Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электронно-лучевая химико-термическая обработка: сущность и электронно-лучевое борирование 14
Глава 2. Особенности синтеза боридов тугоплавких металлов на поверхности железоуглеродистых сплавов при электронно-лучевом борировании в вакууме 69
2.1.Термодинамический анализ синтеза боридов тугоплавких металлов в вакууме 69
2.2.Синтез боридов тугоплавких металлов при электронно-лучевом борировании под воздействием низкоэнергетического электронного пучка в вакууме 87
Выводы 87
Глава 3. Фазовый анализ и структура слоев после электронно-лучевого и твердофазного борирования 89
3.1. Влияние параметров низкоэнергетического электронного пучка на структуру и свойства железоуглеродистых сплавов . 89
3.2.Фазовый состав и структура слоев после электронно-лучевого и традиционного (твердофазного) борирования 105
Выводы 141
Глава 4. Механические и коррозионные свойства слоев, полученных при электронно-лучевом и твердофазном борировании 143
4.1. Механические свойства 143
4.2.Коррозионные свойства 166
Выводы 169
Глава 5. Разработка металловедческой концепции технологии электронно-лучевого борирования железоуглеродистых сплавов с получением на поверхности боридов тугоплавких металлов 170
5.1.Экспериментальное моделирование тепловых процессов при обработке сталей и чугунов электронным пучком .170
5.2. Оптимизация режимов электронно-лучевого борирования .174
5.3.Механизмы формирования слоев на основе боридов под воздействием пучка электронов 180
5 АОсновные металлофизические положения технологии электронно-лучевого борирования 185
Выводы 186
Глава 6. Разработка технологии и оборудования для электронно-лучевого борирования 187
6.1 Технология электронно-лучевого борирования 187
6.2.Установка для электронно-лучевого борирования 191
6.3. Опытно-промышленные испытания инструмента после электронно-лучевого борирования 205
6.4. Система поддержки принятия решений для выбора оптимальных режимов электронно-лучевого борирования .215
Выводы 219
Выводы 221
Список литературы 224
Приложение 256
- Электронно-лучевая химико-термическая обработка: сущность и электронно-лучевое борирование
- Влияние параметров низкоэнергетического электронного пучка на структуру и свойства железоуглеродистых сплавов
- Оптимизация режимов электронно-лучевого борирования
- Опытно-промышленные испытания инструмента после электронно-лучевого борирования
Электронно-лучевая химико-термическая обработка: сущность и электронно-лучевое борирование
Одним из наиболее эффективных и распространенных способов поверхностного упрочнения металлопродукции является химико-термическая обработка (ХТО). Методы ХТО позволяют получать на поверхности весь спектр требуемых при эксплуатации изделий свойств: высокую твердость, коррозионную стойкость, износостойкость, жаростойкость и т.д. Несмотря на значительную историю развития ХТО и огромное количество работ в этой области, ХТО продолжает уверенно развиваться. Как отмечал один из известных отечественных металловедов И.И.Новиков «...Процессы химико-термической обработки, благодаря неисчерпаемому разнообразию химически активных сред и богатым возможностям изменения свойств поверхностных слоев и всего объема изделий, широко используют в промышленности. Они быстро развиваются, завоевывая новые области применения» [1].
Большой вклад в развитие теории и технологий химико-термической обработки внесли известные отечественные ученые: А.Н.Минкевич, Л.С.Ляхович, Б.Н.Арзамасов, Г.Н.Дубинин, Л.Г.Ворошнин, Ю.М.Лахтин, В.М.Зинченко, М.Г.Крукович, Н.М.Рыжов, Г.В.Щербединский и др.
До недавнего времени во многих процессах ХТО, главным образом, использовался печной нагрев. В последние годы в литературе появилось значительное количество работ, связанных с исследованиями по применению в процессах ХТО «прорывных технологий» или технологий 2-го поколения: лазерной и электронно-лучевой обработок [2,3]. Использование лазерного и электронно-лучевого нагрева позволяет получать при ХТО свойства, недоступные в условиях печного нагрева.
ХТО, проводимая с использованием лазерного и электронно-лучевого нагрева, получила, соответственно, название лазерной химико-термической обработки (ЛХТО) и электронно-лучевой химико-термической обработки (ЭЛХТО).
