Введение к работе
Актуальность темы
Формирование рыночных отношений предъявляет в настоящее время новые требования к конкурентоспособности продукции машиностроения, её надежности и низкой себестоимости. Однако, надежность, и в частности износостойкость, подавляющего большинства инструмента и деталей машин, выпускаемых отечественной промышленностью, нельзя признать удовлетворительной. При этом становится весьма актуальной задача создания новых прогрессивных технологических процессов изготовления и упрочнения инструмента или совершенствования традиционных технологий, таких как электроискровое легирование, электроакустическая, лазерная и другие виды обработки.
Среди разнообразных методов нанесения покрытий значительное распространение в машиностроении, ремонтном производстве, на транспорте и других отраслях получил метод электроискрового легирования металлов и сплавов и его разновидности электроакустического нанесения покрытий, что обусловлено сравнительной простотой процесса, низкой себестоимостью, доступностью контроля и автоматизации и практически неограниченными возможностями варьирования свойствами наносимых покрытий.
При получении покрытий, обладающих оптимальными для каждого конкретного случая характеристиками, наиболее целесообразно использовать порошковые сплавы, диапазон свойств которых значительно шире, чем у металлов, полученных металлургическим способом. Перспективами для применения в различных отраслях промышленности могут быть легированные самофлюсующиеся сплавы на никельхромовой основе, обладающие более разнообразными свойствами, чем нихром, применяемый для восстановления изношенных поверхностей деталей.
Причем до настоящего времени остаются практически не реализованными резервы, связанные с улучшением функциональных характеристик покрытий на инструменте с электрофизическими покрытиями путем лазерной и финишной обработки.
Следовательно, получение электродов из новых легированных самофлюсующихся износостойких сплавов на Ni-Cr основе, изучение влияния режимов их нанесения и последующей лазерной и финишной обработками на структуру и фазовый состав электрофизических покрытий представляет теоретический и практический интерес.
Одним из перспективных инструментальных материалов является режущая керамика на основе А1203, которая обладает высокой твердостью, химической стабильностью, сохраняющейся в широком диапазоне температур и нагрузок, более высокими значениями трещиностойкости по сравнению с другими керамическими материалами. Вместе с тем в условиях высокоскоростной обработки сталей и чугунов минералокерамика на основе оксида алюминия подвергается заметному износу. Одним из путей повышения работоспособности керамического инструмента на основе ліггипя ягцлидцнця И .расширения областей
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА і
3 *ащ|
применения является нанесение износостойких тонкопленочных покрытий ионно-плазменной технологией.
Именно этим вопросам посвящена данная работа, выполненная в рамках координационного плана научно-исследовательских работ по «Реализации региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного района», а также при финансировании Грантов Президента РФ молодым российским ученым МК 952.2004.8 и МК 1051.2004.8.
Цель и задачи исследования
Научное обоснование, разработка и исследование технологии упрочнения и восстановления инструментальных материалов электрофизическими покрытиями, направленное на повышение их износостойкости и контактной долговечности при механической обработке специальных изделий.
В соответствии с указанной целью поставлены и решены следующие основные задачи:
-
На основании систематизирования и обобщения литературных данных, собственных исследований выбрать и обосновать методы и способы упрочнения и восстановления инструментальных материалов.
-
Определить оптимальные по износостойкости и качеству поверхности составы электродных материалов для электроискровой обработки и ионного модифицирования минерало керамики.
-
Провести параметрические исследования изучаемых технологических процессов, оптимизировать режимы электроискровой обработки и ионно-плазменного напыления по эксплуатационным характеристикам.
-
Изучить закономерности формирования структуры и фазового состава покрытий; установить основные структурные факторы, определяющие износостойкость и качество поверхности покрытий.
-
Провести комплексные исследования электроискровых покрытий после выглаживания минерало керамикой и лазерной обработки.
-
Провести промышленное апробирование и внедрение электрофизических методов обработки инструментальных материалов.
Научная новизна
-
Расширены представления о строении и формировании электроискровых и ионно-плазменных покрытий на быстрорежущую сталь и минералокерамику соответственно.
-
Проведен анализ закономерностей формирования структуры и фазового состава вышеуказанных покрытий; установлены основные структурные факторы, определяющие износостойкость и качество поверхности.
-
Разработаны принципы управления структурными факторами, определяющими высокий уровень износостойкости и качества поверхности;
-
Разработан химический состав электродных материалов для электроискровой обработки и ионного модифицирования минералокерамики.
-
Разработаны научно обоснованные технологические режимы локального электроискрового нанесения покрытий на быстрорежущую сталь и ионно-плазменного напыления TjN да минералокерамику, комбинированные методы
обработки - электроискровая обработка с последующим выглаживанием мине-ралокерамикой или воздействием лазерным излучением.
6. Установлена целесообразность использования инструментальных материалов с покрытиями при механической обработке специальных изделий.
