Підвищення зносостійкості твердосплавного інструменту методом іонного азотування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технологічний університет Поділля

Снозик Олександр Володимирович

УДК 620.178

ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ІНСТРУМЕНТУ МЕТОДОМ ІОННОГО АЗОТУВАННЯ

Спеціальність 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Хмельницький-1999г.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля (м. Хмельницький) Міністерства освіти України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Каплун Віталій Григорович, Технологічний університет Поділля, проректор з наукової роботи.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кіндрачук Мирослав Васильович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри технології металів;

кандидат технічних наук, доцент Леськів Володимир Дмитрович, Дрогобицький державний педагогічний університет, завідувач кафедри загальноінженерних дисциплін.

Провідна установа:

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.Н. Бакуля НАН України, відділ обробки матеріалів різанням і пластичною деформацією (м. Київ).

Захист відбудеться «21» квітня 1999 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д70.052.02 Технологічного університету Поділля за адресою: 280016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й учбовий корпус.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Технологічного університету Поділля (вул. Кам'янецька, 110/1).

Автореферат розісланий «20» березня 1999 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кіницький Я.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Обробка металів різанням займає провідну роль в машинобудуванні і продовжує залишатись головним методом остаточного отримання розмірів деталей. При використанні складних верстатних комплексів з управлінням від ЕОМ, в умовах гнучких виробничих систем зростають вимоги до якості, надійності, довговічності різальних інструментів, при цьому умови роботи інструменту стають щораз жорсткішими. Проходить підвищення витрат інструменту на одиницю випущеної продукції і затрати на інструмент можуть сягати 3-5% всієї собівартості виготовлення виробу.

На сьогодні при обробці сучасних конструкційних матеріалів головну роль у виробництві займає інструмент із спечених твердих сплавів вольфрамомісткої групи (ВК, ТК, ТТК). Його довговічність може бути підвищена рядом технологій нанесення зносостійких покриттів, поверхневого та об'ємного зміцнення. Найширшого застосування набули технології фізичного і хімічного осадження зносостійких покриттів на основі карбідів та нітридів перехідних металів. Однак практика показує, що ефективність їх використання значно залежить від умов роботи інструменту. В складних умовах експлуатації, при чорновій обробці, переривчастому різанні, ударних навантаженнях ефект від їх використання різко падає аж до негативного. Тому, незважаючи на широку гаму розроблених методів нанесення зносостійких покриттів, проблема створення надійного, стійкого в складних умовах експлуатації покриття є досі актуальною і її вирішення є одним із головних резервів підвищення ефективності виробництва і підвищення конкурентоздатності виготовленої продукції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Робота проводилась у відповідності з Державною науково-технічною програмою №05.44.11 «Застосування в промисловому виробництві іонно-плазмової технології» за темою 1Б-93/ДКНТ «Перспективна технологія і устаткування для зміцнення деталей машин і інструменту в безводневому середовищі іонно-плазмовим методом» та держбюджетною темою 2Б-95 «Наукові основи підвищення довговічності твердосплавного інструменту із застосуванням ресурсозберігаючої, екологічно чистої технології дифузійного зміцнення поверхні».

Мета роботи. Метою даної роботи є підвищення зносостійкості і довговічності твердосплавного різального інструменту в складних умовах експлуатації із застосуванням технології іонного азотування в безводневому середовищі.

Для досягнення цієї мети було поставлено такі завдання:

- шляхом аналізу існуючих технологій підвищення зносостійкості встановити можливі шляхи і механізми поліпшення експлуатаційних властивостей твердосплавного інструменту і на їх основі запропонувати метод ефективного підвищення його зносостійкості;

- дослідити глибину, фазовий склад та інші фізико-механічні властивості азотованого шару твердих сплавів;

- визначити зміни в напруженому стані поверхневого шару твердих сплавів після обробки запропонованою технологією;

- встановити механізм підвищення зносостійкості твердосплавного різального інструменту після його зміцнення методом іонного азотування в безводневому середовищі;

