Содержание к диссертации
Введение
1. Методы поверхностного упрочнения 10
1.1 Химико-термическая обработка 12
1.2 Газо-термическое напыление 13
1.3 Вакуумные методы напыления 16
1.4 Наплавка 19
1.5. Электроконтактное припекание 20
1.6 Детонационные покрытия 22
1.7 Лазерное легирование 22
1.8 Электроискровое легирование 26
1.9 Применение ультразвука при нанесении покрытий 29
2 Аналитические уравнения, определяющие некоторые закономерности диффузии под воздействием ВКПЭ 32
2.1 Физические процессы при электроакустическом напьшении 35
2.2 Электроискровое воздействие 38
2.3 Ультразвуковое воздействие 42
2.4 Диффузия в металлах при сильновозбуждённом состоянии, вызванном действием ВКПЭ 46
2.5 Вывод уравнений, учитывающих динамическое равновесие вещества (УДРВ) в сильновозбуждённом состоянии 51
2.6 Аналитическое решение уравнений УДРВ 53
2.7 Численное решение равнений УДРВ 59
2.8 Анализ применения уравнений УДРВ для расчёта концентрационных кривых при воздействии ВКПЭ 64
3. Аналитическая методика расчёта концентрационных кривых распределения легирующего материала по глубине поверхностного слоя при ЭЛАН 72
4. Методика проведения исследований 83
5. Экспериментальные исследования распределения материалов анода по глубине упрочнённого поверхностного слоя катода при элан методом рентгеноспектрального микроанализа 95
5.1 Особенности экспериментальных исследований 95
5.2 Порядок проведения экспериментальных исследований 96
5.3 Анализ полученных экспериментальных данных 98
5.4 Получение эмпирической математической модели 106
6. Технология упрочнения формообразующего инструмента методом электроакустического напыления 120
6.1 Опытно-промышленная установка ЭЛАН 120
6.2 Режимы электроакустического напыления 123
6.3 Производственные испытания 123
Заключение и общие выводы 129
Литература 131
Приложение 1
- Газо-термическое напыление
- Электроискровое воздействие
- Порядок проведения экспериментальных исследований
- Режимы электроакустического напыления
Введение к работе
Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последнее время в машиностроении в области создания новых материалов и технологий, задача повышения стойкости формообразующего инструмента и деталей машин является по-прежнему актуальной. Увеличение стойкости инструмента, с одной стороны, способствует снижению себестоимости продукции за счёт снижения затрат на приобретение и заточку инструмента. С другой - способствует повышению производительности, качества и экологичности продукции (за счёт снижения потерь времени и точности, связанных с заменой инструмента, и уменьшения расхода таких дефицитных материалов, как вольфрам, молибден и др.).
В процессе работы формообразующего инструмента и деталей машин наиболее тяжело нагруженным является поверхностный слой. Поэтому, одним из путей повышения стойкости является нанесение покрытий из материалов, обладающих высокими прочностными характеристиками (или легирование поверхностного слоя такими материалами). В этом случае важную роль играет прочность сцепления покрытия с основой. При небольшой прочности сцепления, даже покрытия, обладающие высокой твёрдостью и прочностью, в условиях работы, связанных с циклическими нагрузками, отслаиваются (например, покрытия, полученные различными методами вакуумного и газо-термического напыления).
Для обеспечения высокой прочности сцепления покрытия с основой необходимо создать переходную зону, в которой за счёт диффузии материалов покрытия (или легирующих компонентов) в основу, происходит плавное изменение их содержания. При резком изменении граница между покрытием и основой будет являться зоной концентрации напряжений, что и приводит к отслаиванию покрытия. Интенсификация диффузии при нанесении покрытий является основным механизмом увеличения прочности сцепления покрытия с основой и одним из путей повышения стойкости формообразующего инструмента и деталей машин.