Согласно [4], сущность ЛХТО заключается в расплавлении участка поверхности металла вместе с добавляемыми легирующими элементами, предварительно нанесенными на обрабатываемый участок, что позволяет в локальном объеме получать новый сплав. Исходя из этого определения, к химико-термической обработке отнесены многие работы [5,6,7,8,9,10,11 и др.]. Однако, химико-термическая обработка - это термическая обработка, при которой в результате диффузии происходит изменение основного металла в поверхностном слое изделия или во всем его объеме, проводимая, как правило, в контролируемых средах [13]. Основными условиями формирования слоя при химико-термической обработке, является наличие диффузии и постепенное изменение химического состава (концентрации насыщающего элемента) от поверхности к сердцевине изделия. Для слоев, полученных согласно определения [4] в полной мере эти условия не выполняются, поэтому процесс получения таких слоев, на наш взгляд, правильнее назвать лазерным легированием или лазерной наплавкой [12]. Согласно [13], наплавка - метод нанесения покрытий, при котором покрытия образуются при затвердевании жидкой фазы, возникшей в результате расплавления наносимого и основного материала от внешнего источника энергии.
Все вышесказанное можно отнести и к ЭЛХТО с одним дополнением. Электронно-лучевой нагрев, по сравнению с лазерным, имеет более широкий спектр воздействия: проникая в поверхностные слои, электронный пучок не только повышает температуру, но также инициирует диффузионные процессы в металле. Это приводит к формированию слоев с использованием диффузионных процессов. Регулируя параметры электронно-лучевого нагрева, можно изменять механизм формирования слоя. Поэтому, в случае использования электронно-лучевого нагрева для формирования слоев, необходимо различать электронно-лучевую наплавку (легирование) и электронно-лучевую химико-термическую обработку.
Электронно-лучевой нагрев имеет преимущества перед лазерным [14,15,16]:
- высокий коэффициент поглощения электронного пучка металлом, позволяющий эффективно обрабатывать поверхность без поглощающих покрытий;
- простота организации скоростного сканирования электронным пучком обрабатываемой поверхности;
- высокий КПД электронной пушки - до 70-80 %;
- возможность создания достаточно компактных электронно-лучевых установок мощностью в десятки и сотни киловатт; обработка поверхности в условиях высокого вакуума.
ЭЛХТО является одной из наиболее перспективных технологий по нанесению покрытий в открытом космосе. В связи с необходимостью периодического восстановления функциональных свойств покрытий различных элементов летательных аппаратов (ресурс работы современных летательных аппаратов составляет 25-30 лет), требуются большие затраты для доставки их на Землю. ЭЛХТО дает возможность, в ряде случаев, избежать этого и проводить восстановление различного рода покрытий (например, коррозионностойких) в реальных условиях космоса. В ИЭС им.Е.О.Патона и РКК «Энергия» создан ручной электронно-лучевой инструмент, позволяющий проводить ремонтно-восстановительные работы на орбите [17].
ЭЛХТО, безусловно, сложный и наукоемкий технологический процесс -помимо знаний теоретических и практических основ обработки, он должен быть обеспечен специальным оборудованием.
На практике для ЭЛХТО используют электронно-лучевое оборудование с ускоряющим напряжением 5-250 кВ мощностью от нескольких десятков до сотен киловатт [19,21]. Из отечественных установок для этих целей применяют сварочные установки, имеющие диаметр электронного луча 0,1-1 мм и обладающие достаточной стабильностью параметров. По степени разрежения в рабочей камере установки относят к трем группам: высоковакуумные, с рабочим давлением 10"3-И0 2 Па и ниже, с промежуточным остаточным давлением R10 Па; для обработки вне вакуума.
Высоковакуумные установки содержат следующие основные элементы: вакуумную камеру с электронно-оптической системой (электронной пушкой), систему откачки, включающую форвакуумный и высоковакуумный насосы, блок питания, манипуляторы, системы наблюдения [18].
