Введение к работе
Актуальность. Основным требованием, предъявляемым к сталям для режущего инструмента и изнашивающихся деталей прессовой и штампо-вой оснастки, является сохранение свойств термически обработанного материала в режущей кромке или тонком поверхностном слое в течение длительного времени. Традиционно для изготовления режущего инструмента и формующей оснастки применяются инструментальные стали, в том числе и быстрорежущие, необходимый уровень износостойкости которых достигается за счет структурных и субструктурных резервов материала. Ориентированная на требуемые свойства система легирования быстрорежущих сталей достаточно сложна и долгое время претерпевала изменения в поисках оптимального состава. Наиболее важными свойствами легированной стали, являются сохранение твердости и теплостойкости при внешнем трении с высокими скоростями и нагрузками.
Вместе с тем характер деградации структуры на поверхности инструмента качественно отличается от такового при объемном деформировании закаленной стали. Это отличие связано с условиями работы инструмента и, прежде всего, с более сложным влиянием температуры и давления. Известно, что процесс резания и шлифования, как и любой процесс трения, характеризуется возникновением в поверхностных слоях периодических разогревов и охлаждений. Температура разогрева режущей кромки инструмента контролируется режимом резания и теплопроводностью обрабатываемого материала. При периодическом изменении температуры на поверхности инструмента происходят необратимые структурные превращения и снижение его износоустойчивости. Еще в исследованиях В.Д.Кузнецова и Б.И.Костеикого показано, что при обработке металлов шлифованием и резанием тончайший поверхностный слой инструмента испытывает нагрев выше точки Асз на диаграмме состояния стали. Для многих инструментальных сталей такие быстрые нагревы и охлаждения кардинально изменяют исходную структуру. Поэтому выявление закономерностей эволюции структуры и изучение особенностей процессов, протекающих на поверхности при механическом и термическом воздействиях, представляет собой актуальную научную задачу, решение которой несомненно имеет важное практическое значение.
Изложенный в диссертации материал в пелом посвящен изучению процессов формирования структуры при нагревах сталей, в том числе и многократных, так как, с одной стороны, высокотемпературный нагрев сопутствует процессам резания и трения, с другой стороны - это основной
процесс любой термической обработки, при реализации которого и формируются требуемые свойства стали. К этому добавим, что повторные закалки часто имеют место в практике термической обработки из-за необходимости исправления брака, связанного с предшествовавшими нагревами и другими причинами. В данной работе основное внимание было уделено изучению структуры и свойств инструментальных сталей, преимущественно быстрорежущей, под воздействием высокотемпературных скоростных однократных и многократных нагревов и охлаждений, а также контактных нагружений. Несмотря на то, что интенсивных температурных воздействий при эксплуатации изделий стараются избегать, используя смазочно-охлаждающие жидкости или воздухообдув оснастки, они возникают как флуктуационные явления, нарушающие стационарный режим работы. Кроме того, изучение структурных превращений в стали в экстремальных условиях позволяет найти обоснованные способы дополнительной защиты поверхности за счет нанесения износостойких покрытий, в том числе и за счет направленного изменения структуры самих покрытии.
Наиболее систематизированные исследования в данной области проведены прежде всего Э.Гудримоном, Ю.А.Геллером, А.П.Гуляевым, М.Л.Бернштейном. Применительно к материалам, работающим в условиях трения и изнашивания, - это реализация структурных превращений, характерных для данных материалов и покрытий, разработка составов и. свойств новых инструментальных материалов, способных обеспечить требуемый ресурс работы инструмента и трибосопряження. При этом были разработаны структурные критерии работоспособности материалов, связанные с влиянием величины зерна, количеством и размером частиц упрочняющей фазы, толщины и плотности покрытия, которые положены в основу технологических процессов термической и химико-термической обработки сталей. Тем не менее, общепринятые представления об универсальности режимов термической обработки для конкретного типа стали не всегда справедливы. Выбор режима следует вести с учетом типа исходной структуры и условий работы конкретного вида инструмента или пары трения. В работе и была поставлена задача разработки новых и модификации существующих технологий термической и химико-термической обработки инструментальных сталей, опираясь на исследования эволюции структуры при внешних воздействиях.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научных исследований по проблеме упрочнения конструкционных и инструментальных сталей, которые были составной частью программы СО РАН по приоритетному направлению "Научные основы конструирования новых материалов и создания перспективных технологий".