- експериментально дослідити вплив технології безводневого іонного азотування на характеристики процесу тертя та інтенсивність зношування азотованого твердосплавного інструменту;

- оптимізувати параметри технології поверхневого зміцнення за критерієм довговічності різального інструменту;

- провести промислові випробування і економічно обгрунтувати ефективність застосування методу іонного азотування в безводневому середовищі для підвищення зносостійкості і довговічності твердосплавного різального інструменту.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше застосована технологія іонного азотування в безводневих середовищах для підвищення зносостійкості твердосплавного інструменту.

2. Встановлено механізм підвищення зносостійкості твердих сплавів після зміцнення методом іонного азотування в безводневому середовищі.

3. Отримано аналітичні залежності зносостійкості твердосплавних різальних інструментів від технологічних параметрів іонного азотування.

4. Встановлено вплив іонного азотування твердосплавного інструменту на трибологічні і силові характеристики процесу різання.

5. Визначено оптимальні технологічні режими іонного азотування, що забезпечують максимальну зносостійкість твердосплавного різального інструменту при точінні конструкційних матеріалів.

Практичне значення отриманих результатів. В результаті проведеної роботи створено високоефективну технологію підвищення зносостійкості і довговічності твердосплавного інструменту методом іонного азотування в безводневому середовищі. Застосування розробленої технології дозволяє підвищити період стійкості інструменту в 2,2-3,6 рази залежно від умов експлуатації, що підтверджується результатами проведених виробничих випробувань.

Рівень її розробки дозволив виконувати зміцнювальну обробку твердосплавного інструменту в Спільній лабораторії прогресивних методів зміцнення Національної Академії Наук і Міносвіти України та Подільському науковому фізико-технологічному центрі Технологічного університету Поділля на замовлення ряду підприємств України, а також рекомендувати її впровадження на інших підприємствах машинобудування та порошкової металургії.

Особистий внесок здобувача. В дисертацію включено лише ті наукові результати, які отримані дисертантом особисто. В опублікованих разом із співавторами наукових працях здобувачем виконувались: постановка завдань, проведення експериментів і аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, включені до дисертації, доповідались і обговорювались на міжнародній науково-технічній конференції Вдосконалення обладнання легкої промисловості та складної побутової техніки (м. Хмельницький, 1993), III науково-технічній конференції Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва (м. Хмельницький, 1995), науково-технічній конференції Лазерные и физико-механические методы обработки материалов (м. Сімферополь, 1995), науково-практичній конференції Технологічний університет в системі реформування освіти та наукової діяльності Подільського регіону (м. Хмельницький, 1995), міжнародній науково-технічній конференції Проблеми трибології (м. Хмельницький, 1996), науковій конференції молодих вчених та студентів (м. Київ, 1997).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 наукових робіт, з них 3 статті в наукових журналах, 2 статті в збірниках наукових праць та отримано 1 патент на винахід України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку літератури із 147 найменувань та 1 додатку. Основний зміст роботи викладено на 129 сторінках машинописного тексту, включаючи 24 рисунки та 17 таблиць. Загальний об'єм дисертації складає 150 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині показано стан наукової проблеми, актуальність і доцільність розвитку цього напрямку науки, сформульовано мету і завдання даної роботи, наведено наукову новизну та практичну цінність отриманих в роботі результатів.

В першому розділі дається обгрунтування перспективності даного напрямку досліджень з трибологічної точки зору. Проведено аналіз застосування відомих методів поверхневої і об'ємної обробки для підвищення зносостійкості твердосплавного інструменту в умовах обробки конструкційних матеріалів, розглянуто їх результативність, вказано на їхні головні недоліки і переваги.