Перспективный путь в этом направлении - использование высококонцентрированных потоков энергий (ВКПЭ): лазерное излучение, электроискровое воздействие, ультразвуковые колебания (УЗК), и др.
Ускорение диффузии оказывает существенное влияние на характер распределения компонентов покрытия по всей глубине упрочнённого поверхностного слоя. От этого зависят и другие физико-технические свойства упрочнённого слоя - микротвёрдость, износостойкость, предел прочности, изменение которого вызвано эффектом Роско, и др.
Следовательно, важной является как задача увеличения прочности сцепления покрытия с основой, так и прогнозирование характера распределения мате-риалов покрытия по глубине упрочнённого слоя.
Применительно к ВКПЭ, задача осложняется тем, что физические процессы происходят в микрообъёме в крайне неравновесных условиях при высоких скоростях нагрева и охлаждения, в зоне обработки могут присутствовать сразу все 4 фазы вещества, а механизм диффузии в твёрдой фазе существенно изменяется. Этот механизм до конца ещё не исследован, что во многих случаях не позволяет заранее предсказать характер распределения материалов покрытия по глубине упрочнённого слоя.
Актуальным является описание диффузии на основе теории о сильновозбуждённом состоянии кристаллов, возникающем под воздействием ВКПЭ. Эта теория обосновывает новый «конвективный» механизм диффузии в твердой фазе и позволяет рассматривать различные фазы вещества как кристалл с разной степенью сильного возбуждения.
Таким образом, актуальность темы обусловлена практической значимостью и перспективностью использования ВКПЭ для нанесения покрытий с прогнозируемыми свойствами и получения новых материалов; а также недостаточной изученностью и теоретической обоснованностью явлений, возникающих под воздействием ВКПЭ. Исходя из этого, были сформулированы цель и задачи диссертационной работы, которая частично выполнена в рамках научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»; подпрограмма «Производственные технологии»; тема: «Электроакустическое напыление как метод упрочнения изделий машиностроения и формообразующего инструмента» (код 04.01.063) и гранта министерства образо вания «Дискретное управление износостойкостью формообразующего инструмента» (код 1158), где автор являлся соисполнителем.
Цель работы: Повышение стойкости формообразующего инструмента и производительности металлообработки электроакустическим напылением покрытий, обладающих высокой прочностью сцепления с материалом основы и прогнозируемым распределением материала покрытия по глубине упрочнённого поверхностного слоя.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:
• произвести анализ литературных данных для выявления закономерностей диффузии под воздействием ВКПЭ как основного механизма, обеспечивающего высокую прочность сцепления покрытия с основой.
• получить дифференциальные уравнения, отражающие закономерности диффузии в сильновозоуждённом состоянии, возникающем в подложке под воздействием ВКПЭ.
• получить решения дифференциальных уравнений, позволяющие применить их для описания диффузии при многократных импульсных воздействиях ВКПЭ при электроакустическом напылении покрытий, повышающих стойкость формообразующего инструмента и деталей машин.
• на основе полученных решений и литературных данных разработать аналитическую методику, позволяющую произвести качественный анализ распределения материалов покрытия по глубине упрочнённого поверхностного слоя при электроакустическом напылении (ЭЛАН).
• для подтверждения справедливости разработанной методики провести экспериментами ые исследования.
• создать установку электроакустического напыления, произвести её опытно-промышленные испытания и рекомендовать технологические режимы электроакустического напыления твёрдого сплава ВК-8 при упрочнении формообразующего инструмента из стали Р6М5.
Научная новизна работы заключается в следующем;
• Получены дифференциальные уравнения, описывающие закономерности диффузии легирующих компонентов в подложку при возникновении в ней сильновозбуждённого состояния кристаллитов под воздействием ВКПЭ. Эти уравнения, в отличие от разработанных ранее (Паниным В.Е. с соавторами), учитывают «динамическое равновесие)) вещества в сильновозбуждённом состоянии.