Необходимость изучения процессов деформирования, разрушения и изнашивания многофазных инструментальных материалов, подвергнутых термической обработке, обусловлена требованиями совершенствования современных технологий, обеспечивающих повышение надежности и долговечности изделий, что может иметь положительный результат лишь при разработке данных технологий на базе достижений металловедения и физики металлов.
Основной целью данной работы является изучение закономерностей структурных изменений, физико-механических свойств и износостойкости инструментальных сталей и твердых диффузионных покрытий после термической обработки в процессе трения. Поскольку трение отличается многофакторностью и охватить все многообразие явлений, связанных с ним, в одной работе невозможно, то основное внимание было уделено изучению последствий воздействия основных факторов, неизбежных в этой ситуации - температуры и пластической деформации. Исследования проведены, главным образом, на инструментальных сталях, традиционно применяемых в машиностроении для изготовления инструмента и оснастки. Данные стали, в частности быстрорежущая сталь Р6М5, интересны еще и тем, что они могут служить модельными при направленном изменении конструктивной прочности и износостойкости путем оптимизации гетерофазной структуры на мезоскопическом уровне.
В работе поставлены следующие задачи:
-
Изучить влияние исходной структуры быстрорежущей стали Р6М5 на особенности формирования аустенитного зерна при однократном и повторных высокоскоростных нагревах в интервале температур аустенитиза-ции.
-
Провести сравнительный анализ образующихся при термоциклическом воздействии структур со структурами, сформировавшимися в режущей кромке инструмента.
-
Изучить закономерности разрушения поверхности инструментальных сталей с разной исходной структурой абразивными частицами.
-
Изучить особенности абразивного изнашивания в агрессивной среде твердых покрытий, полученных способом диффузионного насыщения поверхности инструментальных сталей.
-
На основе разработанных представлений о поведении инструментальных сталей и твердых покрытий при резании и трении рекомендовать оптимальные режимы термо- и химико-термической обработки инструментальных сталей, обеспечивающие получение стабильных износостойких структур. Опробовать и внедрить разработанные режимы в виде технологий и практических рекомендаций в производственных условиях.
Для решения этих задач в работе использованы следующие экспериментальные методы исследования: просвечивающая и растровая электронная микроскопия; оптическая микроскопия; рентгеноструктурный и микро-рентгеноспектральный анализы; стандартные методы исследования физико-механических свойств; методы исследования абразивной износостойкости в условиях трения закрепленным и незакрепленным абразивом и др. методы. Кроме того, проводились опытно-промышленные и промышленные испытания инструмента, подвергнутого термической и химико-термической обработке по разработанным нами режимам.
Научная новизна. Впервые проведены систематические исследования влияния карбидной фазы на развитие процесса рекристаллизации аусте-нитного зерна быстрорежущей стали Р6М5. Предложена схема возможной реализации структурной наследственности при нагреве отожженной быстрорежущей стали Р6М5. Проведено исследование структур, образующихся при циклических нагревах-охлаждениях быстрорежущей стали в области температур начала фазового перехода. Показано, что образование их подчиняется законам структурной наследственности. Экспериментально обнаружены фрагментированные структуры, образующиеся при однократном и многократном термическом воздействии. Обсуждаются причины формирования аномально крупного зерна в стали. Исследованы свойства и износостойкость быстрорежущей стали с фрагментированной и рекристал-лизованной структурой после однократной и многократных закалок.
Впервые получены и проанализированы данные о механизме корро-зионно-механического износа упрочненной и неупрочненной стальной поверхности полузакрепленным абразивом, каковым является глина для изготовления фарфоровых изделий. Систематизированы сведения об особенностях разрушения поверхностного слоя сталей с точки зрения структурных изменений.
Экспериментально установлена связь между структурой, износостойкостью и коррозионной стойкостью твердых боридных и карбидных покрытий. Впервые проанализировано влияние таких компонентов борирую-щей смеси, как модифицирующая смесь МС (ТУ 48-0507-16-82), графит и железо на структуру и свойства боридных слоев. Сведения об особенностях поведения боридных и карбидных покрытий при трении и изнашивании даны с точки зрения изменения структуры и фазового состава слоя. Экспериментально обнаружены и исследованы гетерогенные зубчатые структуры боридного слоя с высокой прочностью и трещиностойкостыо. Установлена корреляция между пористостью и трещиностойкостыо твердых покрытий.