Проаналізовано такий ефективний метод підвищення зносостійкості деталей машин і інструменту із конструкційних матеріалів, як іонне легування в тліючому розряді і його новий високоефективний підвид - іонне азотування в безводневих середовищах. Головними результатами застосування цього методу поверхневої обробки є такі: зниження адгезійної взаємодії і поліпшення антифрикційних властивостей в парах тертя, підвищення міцності та втомної витривалості, високий ефект по зносостійкості зміцнених деталей та інші. Показано подібність деяких важливих елементів цієї технології з уже використовуваними в інструментальному виробництві методами, а саме: конденсації покриттів з іонним бомбардуванням та осадження покриттів із парогазової фази.

На основі аналізу впливу методу іонного азотування в безводневих середовищах на головні фізико-механічні та фрикційні характеристики трибологічних пар, виготовлених з конструкційних матеріалів, запропоновано застосування і подальшу розробку цього методу для підвищення зносостійкості твердосплавного інструменту.

В другому розділі розглянуто фізико-механічні властивості та механізм руйнування і зношування твердосплавного інструменту до і після іонного азотування.

Фазовий аналіз азотованих твердих сплавів проводився металографічним, рентгеноструктурним та мікрорентгеноспектральним методами. Для цього використовувались зразки твердосплавних пластин ВК8, ВК15, ВК20, Т15К6, підготовлені у вигляді поверхневих, поперечних та косих мікрошліфів.

Металографічний аналіз проводився на мікроскопі "МИМ-10" при збільшенні до 1250 крат. Рентгеноструктурний аналіз поверхневого шару проводився на дифрактометрі "ДРОН-3М" із сцинтиляційним лічильником в монохроматизованому LiF кристалом випромінюванні. Мікрорентгеноспектральний аналіз проводився на установці "CAMEBAX".

Дослідженнями встановлено, що при іонному азотуванні твердого сплаву не утворюються нові хімічні з'єднання, а лише існує пересичений твердий розчин азоту в кобальті.

Поелементний склад твердосплавних зразків досліджувався методом електронної оже-спектроскопії на електронному спектрометрі ASC-2000. Кількісний аналіз здійснювався методом елементної чутливості.

Дослідження мікротвердості азотованого інструменту проводились з використанням приладу ПМТ-3 за стандартною методикою. Аналіз отриманих результатів показує: твердосплавні пластини навіть одної партії виготовлення мають велике розсіювання значень мікротвердості у вихідному стані; після іонного азотування розсіювання значень мікротвердості від середнього знижується; середнє значення мікротвердості Н100 твердосплавних пластин Т5К10 після іонного азотування збільшується на 3600 МПа. Таким чином, після іонного азотування проходить зростання середньої мікротвердості. Однак головний ефект полягає в тому, що значно знижується розсіювання виміряних результатів. Це свідчить про вирівнювання структури, заліковування мікродефектів і підвищення надійності твердого сплаву.

Невисоке підвищення середньої мікротвердості твердого сплаву пояснюється таким чином. Після іонного азотування твердих сплавів не утворюються нітриди, а саме вони відіграють головну роль в підвищенні твердості азотованих стальних матеріалів. З іншого боку, випробування на твердість є, за висловлюванням Г.С. Креймера, найм'якшим з усіх видів випробувань. Тобто навантаження вдавлюванням індентора є близьким до ізостатичного стиску і не викликає розтягувальних напружень і деформацій. Тому в звичайних металах, сталях (як матеріалах з менш вираженою нерівномірністю механічних властивостей при стиску і розтягу) ефект від іонного азотування є більш чітко вираженим. У відношенні до твердих сплавів найбільша заслуга іонного азотування полягає в зменшенні розсіюваності результатів, вирівнюванні властивостей композиту в цілому.

Дослідження внутрішніх напружень у твердому сплаві проводилися на основі вимірювання деформації плоскої пластини після проведеного іонного азотування. На основі закону Гука (пружний характер деформації пластини попередньо був доведений електролітичним стравлюванням дифузійного шару) і диференціального рівняння зігнутої осі балки виведено формулу для визначення середніх внутрішніх напружень в поверхневому шарі прямокутної пластини

(1)

де Е - модуль пружності твердосплавного матеріалу;

h - товщина пластини;

h - прогин в точці посередині поздовжньої осі пластини;

Lб - довжина опорної поверхні пластини;

п - коефіцієнт Пуасона;

hдиф - товщина поверхневого дифузійного шару.