Установки для электронно-лучевой обработки в промежуточном вакууме, как правило, специализированные, конструктивно более просты, чем высоковакуумные. Вакуумная камера выполняется по форме и размерам обрабатываемой заготовки и имеет минимальный объем откачиваемого пространства. В такого рода установках пушка имеет отдельную откачку, и ее камера присоединяется к камере обрабатываемой заготовки только в процессе обработки.
Установки для вневакуумной обработки характеризуются отсутствием рабочей камеры, мощной системой ступенчатой откачки, необходимостью специальной биологической защиты. Это высоковольтные установки. И хотя рабочее расстояние между пушкой и обрабатываемой заготовкой при вневакуумной обработке составляет около 10 мм, концентрация мощности в фокусе луча невелика из-за интенсивного рассеяния электронов.
В настоящее время все изготавливаемые установки для электроннолучевой сварки снабжаются вспомогательным оборудованием, обеспечивающим возможность проведения на них упрочняющей поверхностной обработки.
В состав электронно-лучевой установки входят [20]:
- электронная пушка, с блоками питания, фокусировки и сканирования электронного луча по обрабатываемой поверхности; - вакуумная система с форвакуумними и высоковакуумными насосами;
- вакуумная камера с устройствами для перемещения обрабатываемой детали или электронной пушки;
- система управления электронно-лучевой установкой и контроля ее параметров.
В отечественной промышленности в установках наиболее часто применяются электронно-лучевые пушки типа У, УЛ, ПЛ, ЭЛА, ЭП, ЦЭП, работающие при ускоряющих напряжениях до 30, 60, 240 кВ и мощности луча до 240 кВт. Система питания пушек представляет собой высоковольтный источник постоянного тока и блоки управления. Имеется большая номенклатура источников питания, энергоблоков, агрегатов. Среди них источники У-250А, типа ЭЛА 50/5, ЭЛА-15, ЭЛА 60/6 и др.
Основным элементом электронно-лучевого оборудования является электронно-лучевая пушка, позволяющая получать ускоренный поток электронов - электронный луч [22]. В настоящее время наиболее распространенными являются два типа электронно-лучевых пушек -аксиальные и плосколучевые. Аксиальные пушки формируют осесимметричный поток электронов, плосколучевые преобразуют первоначальный плоский электронный пучок в цилиндрический.
Влияние параметров низкоэнергетического электронного пучка на структуру и свойства железоуглеродистых сплавов
Для оценки влияния параметров электронного пучка (ток электронного пучка до 25 тА, ускоряющее напряжение до 25 кВ, удельная мощность до (4 -5)х10 Вт/см2) на структуру применялась Мессбауэровская спектроскопия (ЯГРС) [232,233,241].
Исследование проводилось с помощью неразрушающего метода Мессбауэровской конверсионной спектроскопии, не требующего предварительной химической обработки и шлифовки образца. В этом методе мессбауэровские спектры снимаются в геометрии обратного отражения от поверхности образца с помощью специального проточного пропорционального детектора [234,235]. В таком детекторе при изменении энергетических режимов регистрации и вариации газовой атмосферы, можно снимать мессбауэровские спектры, регистрируя или конверсионные резонансные электроны или резонансное характеристическое рентгеновское излучение. В случае регистрации электронных спектров получается информация о фазовом составе приповерхностной области глубиной до 0,1-0,2 мкм (в зависимости от степени шероховатости), а в случае регистрации резонансных рентгеновских спектров - с глубины до 20 мкм.
Мессбауэровские спектры с исследуемых образцов снимались на экспериментальной установке с вибратором электродинамического типа, позволяющим перемещать резонансный поглотитель относительно источника в диапазоне скоростей от -10 мм/с до +10 мм/с в зависимости от задаваемой амплитуды колебаний. Принципиальная схема установки показана нарис. 3.1.
В качестве источника резонансного у-излучения с Е=14,4 кэВ использовался полученный в циклотроне активный изотоп Со57, внедренный с помощью отжига в металлическую матрицу. Такая методика изготовления источников позволяет получать одиночную мессбауэровскую линию испускания с шириной, близкой к естественной ширине уровня.