Проведены исследования режущих свойств и износостойкости инструмента, оснастки и пар трения, упрочненных по разработанным режимам. Предложены режимы повторной и двойной термической обработки для инструментальной стали, повышающие стойкость инструмента, разработан состав для борирования тяжелонагруженных пар трения, позволяющий получать прочные износостойкие покрытия, способные конкурировать с известными твердосплавными материалами, такими как стеллит.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается соответствием установленных закономерностей современным литературным данным, а также совпадением результатов опытных и промышленных испытаний изделий.
Научная и практическая значимость работы состоит, во-первых, в том, что полученные результаты и установленные закономерности дают новые, более полные представления о процессах, происходящих при нагревах быстрорежущей стали с разной исходной структурой в области температур фазового превращения и позволяют осуществить научный подход к созданию износостойкого инструмента и пар трения.
Во-вторых, полученные результаты могут быть непосредственно использованы для анализа процессов, происходящих в зоне резания и трения, а также для разработки способов термической и химико-термической обработки инструментальных сталей с целью повышения их износостойкости и коррозионной стойкости.
В-третьих, разработаны способы упрочнения режущего инструмента и оснастки (A.C.NN 1293236, 1788788), основанные на установленных положениях по составу, структуре и свойствам инструментальных материалов и износостойких покрытий при резании и трении в разнообразных условиях. Сформулированы рекомендации и внедрены разработки, увеличивающие срок службы режущего инструмента и пар трения. Акты приложены к работе.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Установленные закономерности структурных изменений при высоко
температурном нагреве и термоциклировании быстрорежущей стали, влия
ние дисперсности частиц карбидной фазы на рост зерна и кинетику про
цесса его рекристаллизации.
2. Совокупность экспериментальных данных о"влиянии состава, структуры
и свойств инструментальных сталей на закономерности трения и изнаши
вания в абразиве. Обоснование причин разрушения и анализ определенно
го типа структур, обусловливающих повышение износостойкости.
-
Разработанные составы порошковых насыщающих сред и режимы диффузионного легирования инструментальных сталей, позволяющие обеспечить их высокую износо- и коррозионную стойкость за счет создания гетерогенной поверхностной структуры.
-
Рекомендации по использованию в промышленности разработанных положений по условиям реализации явления естественного субструктурного упрочнения инструментальных сталей в результате термической обработки, обеспечивающие повышение стойкости и износостойкости режущего инструмента.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных коференциях, совещаниях и семинарах: 8-ой Всесоюзной конференции по локальным рентге-носпектральным методам исследований и их применению (Черноголовка, 1982), Всесоюзной научно-технической коференции "Повышение эффективности металлургического производства" (Новокузнецк, 1985), на Отраслевом совещании по дальнейшему развитию инструментального производства (Москва, 1985), на Объединенном заседании трех постоянных Всесоюзных семинаров (Череповец, 1988), на Всесоюзной научно-технической коференции "Современные проблемы триботехнологин" (Николаев, 1988), на Всесоюзной научно-технической конеренции "Структурная самоорганизация и оптимизация триботехнических характеристик конструкционных и инструментальных материалов" (Киев, 1990), на Всесоюзном семинаре "Физико-технические проблемы поверхности металлов" (Горький, 1990), на Всесоюзной научно-технической конференции "Износостойкость машин" (Брянск, 1991), на Отраслевом совещании "Состояние и основные направления по совершенствованию производства проволоки для игл" (Ижевск, 1991), на 1-ой Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии машиностроения" (Москва, 1993), на 3-ей Международной коференции "Прочность и пластичность материалов в условиях внешних знергетііческих воздействий" (Николаев, 1993), на Международном семинаре "Триболог-ЮМ-SLAVYANTRIBO-l. Анализ и рациональное использование трибообъектов" (Рыбинск, 1993), на 1-ой Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1994), на 4-ом Международном трибологическом симпозиуме "INSICONT,94" (Польша, Краков, 1994), на 2-ой Международной коференции "Износостойкие поверхностные слои"(Прага, 1995), на Международном научно-практическом симпозиуме "Славянтриб-3. Трибология и транспорт" (Рыбинск, 1995), на 4-ой Международной конференции "Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий" (Новокузнецк, 1995), на 10-ом Международном коллоквиуме
"Трибология - решение проблем трения и износа" (Германия, Эслинген, 1996), на Международных конференциях "Трение, износ и смазка" (Германия, Геттинген, 1996, 1997), на 14-ой Уральской школе металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (Ижевск, 1998).
Публикации, По теме диссертации опубликовано более 50 работ в научных журналах и сборниках.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, основных выводов, списка цитированной литературы, изложенных на 306 страницах, и приложения. Она содержит 91 рисунок, 16 таблиц и список литературы из 237 наименований.
