Введение к работе
Актуальность темы. От успешного развития машиностроения, которое составляет основу промышленности, существенным образом зависит состояние отечественной экономики. Для обеспечения научно-технического прогресса в условиях зарождающейся в стране рыночной экономики особо актуальной'представляется проблема повышения э$ф;ктивности машиностроительного производства, улучшения качества и снижения себестоимости выпускаемой продукции.
Для. решения этой проблемы, кроме снижения металлоемкости заготовок, экономии сырья и энергии, разработки и внедрения новых материалов, малоотходных и безотходных технологий, необходимо существенным образом повышать и технический уровень используемого инструмента, в частности изготовляемого из высоколегированных быстрорежущих сталей и сплавов, занимающего наибольшие объемы в выпуске металлорежущего инструмента и составляющего значительную долю затрат в себестоимости продукции.
Одним из путей решения данной проблемы является разработка технологии изготовления составного биметаллического инструмента, в том числе изготовляемого с использованием различных способов сварки и пайки. Однако известные методы изготовления составного биметаллического инструмента имеют существенные недостатки, ограничивающие область их применения, главные из которых - повышенная трудоемкость изготовления, возможная потеря резерва стойкости, а в отдельных случаях, - отсутствие возможности дальнейшего сокращения размеров заготовок для режущей части и повышения режущих свойств инструмента.
Решение задачи снижения трудоемкости изготовления составного биметаллического инструмента , повышения его стойкости и снижения расхода быстрорежущих сталей и сплавов возможно при разработке технологий получения инструмента за счет контактного плавления в системе Fe-B, проходящего при температурах, соответствующих температурам нагрева под закалку быстрорежущих сталей.
Это обусловливает актуальность и важность проведения комплекса исследований механизма и кинетики контактного плавления в системе Fe-B, структуры и свойств получаемых соединений, структуры и свойств заготовок для режущей части, позволяющих разрабо-
-' 2 -
тать и внедрить оптимальные технологии изготовления биметаллического режущего инструмента с использованием контактного плавления боридных фаз и покрытий.
Работа выполнена на кафедре "Оборудование и технология сварочного производства" Алтайского государственного технического университета (АлтГТУ) в рамках общесоюзной научно-технической программы ГК СМ СССР по науке и технике 0.72.01 "Новые процессы сварки и сварные конструкции" по теме 09.02 "Пайка неметаллических материалов" (1977-80 г.г.), координационных планов работ по * сварке ГКНТ СССР (1981-90 г.г.), республиканских НТП "Сварочное производство" и "Технические университеты России", региональных НТП "Сибирь" и "Нефть и газ Сибири", единого наряд-заказа Госкомвуза РФ (1990-95 г.г.)..
Цель работы. Разработать, оптимизировать и внедрить технологию изготовления биметаллического металлорежущего инструмента с контактным плавлением в системе Fe-B, совмещенным с нагревом под закалку в высокотемпературных соляных хлорбариевых ваннах, обеспечивающую снижение расхода быстрорежущей стали, повышение стойкости инструмента и снижение себестоимости его изготовления.
Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие научные и прикладные задачи:
провести комплексное исследование процесса контактного плавления в системе Fe-B при изготовлении биметаллического инструмента;
исследовать влияние параметров процесса контактного плавления на структуру и свойства соединений быстрорежущих сталей и сплавов с конструкционными сталями;
разработать методику оценки остаточных напряжений в биметаллах.- быстрорежущая + конструкционная сталь и оптимизировать параметры технологического процесса с целью получения минимальных напряжений;
разработать мероприятия по повышению эффективности использования быстрорежущей стали биметаллического металлорежущего
. инструмента с помощью технологии электрошлакового переплава;
- изучить области использования контактного плавления борид
ных фаз и покрытий для создания технологий и увеличения режущей
способности биметаллического инструмента;
- внедрить результаты проведенных исследований в производс
тво при разработке промышленной технологии- получения контакт
но-реактивной пайкой биметаллического инструмента повышенного качества и более эффективного использования быстрорежущих сталей и сплавов.
Методы исследований. Применяемые в работе методы исследования включали: металлографические исследования с использованием оптических (МИМ-8М, NE0PHOT-32) и электронного (УЭМВ-100К) микроскопов; дюрометрические исследования с использованием прибора ПМТ-ЗМ; фазовый - и рентгеноструктурный анализы на установках УРС-50ИМ, УРС-70 и рентгеновском дифрактометре ДРОН-2; локальный микрорентгеноспектральннй анализ с использованием микроанализаторов MS-46 "Cameca", сканирующего электронного микроскопа Сте-реоскан-34 с автоматическим рентгеноспектральним микроанализато-ром Линк-860 КХ; исследование прочности и ударной вязкости; испытания на износостойкость при сухом трении; теплостойкость; стойкостные испытания биметаллического инструмента при резании; исследование остаточных напряжений; использование методики математического планирования многофакторного эксперимента и статистической обработки результатов, расчетов процесса контактного плавления, выполняемых с использованием ЭВМ.
Использование современных приборов, оборудования, методик исследований и анализа для решения поставленных в диссертационной работе задач позволило обеспечить достоверность полученных результатов.
Научная новизна. Впервые выполнено комплексное исследование механизма и кинетики контактного плавления в системе Fe-B, позволившее осуществить получение биметаллического инструмента при нагреве под закалку в высокотемпературной соляной хлорбариевой ванне.
Разработана математическая модель для расчета критической
толщины прослойки боридов, учитывающая нестационарность процес
са, подвижность межфазной границы и образование жидкой фазы со
стороны боридов. /
Изучено строение зоны соединения биметалла быстрорежущая + + конструкционная сталь и выявлено влияние параметров процесса и соединяемых материалов ' на ее структуру, химический и фазовый состав.