Для пластин ВК8 після безводневого іонного азотування отримано розмір середніх внутрішніх напружень в поверхневому дифузійному шарі с=-150 МПа. На доведення головної ролі азоту в утворенні залишкових напружень стиску проведено іонну обробку за режимом, аналогічним попередньому, із заміною робочої суміші на чистий аргон. Напруження, визначені за розробленою методикою, склали =+30 МПа (розтягу). Отриманий результат чітко корелює з властивостями азотованих конструкційних сталей та інших металів і дозволяє стверджувати про аналогічний вплив створених залишкових напружень на міцність і втому азотованих твердих сплавів.

Проведено дослідження міцності азотованих твердих сплавів за схемою (рис.3), максимально наближеною до реальних умов силового навантаження при експлуатації різального інструменту. Вона приводила до такого виду напруженого стану, як чистий зсув. Даний вид напруженого стану інструменту є найбільш несприятливим, оскільки при ньому під певним кутом виникають напруження розтягу, при яких тверді сплави мають найнижчу міцність. Це підтверджується характерним зовнішнім виглядом поламаних пластин - руйнівна тріщина розповсюджувалась під кутом 45 до площини навантаження.

Одночасно вивчались характеристики сигналів акустичної емісії (АЕ), що виникали при навантаженні в твердосплавних пластинах. За порівняльний критерій міцності прийнято руйнівне навантаження Рmax. Аналіз матеріалів з АЕ проводився за період від початку навантаження пластин до моменту досягання 0,5Рmax, вказаний рівень є неруйнівним і найбільш інформативним.

Як показали результати статистичної обробки, міцність інструментальних пластин після іонного азотування зростає в середньому на 15%. Виявлено також відмінності в характері випромінювання сигналів АЕ в групах необроблених і азотованих інструментів, що дозволило запропонувати додатковий метод неруйнівного контролю ефективності проведеної зміцнювальної обробки. Зміцнювальна обробка приводить до зменшення середньої амплітуди сигналів АЕ на 40-45%, при цьому сумарна кількість сигналів зростає на 100%. Це свідчить про активацію поверхневих атомів твердого сплаву, заліковування зовнішніх мікродефектів, зв'язування дислокацій і створення додаткових завад на шляху їх переміщення, закріплення мікротріщин, вирівнювання властивостей композиту і підвищення його міцності в цілому.

Проведені аналізи і дослідження дозволили встановити вплив іонного азотування на фізико-механічні характеристики і процес зношування твердосплавного інструменту.

Позитивний вплив іонного азотування на фрикційні та механічні властивості сталей та інших конструкційних металів є добре досліджений в працях В.Н. Арзамасова, В.Г. Каплуна, В.Д. Кузнецова, Ю.М. Лахтіна та Б. Еденхофера і став загально признаний. Однак автоматичне перенесення його механізмів на твердосплавний матеріал неможливе через ряд суттєвих відмінностей у будові і властивостях цих матеріалів.

Тверді сплави є композиційними матеріалами з різкими відмінностями у фізико-механічних властивостях наявних фаз і чітко виділеними міжфазовими границями. В порівнянні з азотованими сталями і іншими конструкційними матеріалами в азотованому твердому сплаві відсутні нітридні зони, а існуюча структура є подібною до зони внутрішнього азотування із змінною концентрацією азоту. Саме такі структури є найбільш сприятливими для підвищення як втомної міцності, так і стійкості проти адгезійно-втомного зношування, яке є основним серед видів зношування, існуючих при різанні твердосплавним інструментом.