Объект, материалы и методики исследований
Для решения поставленных задач проводились комплексные исследования. Основными объектами изучения в работе были быстрорежущие стали Р18 и Р6М5; электродные материалы: самофлюсующийся сплав системы Ni-Cr-Si-В-С типа (NiCrnSisBjCi по массе); сложнолегированные сплавы ЖСбУ и ЖСЗДК с добавками Hf и Dy; минералокерамика ВОК-60, ВОК-71 состава (А1А - 76%, ТІС - 20%, (WCo)C s 3...5%. Mg < 1%).
В работе применялись следующие методы исследований: оптическая, растровая и просвечивающая микроскопия, рентгеноструктурный и микрорент-геноспектральный анализ, внутреннего трения и др. Механические свойства, износостойкость, испытания на усталость проводились по стандартным и оригинальным методикам.
В работе использовалась статистическая обработка экспериментальных данных с применением регрессивного анализа. При расчете использовался пакет прикладных программ и персональная ЭВМ.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Результаты проведенных систематических исследований о закономерностях формирования структуры, фазовом составе, физико-механических свойствах электроискровых и ионно-плазменных покрытий на быстрорежущей стали и минералокерамике;
-
Совокупность установленных закономерностей влияния структуры, фазового состава на физико-механические свойства покрытий; закономерности изменения износостойкости и качества покрытий от их структуры;
-
Разработка принципов управления структурными факторами, определяющими высокий уровень износостойкости и качества поверхности покрытий;
-
Научно-технические и технологические решения получения композиционного материала, заключающиеся в целенаправленном воздействии на состав электродного материала при ЛЭН, на режимы электроискровой и ионно-плазменной обработки, придающие деталям максимальную износостойкость и необходимое качество поверхности;
-
Рекомендации и технология обработки поверхности электроискровых покрытий лазерным излучением и выглаживанием минералокерамикой, повышающих служебные характеристики покрытий;
-
Технологические приемы поверхностного упрочнения и восстановления инструмента различного назначения комбинированными электрофизическими методами.
Практическая значимость работы
1. На основе полученных результатов выработаны основные принципы и предложены методы, способы упрочнения и восстановления инструментальных материалов для механической обработки специальных изделий.
-
Разработана технология избирательного локального электроискрового нанесения покрытий из самофлюсующегося сплава на никельхромовой основе на протяжку из быстрорежущей стали с последующим выглаживанием минера-локерамикой.
-
Разработаны ионно-плазменные покрытия для упрочнения минерало-керамики и электроакустические покрытия из жаропрочных сплавов типа ЖС с малыми добавками гафния и диспрозия для восстановления элементов штампов горячего деформирования.
-
Выработаны и научно обоснованы предложения по совершенствованию технологического процесса электроискровой обработки финишной обработкой выглаживанием минералокерамикой и лазерным излучением.
-
Результаты работы нашли применение на предприятиях Курской области (ОАО «Геомаш» и ОАО «Курскагромаш») и рекомендуются для внедрения в производство других отраслей промышленности. Акты внедрения представлены в приложениях диссертации.
Достоверность результатов исследований, основных положений и выводов диссертации определяется корректностью постановки задач, согласованностью с результатами других исследователей, работающих в данной области и с общепринятыми представлениями. Достоверность результатов работы подтверждается также результатами экспериментальных исследований на аттестованных приборах и оборудовании, воспроизводимостью, сравнением опытных данных с расчетами и апробацией в условиях производства.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены и обсуждены: на 7-ой межд. на-учно-техн. конф. «Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве» (Харьков, 2003 г.); X юбилейной Рос. научно-техн. конф. с межд. участием, посвященной 40-летию КурскГТУ «Материалы и упрочняющие технологии - 2003» (Курск); I межд. научно-техн. конф. «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2003 г.); XVII отчетной научной конференции (Воронеж, 2003 г.); XVII межвузовской научно-практич. конф. (Брянск, 2004 г.); II межд. научно-техн. конф., посвященной 40-летию КурскГТУ «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2004 г.); V межд. конф. «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж, 2004 г.); XI Российской научно-техн. конф. с межд. участием «Материалы и упрочняющие технологии - 2004» (Курск); работа рассматривалась на научно-технических семинарах кафедр «Машиностроительные технологии и оборудование» и «Оборудование и технология сварочного производства» в 2004 г. в Курском государственном техническом университете.
Публикации. Самостоятельно и в соавторстве по теме диссертации опубликовано 21 печатная работа. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: оптимизация технологических процессов электроискровой обработки и разработка его программного обеспечения [1,9,10,13,15]; выбор конструкции и повышение точности эвольвентных шлицевых протяжек [2,6,7]; усовершенствование методик
исследования [8, 11, 13, 18]; изучение структуры и свойств электроискровых, электроакустических и ионно-плазменных покрытий [4, 12, 15, 19, 20]; исследование минералокерамики [3] и ее усовершенствование ионно-плазменной обработкой [5, 14]; изучение влияния выглаживания минералокерамикой [16] и лазерной обработки на свойства покрытий и деталей [4, 15]; обсуждение полученных результатов [1-21].
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка литературы, приложений. Общий объем диссертации составляет 157 страниц машинописного текста, 50 иллюстраций, 12 таблиц, 124 литературных ссылок.