• Найдены аналитическое и численное решения дифференциальных уравнений, которые показали хорошее качественное совпадение с экспериментальными данными других авторов (Н.Н. Рыкалин, В.М. Ревущий, Л.Н. Ларнков и др.), полученными при воздействии различных ВКПЭ (лазерное, электроискровое, ультразвуковое воздействия).
• Теоретически показано, что эквивалентного повышения эффективности диффузии можно достичь как за счёт увеличения интенсивности воздействия ВКПЭ (при ЭЛАН - увеличение амплитуды продольно-крутильных ультразвуковых колебаний или напряжения электроискрового разряда), так и за счет увеличения кратности импульсных воздействий (увеличение частоты продольно-крутильных ультразвуковых колебаний и электроискровых разрядов).
• Разработана аналитическая методика для оценки характера распределения материалов покрытия по глубине поверхностного слоя при ЭЛАН, которая учитывает как полученные автором дифференциальные уравнения, так и модель формирования поверхностного слоя при электроискровом легировании, разработанную В.М. Ревуцким с соавторами.
Практическая ценность:
• Разработана программа для качественного анализа характера распределения материалов покрытия по глубине поверхностного слоя формообразующего инструмента, упрочнённого методом ЭЛАН. Это позволяет сократить объём экспериментов при исследовании процесса ЭЛАН.
• Рекомендованы режимы электроакустического напыления формообразующего инструмента твёрдым сплавом ВК-8, обеспечивающие высокую прочность сцепления покрытия с материатом основы и повышение стойкости в 4 раза. • Создана опытно-промышленная установка ЭЛАН для ФГУП ВНИИ «Градиент», на основе которой создана промышленная установка. Акт внедрения приведён в приложении 1. Основные положения диссертации докладывались на:
• международной научно-технической конференции «Современная электротехнология в машиностроении», Тула, ТулГУ, 4-5 июня 2002 г;
• международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - Технология - 2003», Орел, 25-27 сентября, 2003.
• Научно-технической конференции «Прогрессивные технолопіческие процессы в металлургии и машиностроении. Экология и жизнеобеспечение. Информационные технологии в промышленности и образовании», Ростов-на-Дону, 7-9 сентября 2005 г.
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и основных выводов, списка использованной литературы и приложений.
В первой главе рассматриваются существующие методы поверхностного упрочнения, их достоинства и недостатки по сравнению с методами, основанными на использовании ВКПЭ.
Во второй главе упрощённо описываются физические явления, происходящие в межэлектродном промежутке при ЭЛАН. Рассматривается явление аномального возрастания скорости диффузии под воздействием ВКПЭ и даётся представление о теории сильновозбуждённого состояния кристалла. На основе этой теории получены дифференциальные уравнения, описывающие закономерности диффузии под воздействием ВКПЭ. Приводятся аналитическое и численное решение этих уравнений,
В третьей главе на основе полученных уравнений разрабатывается аналитическая методика качественного расчёта характера распределения легирующих компонентов по глубине упрочнённого поверхностного слоя при электроакустическом напылении. «
В четвёртой главе описывается методика, особенности и оборудование для проведения экспериментальных исследований. Электроакустическое напыление образцов для экспериментальных исследований осуществлялось в лаборатории «Ультразвуковые процессы и технологии» при ДГТУ, возглавляемой д.т.н., проф. B.C. Mi таковым.
В пятой главе приводятся результаты экспериментальных исследований, и производится их анализ. Концентрационные кривые, полученные на РЭМ «Каме-бакс-микро», показали, что на процесс электроакустического напыления существенное влияние оказывают случайные факторы. Вывод следует из того, что концентрационные кривые имеют существенный разброс даже для одного режима напыления. Основные случайные факторы - постоянная эрозия анода в процессе напыления и случайность положения искрового канала в межэлектродном промежутке.
Шестая глава посвящена внедрению технологии электроакустического напыления во ФГУП ВНИИ «Градиент».