Дослідженнями властивостей азотованих сталей встановлено, що найважливішу роль в підвищенні їх механічних характеристик і, зокрема, втомної міцності, відіграють залишкові напруження стиску, створені в поверхневому шарі. Показавши їх наявність в азотованому твердому сплаві, можна стверджувати про аналогічний вплив цієї технології на втому твердосплавного матеріалу.

Зношування твердого сплаву проходить за своєрідним механізмом і найчастіше має втомний характер. В першу чергу із зони тертя виносяться дефектні зони і місця скупчень кобальтової зв'язки. В міру їх "вимивання" проходить "оголення" і виступання карбідних зерен. Тоді в зоні фактичного контакту залишаються практично самі зерна карбідів, котрі і несуть на собі основне навантаження. Звичайно, в процесі їх зношування в контакт вступають частинки в'яжучої фази, які в міру своїх властивостей теж визначають проходження фрикційних процесів в зоні контактування. Здатність карбідних зерен витримувати значні контактні навантаження, протистояти розтріскуванню, якомога довше утримуватись в композиті - на ці властивості в першу чергу впливають напруження стиску, створені іонним азотуванням. Вони фактично сприяють защемленню зерен карбідів і це приводить до повнішого використання ресурсу композиту.

Цементуюча фаза твердого сплаву практично є твердим розчином W, C, O, WC в кобальті. В ряді робіт В.І. Третьякова, І.Н. Чапорової та інших показано, що її склад (концентрація розчинених елементів в Со) має сильний вплив на властивості як самої зв'язки, так і твердого сплаву в цілому, а в підвищенні механічних властивостей кобальтової зв'язки, порівняно із чистим кобальтом, заслуга належить саме розчиненню вказаних елементів.

Вплив іонного азотування на Со-фазу є аналогічним до інших азотованих металів. Суттєва відмінність в порівнянні, наприклад, із азотованими сталями, полягає у відсутності в поверхневому шарі азотованого твердого сплаву нітридної фази. Створення фази пересиченого твердого розчину азоту в Со сприяє підвищенню її мікротвердості, міцності, що, звичайно, виражається в поліпшенні механічних властивостей твердого сплаву в цілому.

З іншого боку, незв'язаний в сполуки азот має високу дифузійну рухливість (особливо при високих температурах в умовах експлуатації) і сприяє зниженню сили тертя в результаті декількох ефектів, створюваних іонним азотуванням. По-перше, при наявності активного азоту на поверхні твердого сплаву проходить інтенсивне утворення адсорбційних шарів, що виконують роль проміжного "третього" середовища в парі тертя, тобто своєрідного мастила. По-друге, частина атомів азоту в процесі тертя замінюється більш активними атомами кисню, чим забезпечуються умови для утворення вторинних окисних структур, що є найбільш оптимальним з точки зору корозійно-окислювального зносу. Даний механізм повністю підтверджується дослідженнями впливу іонного азотування на коефіцієнт тертя та інші контактні характеристики при різанні азотованим твердосплавним інструментом.

Прониклі атоми азоту розміщуються в дефектних областях: місцях скупчень вакансій, дислокацій і особливо на міжзернових та міжфазових границях. Цей ефект приводить до зв'язування лінійних і точкових дефектів, створення своєрідних енергетичних бар'єрів на шляху їх переміщення і блокування їх переходу в субмікроскопічні, а потім і магістральні тріщини. Окрім того, дифундуючи по границі розподілу карбідних зерен і кобальтової зв'язки, атоми азоту здатні підсилювати хімічні зв'язки на цій поверхні, викривляти і розширювати самі границі і цим зміцнювати весь композит.

