Введение к работе
Актуальность работы: Бесстружковая обработка является
весьма распространенным способом металлообработки. Она поэвошет эко
номно использовать кегапп, обеспечивает высокое качество изготавливаемых
деталей. В промышленности развитых стран прогнозируете» рост бесстружко-
вых нетопов, предполагается, что к:2000 г. их объем постигнет ~ 34 / в общем
объеме металлообрабатывающих операций. Существенным фактором бес-
стружковой обработки является использование автоматизированного оборудо
вания (холодно-высадочных автоматов, кривошипных и гидравлических прес
сов, прокатных станов и т.п. оборудованиі). В этом случае коренной проблемой
является стойкость инструмента. При невысокой стойкости инструмента резко
снижаете» производительность операции, становите! экономически нелепесо- "
образной эксплуатация автоматизированного технологического оборудования.
Радикальным способом повышения стойкости инструмента, по данным отече
ственной и зарубежной практики, двпяются вольфрамо-кобальтовые твердые
сплавы. Анализ эксплуатации оборудования, инструмента и оснастки при вы
рубке, объемной штамповке, прокатке и выдавливании металла показал, что
рабочие эпененты инструмента формообразующие вставки из стандартных
марок твердого сплава в большинстве случаев (более 60 */.) выходи из строї
из-за разрушения. На ряде операций (холодная высадка крупногабаритных
деталей) стандартные марки твердых сплавов вообще не могли быть применены
из-за низкой работоспособности. В связи с этим перспективным является разра
ботка, новых инструментальных твердых слпавов, позволяющих повысить
долговечность инструмента, расширить области его применены за счет тех
операций, гае он ранее не применялся из-за низкой работоспособности и обеспе
чить потребность металлообрабатывающей промышленности не за счет увели
чения объема производства инструмента, а за счет повышения его долговеч
ности. - '
В рассматриваемом испекте коренной проблемой являются твердые сплавы. В последние десятилетия были изданы несколько монографий, посвященных твердый слпавам, исследованию их свойств и изучению отдельных технологических процессов. Эти вопросы изложены в трудах В. И.Третьякова, Г.А.Меерсона, Г. С. Крейцера, И.Н.Чалоровой, В.И.Туманова, Г.В.Саисонова, Р.Киффера, Ф.Бенеэовского. ' Р.А.Андриевского, К. С. Чернявского, М.С.Ковальченко, М.М.Бабича, А.Б.-Ппатова, Г.П.Зпобинаидр.
Особое место занимают 'исследования взаимосвязи технологии, свойств и структуры металлических порошков и твердых сплавов, выполненные В.А.Ивенсеном и его сотрудниками О.Н.Эйцук, В.А. Чистяковой и др. В.А.Ивенсен создал научное направление, увязав технологические режимы с дефектностью кристаллического строения, определив проблему наследственности в порошковой металлургии.
Данная работа, по-существу, является развитием исследований, нача
тых В.А.Ивенсеном. !
Большой вклад в исследование металлообрабатывающего инструмента внесли работы Б.Ф.Трахтенберга, В.С.Рыжеванова, В.С.Санойпова, М.Г.Лошака, Э.Ф.Эйхмаис, Б.С.Хомякаи др.
В упомянутых работах рассмотрены в целой твердые сплавы или конкретные процессы. Комплекс вопросов (технология, структура, свойства) лри-юенитепьно к инструменту дпя бесстружковой обработки металпов инеет специфические особенности, которые в известных работах не изучены и нуждаются в разработке.
В частности, отсутствовал общий научный подход к разработке сплавов, воспринимающих в условии эксплуатации динамические нагрузки различной интенсивности в сочетании с износом-. При основном характере npetpa-шенхх эксплуатации стандартных марок твердых, сплавов - разрушении, не определено направление решения проблемы.'. Несмотря на многочисленные публикации по исследованию механических свойств не установлены ведущие (базисные) критерии, определяющие допговечоеть твердого сппава в инструменте.
Цепи и задачи исследования: Основное направление работы связано с решением крупной научной и технологической проблемы разработки нового поколения твердых сплавов, обеспечивающих повышение долговечности и надежности инструмента при бесстружковой обработке металпов.