Газо-термическое напыление
Широкое распространение в промышленности получили методы газотермического и вакуумного напыления [2, 5,15 - 21].
Газотермическое напыление это способ получения покрытий из нагретых и распылённых частиц, получаемых в результате газотермического диспергирования исходного напыляемого материала покрытия с применением высокотемпературной газовой струи, при соударении которых с основой происходит их соединение посредством сварки, адгезии или механического сцепления [15, 20].
По виду источника тепловой энергии, необходимой для нагрева исходного материала и его диспергирования различают газопламенное, плазменное, высокочастотное плазменное и электродуговое напыление.
Газоплазменое напыление отличается простой технологией нанесения покрытий и низкими затратами на эксплуатацию. Для нагрева материала используется пламя, образующееся при сгорании смеси кислорода с горючим газом. Для разгона частиц используется, как правило, струя сжатого воздуха или аргона Такая схема процесса требует наличия дополнительного оборудования: батлонов со сжатыми газами, компрессора редуктора для регулировки подачи сжатого воздуха Развитие метода газопламенного напьиения привело к появлению эффекта сверхзвукового истечения газопламенного потока из сопла. Использование этого эффекта позволяет получать покрытия с пористостью 2%, размерами пор 10 мкм и шероховатостью Ra=10 мкм при коэффициенте использования материала 65...85%. К недостаткам метода относится трудность в осуществлении избирательного нанесения покрытия и необходимость в предварительной подготовке поверхности, которая в общих чертах состоит из следующих этапов: промывка в моющем растворе, просушка при температуре 200...370 С.
При электродуговом напылении для нагрева и диспергирования напыляемого материала используется энергия электрической дуги. Метод позволяет наносить покрытия толщиной 1...5 мм при использовании напыляемого материала в виде проволоки или прутка. Метод имеет следующие недостатки: большое количество теплоты, выделяемое при горении электрической дуги (ток в дуге до 500 А) приводит к значительному выгоранию легирующих элементов, входящих в напыляемый сплав; необходимость специальной дополнительной аппаратуры для регулировки и стабилизации скорости подачи проволоки, т.к. при малых скоростях подачи проволочного электрода в зону диспергирования происходит перегрев и окисление напыляемого материала, а при больших - проволока не успевает сгорать, вызывая короткое замыкание.
Основным инструментом в установках плазменного нанесения покрытий является плазмотрон [18]. Напыляемый материал вводится в плазменную струю, нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется в сторону подложки. Плазму генерируют с помощью независимой электрической дуги постоянного тока, возбуждаемой между вольфрамовым катодом и водоохлаждаемым соплом - анодом. В качестве плазмообразующих газов наиболее часто используют аргон или азот. Получение покрытия, функциональные характеристики которого отвечают физико-механическим возможностям напыляемых материалов, возможно только в случае соблюдения ряда технических условий: неизменность химического и гранулометрического состава порошков, стабильность массовых соотношений транспортирующего газа и напыляемого порошка. К недостаткам метода относятся: необходимость применения защитной атмосферы и дистиллированной воды для охлаждения анода, большая масса установки (например, установка УМП-6 весит 265 кг, а АПР-403 - 6000 кг.)
ВЧ-плазменное напыление является разновидностью плазменного. Для создания плазмы используется высокочастотный разряд. Этот метод обеспечивает самое лучшее сцепление материала покрытия с основой из всех методов газотермического напыления. Прочность на отрыв составляет 67,5 кг/мм3 при напылении карбида титана; 71,7 - ТаС; 70...248 - WC. Пористость покрытий от 5,5% (Сг203) до 0,5% (W2C), толщина 0,15...2 мм, шероховатость Ra=0,8 мкм (W2C), твёрдость -70...72 HRC (W2C). К недостаткам относятся: усложнение и удорожание конструкции установки за счёт необходимости применения кварцевой рабочей камеры и специальных холодильных камер; необходимость строгого выполнения соотношения расхода прокачиваемого плазмообразующего газа и величины анодного напряжения, т.к. в противном случае происходит распад плазмы.
