Повышение эксплуатационных свойств титановольфрамовых твердых сплавов с использованием технологии высокоэнергетической обработки Свиденко Екатерина Валерьевна

Введение к работе

Актуальность темы и степень её разработанности. Твердые титано-вольфрамовые сплавы обладают рядом ценных свойств: высокие значения пределов прочности (при сжатии до 6000 H/мм², при изгибе от 1000 до 2500 H/мм²); повышенные твердость (от 80 до 92 HRA) и сопротивление изнашиванию; теплостойкость в пределах от 800 С до 1000 С; устойчивость к воздействию кислот и щелочей. Спечённые твердые сплавы выпускаются в виде изделий различной формы и размеров, в частности, для оснащения металлорежущего инструмента – в виде сменных неперетачиваемых пластин (СНП). Эксплуатационные свойства пластин зависят от технологии их производства, используемой изготовителями, и меняются в широких пределах. Потребители относительно дорогостоящих СНП заинтересованы, в первую очередь, в повышении их прочности и износостойкости.

Вопросам повышения прочности и износостойкости путем термической обработки твёрдосплавного инструмента посвящены труды В.Н. Анциферова, А.И. Болдырева, Е.А. Будовских, С.Н. Григорьева, А.Г. Григорянца, Ю.Г. Гуре-вича, Р. Киффера, М.Г. Лошака, В.И. Третьякова, В.И. Туманова, И.Н. Чапоро-вой, Г.П. Швейкина и др.

Повышение прочности и износостойкости твёрдосплавного инструмента может быть обеспечено различными видами обработки СНП, в частности, термической, химико-термической и лазерной. Однако их применение весьма ограничено вследствие недостаточной изученности закономерностей изменения структуры и свойств двухкарбидных твердых сплавов. Это сдерживает внедрение эффективных технологий с использованием высокоэнергетических источников и разработку рекомендаций с научным обоснованием параметров, обеспечивающих получение требуемых эксплуатационных свойств СНП.

В связи с вышеизложенным, исследования особенностей термической и химико-термической обработки твердых сплавов группы ТК с целью улучшения эксплуатационных свойств СНП являются актуальной научной задачей.

Исследования выполнены в рамках:

госбюджетной НИР «Совершенствование технологических методов повышения долговечности изделия машиностроения, в том числе порошковых материалов и покрытий» (№ ГР 01201168257, 2011 – 2015 гг.);

целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009 – 2011 годы» по проекту: № 2.1.2/1014 «Исследование закономерностей поведения порошков и изделий из них при воздействии высокоэнергетическими источниками».

Цель исследования – повышение эксплуатационных характеристик изделий из титановольфрамовых твердых сплавов методами объёмной, поверхностной термической и химико-термической обработки.

Задачи исследования:

1) разработать технологию упрочняющей термической обработки с нагревом в соляных ваннах СНП из твердых сплавов группы ТК;

1. исследовать влияние режимов ионного азотирования на формирование структуры, фазовый состав и толщину поверхностного слоя твердых сплавов группы ТК;

2. определить параметры технологии лазерного упрочнения и изучить влияние различных видов лазерной обработки на формирование структуры и эксплуатационные свойства твердых сплавов группы ТК;

3. разработать математическую модель процесса износа СНП из твердых сплавов группы ТК после лазерной обработки;

4. провести производственные испытания СНП из твердых сплавов группы ТК, упрочненных по предложенным технологиям.

Объект исследования – титановольфрамовые твердыe сплавы группы ТК.

Предмет исследования – закономерности влияния режимов различных видов упрочняющей обработки на эксплуатационные характеристики изделий из титановольфрамовых твердых сплавов группы ТК.

Методы исследований – рентгеноструктурные, электронная микроскопия, теория вероятностей и математическая статистика при обработке данных, полученных в ходе экспериментов; математическое моделирование процесса износа в зависимости от режимов лазерной обработки; численное решение уравнения для определения температуры нагрева лазером твердых сплавов.

