пятьсот тысяч рублей.
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 10 конференциях, в том числе на 8 международных конференциях:
- Коррозионно-механическая прочность материалов АЭС. СПб.: 1996.
- Инновации в машиностроении. Пенза. 2004. С.12-15.
- World Automobile Congress FISITA. Barcelona, Spain, 2004.
- Proceeding of International Conference. Mechanika.2006
- The ninth international conference “Material in design,manufacturing and operation of nuclear power plantequipm ent” 6 – 8 June , 2006.
- 9-й Международной практической конференции – выставке «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки». 2007
- «Прочность и долговечность сварных конструкций в тепловой и атомной энергетике» Санкт-Перетбург , 2007
- 5-th, Internftionale Tagung und Europaische Tagung fur Warmebehandlung 2007
Публикации результатов работы
Общее количество публикаций 85. По материалам диссертации опубликовано 40 печатные работы, из них 7 работ опубликованы в реферируемых изданиях, 1 монография, 12 патентов, авторских свидетельств на изобретения, 4 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, рекомендаций, заключения, основных выводов, библиографического списка и приложений. Содержит 354 страниц основного текста, включая 85 рисунков и 8 таблиц. В приложениях помещены компьютерные программы и акты внедрения результатов работы. Библиографический список включает 227 наименований.