Для увеличения износостойкости режущего и штамповочного инструмента и детатей машин путём нанесения газотермических покрытий напыляют сплавы на основе никеля, содержащие в различных количествах В, Si, Cr, Fe, С, Mo, W, Nb, Си; твёрдые сплавы с карбидами вольфрама, титана, тантала, хрома на основе никеля или кобальта и др. Твёрдость покрытий в зависимости от напыляемых материалов изменяется в пределах 13...80 HRB; 30...85 HRC, 250...I800 HV.
Никелевые и коб&тьтовые сплавы, например инконель или стеллиты, можно наносить вместе с элементами, понижающими температуру плавления и обладающими повышенной диффузионной подвижностью — прежде всего с бором или кремнием. Смесь осаждается плазменным или газопламенным напылением, а затем соответствующей термообработкой при 1000—1150 С сплавляется в монолитное покрытие. Добавки бора и кремния оказывают самофлюсующее действие, придавая металлу способность выводить оксиды из покрытия и матрицы без применения флюса В результате обеспечивается металлическая связь покрытия с основой.
В зависимости от материала, режимов напыления и предварительной обработки покрытия термического напыления влияют на предел выносливости от его уменьшения на 50%, до его увеличения на 30%.
Технологические особенности получения газотермических покрытий придают им некоторые общие недостатки. Покрытия в зависимости от выбранного процесса напыления обладают большей или меньшей (до 15%) микропористостью, содержат микротрещины, анизотропны или неоднородны; предел прочности при растяжении у них ниже, чем у того же сплошного материала; прочность связи между покрытием и основой сравнительно невелика, поскольку их соединение обусловливается преимущественно механическим сцеплением поверхностей; термическое воздействие на основу (температура основы может дос- тигать 500 С) может привести к уменьшению остаточных напряжений и разупрочнению основы.
Электроискровое воздействие
Процессы, происходящие под воздействием электрической искры, изучались применительно к методу электроискрового легирования. Обширные экспериментальные и теоретические данные, полученные многими авторами, работавшими в этом направлении, приведены в [68].
В [42, 44, 59, 69, 70] приведены экспериментальные данные о распределении атомов легирующего компонента в поверхностном слое подложки. Количественные и качественные показатели существенно зависят от режимов обработки и материалов электрода и подложки. На основании этих данных можно выделить типовые кривые изменения концентрации легирующего материала электрода в подложке по глубине, которые имеют вид, приведённый на рис.2.3.
На этих кривых выделяется несколько характерных участков. На участке 0 h ho концеїгграция легирующего компонента по глубине подложки изменяется незначительно. При h h0 происходит плавное уменьшение концентра участка. На участке ho h h] про никновение легирующего материала в материал подложки осуществляется за счёт их гидродинамического перемешивания в жидкой фазе. На участке h hi происходит диффузия материала электрода в подложку в твёрдой фазе. При этом скорость диффузии является аномально высокой.
При большей энергии разряда (кривая 1) переходная зона выражена не очень чётко, а материал электрода проникает более глубоко. При малых энергиях разряда (кривая 2) переходная зона выражена чётко, а её ширина уменьшается. Минимальная толщина переходной зоны составляла 5-10 мкм [44J, максимальная глубина проникновения - 160 мкм [42]. В работах [42, 44, 59, 69, 70] эксперименты проводились при значениях энергии разряда 0,2 ...6,4 Дж. Следует также отметить, что распр едал єни е вида 2 встречается в тех случаях, когда максимальная концентрация легирующего компонента на поверхности достигает 100%.
