Введение к работе
Актуальность темы. К.:к следует из анализа литературных данных, быстрорежущие стали являются универсальным материалом для изготовления металлорежущего инструмента. Причем большинство специалистов считает, что к началу следующего столетия эти стали будут оставаться основным материалом для изготовления металлорежущего инструмента. Традиционная сталь Р6М5 приблизилась к предельному легированию и, следовательно, к оптимальному сочетанию основных режущих свойств, и не приходится ожидать дальнейшего повышения ее эксплуатационных свойств.
Эффективным средством повышения эксплуатационных свойств быстрорежущих сталей является нанесение износостойких покрытий на рабочие части инструмента. Однако различие в физико-механических свойствах между материалом покрытия и сталью приводит к преждевременному удалению покрытия с режущих хромок во время работы. Плавность в свойствах при переходе от покрытия к материалу инструмента может был обеспечена наличием диффузиокюго подслоя на стали. Такой подслой может быть получен азотированием или нитроцементацией. Однако при диффузионном насыщении в составе насыгаиощей среды не должно быть водорода, так как мелкоразмерный инструмент склонен к водородной хрупкости.
В литературе нет данных по процессам безводородной нитроцементаиии. Не изучен механизм процессов диссоциации, ионизации и переноса активных компонентов к насыщаемой поверхности в плазме тлеющего разряда. Практически не изучены механизм формирования нитроцемешчзванных слоев и диффузия элементов при насыщении совместно углеродом и азотом из плазмы тлеющего разряда.
В этой связи представляется важным с теоретической точки зрения исследование процессов, протекающих в диффузионной зоне при беззодородной нитроцемен-тации в плазме тлеющего разряда. С практичс :ой точки зрения является актуальной разработка процесса безводородной нитроцементаиии и получение комплексных износостойких покрытий для повышения работоспособности режущего инструмента из быстрорежущей стали.
Цель и задачи работы. Разработка и исследование процесса безводородной нитроцементацин быстрорежущих сталей в плазме тлеющего разряда и использование нитроцементовшшого слоя в качестве подслоя в комплексных износостойких покрытиях.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Разработать метод безводородной нитроцементации в плазме тлі.ошего разряда, включая создание лабораторной установки и безводородной атмосферы.
-
Теоретически выполнить анализ процессов диссоциации, ионизащш и доставки активных компонентов к насыщаемой поверхности в плазме тлеющего разряда.
-
Исследовать диффузию водорода и углерода в быстрорежущих сталях при насыщении из плазменного разряда.
-
Изучить физическими методами фазовый и элементный состав нитроцементован-ных слоев.
-
Определить влияние наводорояшвания на физнко-мехштческие свойствг нігввс-цементованных сталей.
-
Разработать промышленный способ ионно-вакуумной юпроцементацпи в беззодородной атмосфере.
-
Разработать технологии получения комплексных износостойких покрытий, состоящих из нитроцементованного подслоя и износостойкого покрытия.
Научная новизна. Установлено, что увеличение скорости насыщения в тлеющем разряде обусловлено дополнительной ударной диссоциацией молекул ионным компонентом среды, приводящей к появлению нейтральных атомов азота и углерода в плазме тлеющего разряда, и разрушением барьерного слоя у насыщаемой поверхности асимметричным электрическим полем. Определены параметры диффузии водорода и углерода в быстрорежущих сталях при насыщении из плазмы тлеющего разряда. Предложены температурные зависимости коэффициентов диффузии. Установлен фазовый состав поверхностной карбонитридной пленки и гетерофазной зоны нитроцементованного слоя. Экспериментально установлена взаимосвязь между содержанием водорода и служебными свойствами быстрорежущих сталей.
На основании экспериментальных данных разработаны технологии получения комплексных износостойких покрытий на быстрорежущих сталях.
Практическая значимость работы. Предложена технология ионно-вакуумной безводородной нитроцементации быстрорежущих сталей, повышающая их эксплуатационную стойкость в 2-2,5 раза. Нитроцементованный слой служит подслоем при создании комплексных покрытий, таких как боронитроцементованные, нитроиементованные с последующим нанесением нитридотитанового покрытия и карбонитроцементованные. Комплексные покрытия в 3-6 раз увеличивают стойкость серийно изготовляемого инструмента, значит ельно увеличивают стабильность и работоспособность инструмента из быстрорежущих сталей.
Технология боронитроцементации внедрена на ОАО "Курскагромаш" с экономическим эффектом 93396 руб. в год (в ценах 1991г.). Разработана методика повышения эффективности ионно-вакууыных покрытий из нитрида титана на быстрорежущих сталях. Технология внедрена на АО "20-ый подшипниковый завод" с экономическим эффектом 64808 руб. в год (в ценах 1991г.) Разработана технология карбо-нитроцементации сталей.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на:
4ой научно-технической конференции "Вакуумные покрытия 87" 8-10 октября 1987г., г. Юрмала, СКВ вакуумных покрытий при Госплане Латвийской ССР.
Всесоюзном семинаре "Ионно-плазменная технология упрочнения изделий инструментального производства" 18 - 22 октября 1987г., г. Мосхва., НМЦ Ионно-плазмешюй технологии НИИ "Импульс".
Всесоюзном совещании по прикладной мссбауэровсхой спехтроскопии 2-7 сентября 1988г., г. Москва, МИФИ, МГУ им. М.В. Ломоносова.
5-ом Всесоюзном совещании "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов" 4-6 октября 1988г., г. Москва, институт металлургии им. А.А. Байкова.
Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы трибо-технологии" 14-16 сентября 1988г., г. Николаев, Николаевский кораблестроительный институт.
10-ом Всесоюзном совещании по кинетике и механизму химических реакций в твердом теле. Июнь 1989г., Черноголовка, институт химической физики АН СССР.
Всесоюзной научно-технической конференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработок деталей машин и инструмента" 19-22 сентября 1989г., г. Махачкала.
6-ом Республиканском семинаре "Разработка, производство и примените инструментальных материалов" 16-18 октября 1990 г., г. Запорожье, УкрНИИспецсталь.
- научно-технической конференции "Конструкционные, инструментальные порош
ковые и композиционные мат«.,ліальг" 4-5 июня 1991г., г. Ленинград, ЛДНТП.
- Юбилейной конференции ученых Курского политехнического института, 1994г., г.
Курск.
- Российской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие тех
нологии - 94" 15-17 ноября 1994г., г. Курск.
Международной научно-технической конференции "Прогрессивные- технологии машиностроения и современность" 9-12 сентября 1997г., г. Севастополь, Севастопольский государственный технический университет.
5-ой научно-технической конференции с международным участием. "Материалы и упрочняющие технологии - 97" 20-23 ноября 1997г., г. Курск, Курский государственный технический университет.
Публикации. По теме работы опубликовано 24 печатных работы. Структура п объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Объем диссертации составляет 209 страниц текста, включая 44 рисунка, 21 таблицу и 161 наименование использованных источников.