Детектирование у-квантов осуществлялось с помощью сцинтилляционного детектора с кристаллом NaJ(Tl) толщиной 0,15 мм. Регистрируемые детектором импульсы поступают с дискриминатора в различные каналы анализатора таким образом, что номер канала становится пропорциональным скорости движения. Полученный таким образом мессбауэровский спектр фиксировался на дисплее многоканального анализатора, а численная информация выводилась на цифропечать и заносилась в память компьютера, где с помощью специальной программы «UNIVEM» проводилась математическая обработка спектра [236].
Программа «UNIVEM» предназначена для разложения мессбауэровских спектров на компоненты путем его аппроксимации суммой аналитических функций, описывающих отдельные компоненты обрабатываемого спектра. Качество аппроксимации оценивается по приближению суммарной функции (теоретического спектра или модели спектра) к совокупности экспериментальных точек по методу наименьших квадратов.
Алгоритмы программы соответствуют приближению тонкого образца, что предполагает справедливость принципа суперпозиции отдельных компонент спектра. В программе реализована возможность представления экспериментального спектра как суперпозиции любого числа секстетов, дублетов и монопиков. Число независимых параметров модели ограничивается только объемом свободной оперативной памяти компьютера.
В результате математической обработки спектра с помощью данной программы с максимальной точностью определяются основные параметры спектра: экспериментальная ширина линии, изомерный сдвиг, квадрупольное расщепление и эффективное магнитное поле. Результаты математической обработки этих спектров сведены в таблицу 3.1. Как видно из таблицы, для сталей, обработанных электронным пучком, происходит появление спектральной компоненты, отличающейся от исходного спектра чистого железа по величине эффективного магнитного поля и изомерного химического сдвига. Причем, с увеличением времени облучения происходит не только нарастание интенсивности этой компоненты, но и поступательное уменьшение ее эффективного магнитного поля, что свидетельствует об уменьшении магнитных дипольных взаимодействий между атомами железа в результате увеличения расстояний между ними. Об этом же свидетельствует и постепенное увеличение изомерного сдвига. Все эти спектральные изменения свидетельствуют о том, что с увеличением времени обработки электронным пучком в приповерхностной области стали нарастает концентрация вакансионных дефектов, пропорциональная интенсивности нового подспектра.
Наличие участков с дефектной структурой подтверждается электронно-микроскопическим исследованием (рис. 3.3). Исследования проводили на электронном микроскопе JEM-7A при напряжении 100 кВ. Образцы для электронно-микроскопического исследования утонялись электролитической полировкой в смеси: 860 мл ортофосфорной кислоты и 100 г хромового ангидрида.
Из приведенного графика видно, что увеличение времени обработки приводит к повышению микротвердости в поверхностных слоях. Увеличение микротвердости согласуется с расчитанными по Шонланду (1.1) значениями глубины проникновения электронного пучка. Согласно этих расчетов, глубина проникновения электронов в поверхностные слои на данных режимах обработки составляет 3-4 мкм.
Так как, невозможно напрямую определить микротвердость в пределах расстояния 4 мкм от поверхности, была использована методика определения микротвердости приповерхностной зоны при непрерывно увеличивающейся глубине вдавливания индентора. При таком испытании оценивается твердость поверхности и ее изменение при проникновении индентора в более глубокие слои [237-240]. Зная геометрические параметры алмазной пирамиды, можно расчитать глубину внедрения (h) в зависимости от диаметра отпечатка (d)
Таким образом, можно констатировать комплексное воздействие низкоэнергетического сильноточного пучка на поверхность материала: повышение температуры и количества точечных дефектов, увеличение микротвердости на глубине, сопоставимой с глубиной проникновения электронов.
Представляет интерес вопрос о том, какую роль играет влияние электронного пучка на формирование боридных слоев.
Для ответа на этот вопрос было проведено исследование с помощью метода рентгеноструктурного анализа по влиянию электронного пучка на формирование боридного слоя при твердофазном борировании.
Для этих целей образцы из стали СтЗ обрабатывали электронным пучком, часть из которых затем борировали в порошковой смеси (97% В4С + 3% KBF4) в контейнере с плавким затвором при температуре 940 С в течение 10 и 20 минут.