При электроакустическом напылении энергию разряда W„ приблизительно можно определить по формуле:где С- ёмкость разрядного конденсатора; U- напряжение, до которого заряжается конденсатор в промежутке между разрядами; к - коэффициент пропорциональности (к 1).
Подставляя в эту формулу значения Umax = 40 В, С = 10 мкФ, получаем Wmax 0,008 Дж, что существенно ниже, чем при электроискровом легировании. Следовательно, следует ожидать минимальную ширину переходной зоны (рис. 2.3, кривая 3). Кроме того, при ЭЛАН концентрационная кривая может иметь экстремальный характер [57, 71] (верхняя часть кривой 3 на рис.2.3). При этом, характер концентрационной кривой коррелирован с режимами обработки.
В работах [68, 72] приведена аналитическая модель, хорошо описывающая изменение концентрации на участке 0 h hi. Рис.2.4. поясняет процесс формирования покрытия и распределение материала анода в подложке согласно этой модели.
После второго разряда концентрация С2 определяется по формуле:После Литого разряда концентрация CN определится по формуле:Это выражение верно на этапе легирования, когда объём переносимого материала анода постоянен от разряда к разряду, а прирост массы катода прямо пропорционален N Однако после некоторого N перенос материала анода прекращается и даже наблюдается разрушение катода [44,68]. Такая же ситуация характерна и для ЭЛАН [46].
Очевидно, что величины Va и Vk будут зависеть от энергии разряда, т.е. от ёмкости конденсатора и напряжения на нём (2.4). Понятно, что ёмкость и напряжение также будут влиять и на площадь локализации воздействия, а следовательно и на ms в (2.1). Коэффициент к в формуле (2.4) будет зависеть от длительности разрядного импульса, которая будет пропорциональна постоянной времени разряда и, соответственно ёмкости разрядного конденсатора, а также зависит от фазы подачи разрядных импульсов. Таким образом, напряжение разряда и величина ёмкости являются параметрами, которые оказывают существенное влияние на процесс электроакустического напыления и распределение материала электрода по глубине поверхностного слоя подложки.
Аналитическая модель, описывающая изменение концентрации на участке h hi приведена в работе [62]. Указано, что диффузия легирующего материала на этом участке связана с высоким давлением (которое нагнетается парами испарившейся части материалов электрода и подложки [73] и называется «давлением отдачи») и вызванной им высокоскоростной пластической деформацией, возникающими в момент контакта электродов. Подробнее эта модель будет рассмотрена ниже.
Порядок проведения экспериментальных исследований
В связи с вышеуказанными причинами была предложена следующая последовательность экспериментальных исследований.
В качестве варьируемых переменных были выбраны технологические параметры электроакустического напыления, которые оказывают наиболее сильное влияние на такие свойства упрочнённого поверхностного слоя как микротвердость, шероховатость, плотность дислокаций [47, 49]. Этими параметрами являются амплитуда продольно-крутильных ультразвуковых колебаний (А) и напряжение электроискрового разряда (U). По нашему мнению, эти же параметры будут оказывать и наиболее существенное влияние на характер распределения легирующих компонентов по глубине поверхностного слоя.
В качестве анода и катода были выбраны наиболее часто применяемые при электроакустическом напылении материалы. Анод-твёрдый сплав ВК-8, катод -быстрорежущая сталь Р6М5. Исследовалось распределение W и Со вдоль сечешш упрочнённого слоя.
Опыты проводились при вариациях режимов, соответствующих 4-м точкам полнофакторного эксперимента 2П метода факторного анализа (где n = 2 - количество варьируемых переменных). Такая вариация режимов позволила в дальнейшем получить экспериментальную модель с линейной зависимостью содержания материалов покрытия по глубине упрочнённого поверхностного слоя от А и U, учитывающую сов местное влияние. Режимы напыления приведены в табл. 5.1. Поскольку численные значения величин, используемых в методике предварительного расчета концентрационных кривых получить аналитически нельзя, для первого режима эвристически были подобраны значения следующих величин:
Подбор был осуществлён таким образом, чтобы получить максимальное совпадение расчётных и экспериментальных концентрационных кривых для первого режима.