Научная новизна:

1) установлены закономерности изменения физико-механических и экс
плуатационных свойств твердых сплавов группы ТК после термообработки с
нагревом в соляных ваннах (после закалки в одном охладителе и изотермиче
ской закалки);

2) выявлены закономерности формирования поверхностных структур
твердых сплавов группы ТК после ионного азотирования в интервале темпера
тур от 540 С до 800 С, отражающие процесс формирования износостойких по
крытий, содержащих пересыщенный вольфрамом твердый раствор титана с
триплетными и парными фазами повышенной твёрдости в поверхностном слое;

3) получены закономерности формирования микроструктуры и физико-
механических свойств в результате импульсной и непрерывной обработки из
лучением лазера и оценено влияние лазерной обработки на эксплуатационные
свойства твердых сплавов группы ТК;

4) разработана математическая модель для оценки износа СНП из твердых
сплавов группы ТК, подвергнутых лазерному упрочнению.

Степень достоверности полученных результатов подтверждается корректностью постановки решаемых задач, значительным объемом экспериментальных данных и применением комплекса современных методов исследования микроструктуры, фазового состава, эксплуатационных свойств твердых сплавов и успешной апробацией работы.

Практическая значимость работы:

1) предложена технология термической обработки СНП из твердых сплавов группы ТК в соляных ваннах и разработаны рекомендации по назначению параметров технологических режимов, обеспечивающих оптимальное сочетание характеристик твердости рабочих поверхностей, прочности на изгиб и из-4

нос;

5. уточнены режимы ионного азотирования с учетом формирования структуры, фазового состава, толщины поверхностного покрытия, обеспечивающие повышение износостойкости при высокотемпературном (800 С) ионном азотировании СНП из твердых сплавов группы ТК от 2 до 3 раз;

6. определены режимы лазерной обработки СНП из твердых сплавов группы ТК, обеспечивающие повышение износостойкости от 2 до 3 раз;

7. пластины из твердых сплавов группы ТК, упрочнённые по предложенным автором технологиям, успешно прошли производственные испытания в ОАО «Оренбургский локомотиворемонтный завод» (ОЛРЗ) и в ОАО «Завод гидравлических прессов «Металлист» (г. Оренбург).

Положения, выносимые на защиту:

1. закономерности изменения физико-механических и эксплуатационных свойств твердых сплавов группы ТК после термообработки с нагревом в соляных ваннах, положенные в основу оригинальной технологии термической обработки;

2. закономерности формирования поверхностных структур твердых сплавов группы ТК после ионного азотирования в интервале температур от 540 ^оС до 800 С, отражающие процесс формирования износостойкого покрытия, состоящего из пересыщенного вольфрамом твердого раствора титана с триплет-ными и парными фазами повышенной твёрдости в поверхностном слое;

3. закономерности влияния параметров импульсного и непрерывного лазерного излучения на структурные и фазовые превращения и эксплуатационные свойства твердых сплавов группы ТК.

Область исследований соответствует требованиям паспорта научной специальности 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов:

- п. 3. «экспериментальные исследования влияния структуры (типа, коли
чества и характера распределения дефектов кристаллического строения) на фи
зические, химические, механические, технологические и эксплуатационные
свойства металлов и сплавов...»;

- п. 6. «совершенствование существующих технологических процессов
объемной и поверхностной термической, химико-термической, термомеханиче
ской и других видов обработок, связанных с термическим воздействием, а так
же специализированного оборудования…».

Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались и получили одобрение на Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2013, 2015 гг.); Международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2015 г.); 12-ой Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2015 г.); на 16-ой Международной научно-технической конференции «Уральская школа-семинар материаловедов-молодых ученых» (Екатеринбург, 2015 г.); научно-практических семинарах кафедры материаловедения и технологии материалов.

Личный вклад автора. Автор участвовал в постановке цели и задач, проведении исследований на всех этапах выполнения работы, включая её апробацию и опубликование результатов в открытой печати. Выполнены лично: металлографические исследования структуры СНП из твердых сплавов группы ТК, подвергнутых термической, химико-термической и лазерной обработке по различным схемам упрочнения; фрактографические исследования изломов и рентгеноструктурный анализ; сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований структурных состояний упрочненных твердых сплавов группы ТК и эксплуатационных свойств.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 7 статей в журналах, входящих «Перечень...» ВАК, и 3 патента РФ на изобретения.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 135 наименований, приложений, и содержит 174 страницы, в том числе 74 рисунка и 49 таблиц.