Для реализации этой задачи необходимо:
разработать теоретические основы конструирования твердых сплавов для бесстружковой обработки металлов, обеспечивающих повышение работоспособности инструмента;
на базе созданной концепции разработать технологию производства новых вольфрано-кобальтовых твердых сплавов;
установить степень влияния параметров технологии на структуру и закономерность изменения механических свойств сппава от состава и величины зерна карбидной фазы;
экспериментально проверить преимущество разработанной технологии, в сравнении со стандартной, в повышении структурно-чувствитепькых свойств; ' '
провести широкую проверку результатов теоретических изысканий и экспериментального исследования в условиях металлургического производства |вердых сплавов и металлообрабатывающих заводов на операциях высадки, объемной штамповки, выдавливании, прокатай вырубки металпов;
- разработать дпя металлообрабатывающей промышленности, на
основании широких производственных испытаний, рекомендации по областям
применения новых вольфраяо-кобальтовых сплавов.
Научная новизна работы: Разработана научная концепция конструирования твердых сплавов вопьфрамо-кобалыовой композиции, обладающих повышенным сопротивлением разрушению и работоспособностью при бесстружковой обработке металпов. Установлено,' что высокие температуры получения порошков вольфрама и карбида вольфрама оказывают влияние на глубокую очистку от примесей , за счет из возгонки, обеспечивает меньшую степень дефектности кристаллического строєних и особый механизм структуро-образованля в процессе спекания, способствующий передаче деформации от зерна к зерну на нежкристалпипгой границе. В цепом, все перечисленные факторы способствуют повышению пластичности попнкристаппического твердого сплава.
і 3
Создана научная основа теории строения и технологии принципиально новых твердых сппавов с бимодальным распределением карбидной фазы. Особенностью этих сппавов является наличие двух максимумов на кривой распределение зерен карбидной фазы по размерам. Сппавы характеризуются высокими значениями пластичности; (на уровне крупнозернистых) и износостойкости (на уровне мелкозернистых) композиций.
Изучены в широком диапазоне изменения параметров (дисперсности карбидной фазы от 2 по 10 мкм и концентрации кобальта от 5 по 25 '/ масс) свойства тиердых сппавов, изготовленных по высокотемпературной технологии. Установлена высокая степень корреляции критериев пластичности и износостойкости с параметрами сплава;. Изучен структурный аспект разрушения сппавов. Установлены, ранее неизвестные, зависимость трешиностойкости от ' пластичности, а так же взаимосвязь трешиностойкости с прочностью (при изгибе .„ и сжатии), износостойкостью и твердостью.
Р;пра6отакы новые методы исследования, позволяющие в лабораторных условиях прогнозировать работоспособность твердого сплава в различных усповияхнагружения. Критериями оценки являются:
при объемной штамповке и высадке величины предельной пластической деформации перед разрушением и работы пластической деформации сплава, определяемые при нагружении одноосным сжатием;
для листовой штамповки (вырубка, обрезка) - величина квазиппас-тической деформации при малодикповон контактном нагружении;
- для объемной штамповки деталей сложного профиля, характеризующихся нокапьной концентрацией, напряжений в инструменте - величины напряжених старта трещины и работы разрушения, определяемой по диаграмме "напряжение - приращение трещины" при нагружении одноосным сжатием образца с центральным надрезом.
Применение разработанных методик в практике исследовательских работ позволяет сократить сроки внедрения новых материалов в условиях металлообрабатывающих заводов и получить новую информацию о развитии процесса разрушения при деформация твердых сппавов в условиях статического и циклического нагружения. і
ІІракггіическая ценность: В результате исследований разработана высокотемпературная технология производства тьеряых сляавов трех серий по дисперсности карбидной фазы - среднезернистые (серия "С", 2-3 мкм), крупнозернистые ("КС", 3,5-4,5 пкя\ особокрупнозернистые ("К", 6-Ю нкв). Ряд марок твердых сппавов и изделия из них выпускаются в промышленном и опытно промышленном масштабах' заводами металлургической промышленности в соответствии с Государственными стандартами: "Сппавы твердые спеченные, марки" (ГОСТ 3882-74).' "Сппавы твердые спеченные, Вставки-заготовки дня высадочного инструмента и пластины -заготовки для отрезных ножей. Технические условия" (ГОСТ 10285-81), "Вставки заготовки из спеченных твердых сплавов дпя высадочного инструмента, формы и размеры" (ГОСТ 10284-84), "Пластины-заготовки из твердых спеченных сппавов дпя отрезных ножей. Типи и размеры" (ГОСТ 11378-75). "Вставки из нетаппокерамических сппавов щи разделительных и гибочных штампов (заготовки)". (ГОСТ 19106-73), а также- в соответствии с Техническими условиями, зарегистрированными
4 Госстандартом: "Заготовки изделий из твердых сплавов марок ВК10-КС, ВК20 КС", (ТУ 48-19-232-91, ноиер регистрации Госстандарта 2392, 1991 г.), "Заготовки издепий из твердого сппава марки ВК15С", (ТУ 48-19-391-84, 200 25045603, 1995 г.), "Заготовки изделий из твердого сппава марки ВК25, легированного хромом (ВК25-Хр)\ (ТУ 48-19-137-79, 200-1930603-04, 1994 г.). "Заготовки изделий из твердых сплавов марок ВК10-П, ВК20-П (с попидис-персно* структурой" (ТУ 48-4206-420-90, 1996 г.).