Рентгеносъемку проводили на аппаратах Дрон-3. На первом этапе исследования (этап №1) рентгеносъемку от поверхности образцов проводили в кобальтовом излучении (без фильтра) со скоростью перемещения образца 0,57мин. Глубина проникновения излучения составляет 16 мкм. На этапе №2 рентгеносъемка проведена в СиКа-излучении с компьютерной обработкой экспериментальных данных. Глубина проникновения излучения составляла 2,5 мкм. В медном излучении проведены три рентгеносъемки: этапе 2-1 снимали интервал углов 29 = 26.. .28 град, при шаге съемки 0,1 град.; на этапе 2-2 - более детально изучали интервал углов 20 = 40...60 град.; на этапе 2-3 проводили прецизионную съемку очень узкого интервала углов - 20 = 44...46 град, с целью разделения пиков от линий борида Fe2B (002) с d = 2,016 А, матрицы стали феррита -(110)а с d = 2,030 А и возможного пика фазы FeB (d=2,012A).
Обработка результатов рентгеносъемки проводилась по следующим направлениям:
1. Определение фазового состава поверхностных слоев - по набору межплоскостных расстояний и интенсивности дифракционных линий (этап 1 и этап 2).
2. Определение параметра кристаллической решетки борида (этап 1).
3. Расчет уширения дифракционных линий с целью определения сравнительного изменения дефектов кристаллического строения II рода [242] (этап 2).
4. Сравнение интегральной интенсивности основных линий борида Fe2B при различных условиях борирования с целью оценки относительной толщины слоев (этап 1, этап 2-1, этап 2-3).
Оптимизация режимов электронно-лучевого борирования
Получение на поверхности железоуглеродистых сплавов борированных слоев с необходимыми свойствами (структурой), во многом определяется правильным выбором режимов ЭЛБ. Задачи по выбору оптимальных режимов ЭЛБ являются многофакторными. В данном случае факторами являются: толщина обмазки, удельная мощность электронного пучка, время обработки. Параметры оптимизации: толщина слоя, микротвёрдость (тип структуры).
Блок схема алгоритма оптимизации режимов ЭЛБ представлена на рис.5.3.
Задача №1. Оптимизация режимов электронно-лучевого борирования с целью получения слоя заданной глубины.
Исходные параметры: удельная мощность - Руд., время обработки - т, толщина обмазки - h, толщина слоя - Н.
Глубина слоя (Н) является функцией трёх переменных - Руд., т и h H = f(PyA,T,h) (5.5)
Введём допущения Руд. = const, т = const, тогда Н = f (h). Для трёх фиксированных значений Pyxlj 2, з и і], 2, з путём экспериментального исследования получили зависимость толщины слоя от толщины обмазки. Количество вариантов толщины обмазки п=5. На каждую точку исследовалось пять образцов. Для обработки полученных экспериментальных данных использовали метод «сгруппированных данных». Последовательность операций сводится к следующему [281]:
1. Выбираются минимальное Xmjn и максимальное X тах значения величин в выборке.
2. Весь диапазон величин X от Xmin до Хтах делится на К равных интервалов. Число интервалов выбирается по формуле:
K=l+3,21gn, (5.6)
где п - число величин в выборке.
Значение К округляется до ближайшего целого. Длина интервала h рассчитывается по формуле:
h = (Xmax-Xmin)/K (5.7)
3. Подсчитывается число элементов выборки п, , попавших в і-тьій интервал.
4. Определяется относительная частота попадания случайной величины X в i-тый интервал
Определяется середина интервала X.
5. Определяется математическое ожидание как среднее значение X
6. Определяется выборочная дисперсия
7. Определяется доверительный интервал, куда попадает с вероятностью р измеряемая величина:
Х = Х±ЄР (5.11)
8. Определяется относительная ошибка (X , % а = (8р/Х)х Ю0% (5.13)
По результатам созданной экспериментальной базы данных строим математические модели для каждого варианта Руд. и т используя метод наименьших квадратов:
IhiHi = aihi2 + bIhi (5.14)
Для оценки степени соответствия полученных моделей экспериментальным данным, рассчитывали коэффициент множественной корреляции R2[282]. где Н; - экспериментальнно определенное значение параметра оптимизации (толщина слоя) в і-той точке; Н; - рассчитанное по модели значение параметра оптимизации в і-той точке; Н - общее среднее значение всех Н.