«Скорость обмена», скорость релаксации и коэффициент пропорциональности Кр по нашему мнению зависят в основном от реологических свойств материалов анода и катода Таким образом, для всех режимов напыления они должны оставаться примерно одинаковыми.
Глубина проплавлення, деформация и количество ударов т зависят также и от режимов напыления. Если, изменяя ігх в соответствии с изменением режимов, удастся получить совпадение расчётных и экспериментальных концентрационных кривых для остальных значений напряжения и амплитуды (табл. 5.1), это будет свидетельствовать о качественном совпадении теоретических и экспериментальных данных.
Дія более полного выявления сходства и отличий теории и эксперимента была также получена эмпирическая математическая модель, выражающая зависимость концентрации вольфрама по глубине от амплитуды продольно-крутильных ультразвуковых колебаний и напряжения электроискрового разряда.
Изучение характера распределения вольфрама и кобальта по сечению упрочнённого слоя, выполненное методом рентгеноспектрального микроанализа на РЭМ «Камебакс-микро» с использованием микрозонда, вторичных электронов и поглощающего тока показало высокую неоднородность их распределения по сечению слоя. Это вызвано большим вкладом атучайных факторов в процессе электроакустического напыления. К таким факторам можно отнести постоянное изменение геометрии рабочей части электрода из-за электрической эрозии и поверхности катода, что в свою очередь приводит к случайному местоположению искрового канала в межэлектродном промежутке.
Другим фактором, вызывающим неоднородность распределения, является пороговое действие механических напряжений, возникающих под воздействиемпродольно-крутильных ультразвуковых колебаний. В [90] указано, что сильно возбуждённое состояние возникает только при превышении некоторого критического значения напряжения (108... 109 Па).
В связи с этим для каждого напылённого образца было проведено несколько измерений концентрационных кривых в различных сечениях вдоль поверхности шлифа
Анализ экспериментальных измерений концентрационных кривых показал, что примерно в 50% случаев легирующие компоненты распределены более-менее равномерно по глубине упрочнённого слоя; граница между слоем и основой заметна, но переход плавный, т.е. имеется переходная зона; концентрационная кривая экстремумов не имеет. Такое распределение может быть объяснено как с использованием теории о сильновозбуждённом состоянии, так и без ее привлечения, на основе рассмотренной в гл.2 упрощённой модели формирования поверхностного слоя.
В остальных случаях распределение легирующих компонентов по глубине упрочнённого слоя имеет экстремум. Такие распределения согласуются с теоретическими расчётами, приведёнными в гл.2, и могут быть получены при возникновении сильновозбуждённого состояния при ЭЛАН. Сначала, для каждого из режимов напыления были отобраны именно такие фотографии, которые приведены на рис. 5.1.
После проведения опыта на первом режиме были получены экспериментальные концентрационные кривые распределения W и Со по глубине поверхностного слоя, приведённые нарис. 5.1.а.
Затем, эвристически были подобраны значения величин a, b, Nk0 и т, при которых расчётные концентрационные кривые наиболее близко совпали с экспериментальными. Расчетные и экспериментальные кривые приведены на рис.5.2 и рис. 5.3 (на этих рисунках, содержащих расчётные концентрационные кривые, для удобства восприятия фотографии приведены в разных масштабах). Расчетные кривые для первого режима получены при оедующих значениях параметров
Режимы электроакустического напыления
Дія проведения испытаний в условиях производства было произведено упрочнение электроакустическим напылением твёрдого сплава ВК-8 партии свёрл различного диаметра, изготовленных из стали Р6М5 с нормальной заточкой.