На основе изучени* эксплуатационных свойств разработаны диаграммы "стойкость - механические свойства" твёрдых сплавов, применяемых щи оснащенні инструмента на различных операции бесстружковой обработки металлов (высадка я объемная штамповка метизов небольшого М6-М8, среднего М12 и крупного - М20-М27 диаметров), листовая вырубка (разделительные штампы), прокатке' фольги и топкой пенты, вытяжки и выдавливание металлов. Анализ диаграмм показывает, что с ростом интенсивности нагруженяя большее значение приобретает ресурс пластичности сппава, несмотр» на снижение пределов прочности, при изгибе и сжатии. Дли большинства операций важно сочетание механически^ свойств инструментального материала. Даже в условиях, когда наибольшую работоспособность показывает сплав не имеющий наиболее высокую пластичность, важен определенный ресурс пластичности, обеспечивающий возможность "залечивания" дефектов в результате эксппуатамии (прокатка фопьги и тонкой пенты). Диаграмма "стойкость - механические свойства" позволяет прогнозировать выбор сппава и для других операций бесстружковой обработки металлов. Сплавы, изготовленные по высокотемпературной технологии на всех исследованных операциях, показали работоспособность в 1,4-3,2раза более высокую в сравнении со стандартными, полученными по низкотемпературной технологии.
Материалы диссертации используются автором в учебном процессе в Московской Государственной Академии Тонкой ЗОшкческой Технологии им. М.В.Ломоносова по специальности 110800 и при чтении курсов лекций'по дисциплинам "Состав, структура и свойства керамических материалов", "Технология и оборудование получения керамических материалов" и "Проектирование оборудования и оснастки дпя изготовления изпепий".
Публикации: Результаты экспериментальных исследований изпо
жены в 33 научно-технических изданиях. Новизна и оригинальность решений,
полученных в результате исследований, защищены 5 авторскими свиде
тельствами (№№ 442892 594876, 939995. 1200164, 1319413), а технология и
составы сплавов - 7 патентами (России № 1714863, Англии № 14S3527, ФРГ№
2606993, Чешской Республики № 190703, Швеции Ш 400542 Канады №
1080431, Франции № 2338999). Основные положения работы неоднократно,
начиная с 1976 г., докладывались на Международных и Всесоюзных конферен
циях к семинарах по порошковой металлургии'и, инструментальным материа
лам: *
"Твердые сплавы для обработки металлов при ударном нагружении (высадка, объемная штамповка, вырубка)". Симпозиум "25 пет ВУПМ", г.Шумперк, ЧССР, 1976 г.;
"Влияние режииов технологии получении порошка карбида вольфрама на формирование структуры и свойства сплава". IX Международна* конференция по порошковой металлургии, Г.Дрезден, ГДР, 1989 г.;
"Твердые сппавм, предназначенные для обработки металлов давлением". IX Международная конференция по порошковой металлургии, г.Дрезпен, ГДР, 1989 г.;
"Методика оценки зксплуатэдиояной стойкости хрупких материалов, работающих в условиях контактной усталости". Конференция по прочности и надежности. ВИСИ, г.Калининград, 1981 г.
За создание и внедрение вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов, обеспечивающих повышение работоспособности (стойкости) инструмента и оснастки, автору присуждена в 1989 г. Премия Совета Министров СССР. За работу: "Разработка и освоение технологии твердых сплавов с повышенной попидисперсностью карбидной составляющей (бимодальные сплавы) дпя высокоэффективной обработки металлов давлением", автору присуждена в 1995 г. прения в области науки и техники г. Москвы.
Объем и структура диссертации: Диссертация содержит 269 страниц, в том числе 77 таблиц, 65 рисунков, список литературы, содержащий 66 наименований.
Диссертация состоит из "Введения", четырех глав, "Заключения и общих выводов по работе" и приложения.
В приложениях приведены рекомендации по применению новых марок сплавов и классификация твердых сплавов для обработки металлов давлением.