Для Н = -139,612 xh+ 136,118 R2 = 85%
Исходя из полученных значений коэффициента множественной корреляции, наиболее адекватной выбрана модель:
Экспериментальная проверка подтвердила правильность полученной математической модели.
Задача №2 Оптимизация режимов комбинированного борирования с целью получения борированного слоя с требуемой структурой (микротвердостью).
Исходные параметры: удельная мощность - Руд. , время обработки - т, тип структуры (микротвердость).
Тип структуры (микротвердость HV) является функцией двух переменных - Руд. и т,
Для пяти фиксированных значений Руд путём экспериментального исследования получили времена обработки, необходимые для формирования слоя требуемой структуры. На каждую точку исследовалось пять образцов. Для обработки полученных экспериментальных данных, как и при решении первой задачи, использовали метод «сгруппированных данных».
Для определения зависимости (5.22) (кубический сплайн) использовался Mathcad. Mathcad является программным средством, предназначенном для выполнения на компьютере различных математических и инженерных расчетов [283,284].
Полученные экспериментальные данные записываются в виде двух матриц, решение которых осуществляется с помощью Mathcad. Результаты расчетов отображаются в виде графических зависимостей, представленых на рис. 5.4, 5.5 и 5.6.
Опытно-промышленные испытания инструмента после электронно-лучевого борирования
Опытно-промышленные испытания технологии электронно-лучевого борирования проводились на инструментах двух типов: режущем и штамповом.
1. Режущий инструмент. В качестве режущего инструмента исследовались резцы с напаянными и сменными режущими пластинами из углеродистой стали У8 и быстрорежущих сталей Р18 и Р6М5, а также ролики для резки листового металла из стали Х12М [296-298].
а. Режущие пластины из стали У8. Геометрические параметры пластин: передний угол у=15, главный задний угол (Х=10, главный угол в плане ф=45. Режимы точения: скорость резания V=20 м/с, глубина резания t=0,4 мм, подача S=0,4 мм/об. Обрабатываемый материал - сталь 45. Пластины подвергали четырем видам обработки:
1. Стандартная термическая обработка: закалка в масле с температуры Т=760 С с последующим отпуском при температуре Т=170 С.
2. Твердофазное борирование при температуре Т=940 С в течение 2 ч.
3. Комбинированное борирование: твердофазное борирование при температуре Т=940 С в течение 2 часов, обработка электронным пучком с удельной мощностью Руд=2,5х104 Вт/см2 в течение 30 сек.
4. Электронно-лучевое борирование с удельной мощностью электронного пучка Руд=2,5х103 Вт/см2 в течение 5 минут.
После борирования пластины подвергали дополнительной термической обработке. Закалку пластин после твердофазного борирования проводили сразу после борирования: контейнер распаковывали, образцы подстуживали и закаливали в масле. После комбинированного и электронно-лучевого борирования образцы под закалку нагревали в соляной ванне.
б. Режущие пластины из сталей Р18 и Р6М5. Геометрические параметры:. 7=15, а=8, ф=45. Режимы точения: п=224 об/мин, t=l мм, S=0,1 мм/об.
Обрабатываемый материал - сталь 12Х18Н10Т. В качестве оборудования использовался токарно-винторезный станок модели 1А616.
Как указывалось в главе 3, использование традиционных методов борирования для упрочнения инструментов из быстрорежущих сталей сдерживается высокой температурой закалки этих сталей, приводящей к оплавлению боридного слоя. Снижение же температуры закалки борированного инструмента не позволяет получать те высокие механические свойства, которые присущи быстрорежущим сталям.
Электронно-лучевое борирование проводили по технологии, приведенной в 6.1. Дополнительную термическую обработку (закалку с высоким отпуском) режущих пластин после электронно-лучевого борирования не проводили, поскольку определение твердости вблизи режущей кромки со стороны главной задней и вспомогательной задней поверхности показало, что твердость в результате электронно-лучевого нагрева не изменилась: при электронно-лучевом борировании значительное повышение температуры происходило только на поверхности. В виду этого, а также из-за непродолжительности нагрева, структура матрицы, полученная в результате предварительной термической обработки не изменилась.