Разработана расчетно-экспериментальная методика определения остаточных напряжений в биметаллах быстрорежущая + конструкционная сталь при их соединении контактным плавлением.
На основе обработки экспериментальных данных получены» регрессионные зависимости, связывающие прочность, остаточные напряжения в биметаллах с основными технологическими и конструктивными параметрами изготовления инструмента контактным плавлением. . . Разработаны методы предотвращения охрупчивания металла в зоне соединения, прилегающей к быстрорежущей стали за счет нанесения барьерного-покрытия Fe на быстрорежущую сталь или нанесения дополнительного Ni - Р покрытия на борированный слой.
Обоснована.возможность рационального использования направленной кристаллической структуры заготовок быстрорежущих сталей для биметаллического инструмента, полученных електрошлаковим переплавом, обеспечивающая повышение стойкости инструмента.
Выявлено влияние параметров процесса контактного плавления борированного слоя при нагреве под закалку в высокотемпературных соляных хлорбариевых ваннах на структуру, фазовый состав и теплостойкость быстрорежущих сталей.
Практическая ценность. На основе проведенных исследований контактного плавления боридных фаз и покрытий со сталями разработаны высокопроизводительные, ресурсосберегающие технологические процессы получения биметаллических режущих инструментов, совмещенные с . нагревом под закалку в соляных хлорбариевых ваннах, значительно повышающие эффективность использования быстрорежущих сталей и эксплуатационные свойства биметаллического инструмента.
Разработаны промышленные технологии- изготовления различных видов биметаллического инструмента ответственного назначения с применением различных сочетаний быстрорежущая + конструкционная сталь.- Разработанный метод расчета на ЭВМ критических размеров боридов и количества образующейся жидкой . фазы при контактном плавлении в системе железо-бор при использовании в инженерной практике позволяет оптимизировать технологию контактно-реактивной пайки (КРЩ быстрорежущих сталей с конструкционными с учетом температурно-временных условий процесса нагрева в соляных хлорбариевых ваннах и химического состава стали. Предложена инженерная расчетно-экспериментальная методика определения внутрен-
них остаточных--напряжений в соединениях быстрорежущая + конструкционная сталь, позволяющая с высокой точностью оценить влияние различных факторов ,на склонность биметалла к образованию трещин.
Реализация результатов работы. Разработанный технологический процесс получения биметаллических инструментов с использова-* нием различных борированных прокладок и покрытии получил широкое внедрение на ряде промышленных предприятий страны. Выполненные —совместные разработки по,контактно-реактивной пайке долбяков на' Алтайском тракторном заводе отмечены серебряной медалью ВДНХ СССР. Технологические приемы, материалы и конструктивные разработки, предложенные на основе полученных результатов исследований, защищены семью авторскими свидетельствами и патентом РФ. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы только на Алтайском тракторном заводе и на Барнаульском заводе "Трансмаш" превышает 700 тыс.руб. (в ценах до 1991 г.), из которых доля автора составляет 50 %,. В целом результаты работы внедрены более чем на 10 предприятиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты экспериментального и теоретического анализа взаимодействия боридов со стапями и образования жидкой фазы в системе железо-бор при нагреве под закалку биметаллического металлорежущего инструмента;
результаты экспериментального исследования структуры, химического и фазового состава зон соединения при контактном плавлении боридов с быстрорежущими и конструкционными сталями в процессе нагрева их для термообработки;
методика оценки и результаты экспериментальных исследований свойств соединений биметаллов быстрорежущая + конструкционная сталь, полученных при контактном плавлении боридных фаз и покрытий;
влияние направленности дендритов к режущей кромке на повышение режущих свойств литых электрошлаковых заготовок для режущей части биметаллического инструмента, получаемого методом контактного плавления (КП);
разработанные технологии получения биметаллических режущих инструментов на основе использования контактного плавления
- б -
боридных фаз и покрытий, позволяющие улучшить качество инструмента и его режущие сврйства;
- результаты экспериментального изучения эксплуатационных свойств биметаллического инструмента, полученного с применением контактного плавления боридных фаз и покрытий;
' - результаты технологических и конструкторских разработок, выполненных на основе проведенных исследований и внедренных в производство.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: международной "Проблемы автоматизации и технологии в машиностроении" (г.Рубцовск, 1994 г.); всесоюзных "Расширение производства паяных изделий и повышение его эффективности в машиностроении" (г.Омск, 1980г.); "Пайка в машиностроении" (г.Москва, 1974 г.),- "Структурные пропорции производственной сферы и основные направления ускоренного развития экономики" (г.Барнаул, 1989 г.); региональных "Технический прогресс в машиностроении" (г.Томск, 1970 и 1971 г.г.), "Улучшение качества продукции машиностроительных заводов края (г.Барнаул, 1973 г.), "Разработка и внедрение прогрессивных методов сварки и изготовления сварных изделий на предприятиях машиностроения" (г.Омск, 1973 г.), "Пути повышения качества и надежности инструмента", "Повышение технического уровня тракторного и сельскохозяйственного машиностроения", "Современные методы повышения эффективности машиностроения" (г.Рубцовск, 1987, 1989 И 1991 г.г.); ежегодных общеуниверситетских АлтГТУ (г.Барнаул, 1992 и 1993 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 печатных работ, в том числе 7 авторских свидетельств, 1 патент и 3 отчета по научным темам, прошедшие государственную регистрацию.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, содержит 169 страниц машинописного текста, рисунков - 67, таблиц - 15, список литературы содержит 193 наименования, а также приложения на 14 страницах.