Свёрла были последовательно пронумерованы (рис. 6.2), а затем производилось сверление сквозных отверстий в различных деталях из сталей 40Х и У8А в инструментальном цехе ФГУП ВНИИ «Градиент». Сверление осуществлялось при ручной подаче, без охлаждения. В процессе испытаний фиксировались частота вращения шпинделя, суммарная длина просверленных отверстий и суммарное время на сверление отверстий.
По отзывам специалистов предприятия, упрочнённые свёрла показали хорошие результаты. Однако, специфика предприятия, производство на котором является единичным, не позволила полупіть достовернь[х сравнительных данных. Для всех свёрл испытания были закончены в связи с тем, что закончилась партия деталей, причём ни на одном сверле режущая кромка не потеряла режущей способности. Дія примера, нарис. 6.3 приведены режущие кромки свёрл №8 и №5.
Для некоторых свёрл был произведён расчёт стойкости по данным испытаний и его сравнение с нормативными и справочными значениями. Результаты приведены в табл. 6.1.где turn - неполное штучное время, to - время на обслуживание рабочего места, которое для данного вида обработки составляет 10% от \1Ш. В свою очередь, неполное штучное время:где Ьс - основное время (т.е. время непосредственно затрачиваемое на сверление), 1вс - вспомогательное время (время на выполнение вспомогательных операций - подвод сверла, включение и выключение подачи и т.п.). Вспомогательное время, согласно нормативам [111], при сверлении отверстий диаметром до 10 мм и длиной до 25 мм составляет 0,42 мин. Таким образом, получим:
Произведение k- toe представляет собой фактическую стойкость инструмента Тф, которая может быть определена из (6.4):
Расчётное значение периода стойкости определялось из известного соотношения между стойкостью и скоростью резания [112, 113]:- диаметр сверла, мм: Т - стойкость, мин; S -подача, мм/об; Cv, Kv , qs m, у - коэффициенты, зависящие от обрабатываемого материала и материала инструмента, а также от условий обработки. Тогда расчётная стойкость определяется по формуле:
При сверлении конструкционной углеродистой стали свёрлами из Р6М5 значения коэффициентов следующие: Cv - 7; q = 0,4; у = 0,7; m = 0,2 (при S 0,2 мм/об) и Cv = 9,8; q = 0,4; у = 0?5; m = 0,2 (при S 0,2 мм/об). Подача определялась из следующего соотношения: где L - фактическая длина сверления, мм; п - частота вращения шпинделя, об/мин. Фактическая длина сверления определяется соотношением [114]:Ь = 1ОТВ + 1ВР + 1ПЕР (6.9)где 1отв - длина отверстия, 1вр - врезание (їВр = 0,3D), ІПЕР - перебег (ІПЕР = 1 мм при D 15 мм). Подставляя (6.9) в (6.8) и умножая числитель и знаменатель на к, найдём величину подачи в мм/об:где Ls - суммарная глубина просверленных отверстий.
Скорость резания зависит от диаметра сверла и частоты вращения шпинделя иопределяется по известному соотношению:
Поправочный коэффициент Kv, учитывающий условия обработки, представляет собой произведение ряда коэффициентов [112]:где Кму - коэффициент, учитывающий влияние физико-механических свойств обрабатываемого материала на скорость резания [112]; Kcv - коэффициент, учитывающий состояние стали (вид термообработки) [115]; К3у - коэффициент, учитывающий форму заточки сверла [115]; Коу - коэффициент, учитывающий условия работы без охлаждения [116].
Коэффициент Кму определяется по выражению: 750(6.13)где Кг = 1,2; nv - 1,05 для хромистой стали; Кг = 0,85; nv =0,9 для углеродистой стати. Сортовой прокат стати 40Х по ГОСТ 4543-71, подвергнутый закалке и отпуску, имеет в состоянии поставки сгв = 980 МПа [117, 118], лента отожжённая обычного качества сечением 1,5 мм из стати У8А по ГОСТ 2283-79 в состояниипоставки: ов = 750 МПа