На рис. 6.8 показана микроструктура резца из стали Р6М5 после электронно-лучевого борирования.
Износ определяли по задней поверхности резца с помощью лупы Бринелля (рис. 6.9). За критерий стойкости резцов принимали время достижения предельного износа по задней поверхности, равного 0,6 мм.
Результаты испытаний приведены на рис. 6.10. Стойкость резцов после электронно-лучевого борирования повышается в 1,5 раза по сравнению с резцами, обработанными стандартной термообработкой (закалка + отпуск), однако уступает стойкости резцов после твердофазного борирования. Как было показано в главе 4, слои, полученные твердофазным борированием, имеют более высокую твердость по сравнению со слоями после комбинированного и электронно-лучевого борирования. Этот факт определяет различную стойкость режущих пластин [299,300].
Как показали результаты испытаний различных видов режущего инструмента (резцов, роликов для резки листового металла), эффект от использования электронного пучка при борировании сопоставим для обработки резанием с эффектом повышения стойкости инструмента после твердофазного борирования. Однако, учитывая дополнительные затраты, связанные с электронно-лучевой обработкой, использование такой обработки для упрочнения режущего инструмента неэффективно.
2. Штамповый инструмент.
В главе 4 установлено, что борированные слои, полученные с использованием пучка электронов, обладают пониженной хрупкостью и повышенной теплостойкостью по сравнению со слоями, полученными традиционным твердофазным борированием. В связи с этим, можно предположить эффективное использование метода электронно-лучевого борирования для упрочнения штампового инструмента.
В настоящее время для упрочнения штампового инструмента (как для холодной, так и для горячей штамповки) используются различные виды химико-термической обработки: цементация, азотирование, хромирование, борирование, а также многокомпонентное насыщение поверхностных слоев несколькими элементами [124,302,304,315]. Методы повышения износостойкости штампового инструмента можно расположить в следующем порядке (по убыванию) [306-310]:
- борирование;
- хромосилицирование;
- хромирование;
- бороалитирование;
- азотирование;
- цианирование и карбонитрирование;
- цементация.
Боридные слои на штамповых сталях состоят из фаз FeB и Fe2B, однако их количественное соотношение определяется химическим составом стали: легирующие элементы, находящиеся в стали, препятствуют диффузии атомов бора, а так как диффузионная активность насыщяющих смесей высока, в поверхностном слое упрочняемого изделия возрастает содержание высшего борида. Так, например, содержание фазы FeB в поверхностном слое после борирования сталей 5ХНМ и 5ХЗВЗМФС составляет 23 и 60 %, соответственно [268].
Существенное изменение свойств поверхностных слоев наблюдается в случае комплексных боридных покрытий (табл. 6.3). Несмотря на то, что комплексные боридные покрытия в ряде случаев имеют пониженную твердость по сравнению с просто борированными, износостойкость их выше.
В качестве штампового инструмента нами исследовались штампы холодного деформирования - пазиковые штампы для вырубки листа магнитопровода электродвигатели и штампы горячего деформирования -пуансоны для прошивки отверстий в стальных стаканах. Для упрочнения штампов использовали традиционное твердофазное борирование, комбинированное борирование, а также электронно-лучевое борирование с получением на поверхности боридов титана.
Пазиковые штампы изготавливаются из инструментальной стали Х12М. Стандартная упрочняющая обработка включает закалку с температуры Т=1070 ± 10 С с последующим отпуском при температуре Т=150 - 170 С. В качестве альтернативных способов упрочнения исследовалось твердофазное борирование в контейнере с плавким затвором (Т = 940 - 950 "С, т = 2 ч, насыщающая смесь 98% В4С + 2% NH4C1) и комбинированное борирование (твердофазное борирование с последующей обработкой электронным пучком). Удельная мощность электронного пучка Рул=2,9х103 Вт/см2, время обработки 1 - 2 минуты.
Учитывая высокую закаливаемость стали Х12М, закалку штампов осуществляли непосредственно с тиглем с температуры борирования, помещая тигель в емкость с проточной водой. После закалки проводили низкий отпуск. За критерий стойкости штампа принималось количество циклов, отработанных штампом до его замены.