Добре відомо про підвищення пластичності після іонного азотування в матеріалах із розвиненою зоною внутрішнього азотування. При іонному азотуванні в безводневому середовищі усувається шкідливий вплив водню, зменшується імовірність водневого окрихчування. Тверді сплави за своєю природою є крихкими, при чому їх підвищена крихкість при кімнатній температурі в значній мірі визначається дефектністю в'яжучої фази. В міру росту температури вплив внутрішніх концентраторів напружень, пов'язаних із дефектністю зв'язки, помітно згладжується внаслідок набуття нею деякої пластичності. В результаті цього імовірність руйнування знижується, так як ріст локальних напружень затримується, а рівень середніх напружень ще не досягає критичних значень. В цьому аспекті в'яжуча фаза більш рівномірно розподіляє напруження між окремими зернами карбідів. Таким чином, підвищення пластичності кобальтової фази внаслідок іонного азотування твердого сплаву приводить до загального вирівнювання навантаженості окремих зерен, блоків, повнішого використання їх ресурсу і, в кінці кінців, підвищення міцності твердого сплаву в цілому.

В процесі експлуатації твердосплавного інструменту проходить дифузія матеріалу зв'язки (Со) в стружку і заліза стружки в твердий сплав, що сприяє інтенсифікації так званого дифузійного зносу. Стимульовані іонним бомбардуванням атоми азоту в процесі азотування максимально використовують і заповнюють всі можливі канали, вакансії для дифузійного розчинення. Створений азотований шар служить своєрідним бар'єром для протікання дифузії між твердосплавним і оброблюваним матеріалом в процесі різання.

Таким чином, інтенсивність зношування твердосплавного матеріалу, що визначається стійкістю проти стирання кобальтової зв'язки, інтенсивністю поступового зношування карбідних зерен та стійкістю останніх проти виривання із композиту, може бути суттєво знижена розробленою технологією. Проведені дослідження показують, що в результаті іонного азотування підвищення зносостійкості при адгезійно-втомному зношуванні твердого сплаву відбувається в результаті впливу таких основних факторів: створення в поверхневому шарі залишкових напружень стиску до 150 МПа, заліковування мікродефектів, підвищення антифрикційних властивостей та зменшення розсіювання і підвищення середніх значень механічних характеристик.

В третьому розділі експериментально досліджено вплив іонного азотування на характеристики тертя і зносостійкість твердосплавного інструменту при токарній обробці.

Досліджувався вплив нанесеного покриття на силове навантаження ріжучих поверхонь, коефіцієнт тертя та середню температуру в зоні контакту оброблюваного матеріалу з інструментом. Методика базувалась на фактичному визначенні діючих на різець сил з допомогою динамометра УДМ-100 і вимірювання термоелектрорушійної сили за методом натуральної термопари оброблюваний матеріал - інструмент.

Середній коефіцієнт тертя на передній поверхні встановлювався на основі результатів експериментально отриманих силових залежностей, де сили F1 і N1 визначались із системи рівнянь

, (2)

де Px, Py, Pz - проекції сили різання на осі x, y, z;

- головний передній кут інструменту;

F2, N2 - тангенціальна і нормальна сили на задній поверхні інструменту, які встановлювались методом екстраполяцiї силових залежностей Pz=f(Sр) i Pxy=f(Sр) на нульову товщину зрiзу.

Графічна залежність (рис. 4а) головної сили різання Рz від поверхневої обробки показує зниження силового навантаження після іонного азотування твердосплавної пластини в усьому діапазоні швидкостей різання по сталі 45. Таке ж стабільне зниження сил різання зафіксовано і для сталей 40Х і 03Х18Н10Т (табл. 1). При цьому, завдяки зниженню середньої контактної температури в азотованого інструменту, діапазон стабілізації залежності Pz=f(Vр) зсувається вправо по осі абсцис, що, згідно відомих методів визначення оптимальної швидкості різання, свідчить про її підвищення на 20%.

Таблиця 1. Вплив покриття на характеристики процесу тертя і різання твердосплавним інструментом

Оброблюваний матеріал	Інструмент	Vр, м/хв	Px, Н	Py, Н	Pz, Н	??	Тр, мВ
Сталь 45	Т15К6-но	130	330	450	930	0.82	12.8
Сталь 45	T15K6-ia	130	300	390	860	0.75	12.2
40Х	Т15К6-но	120	380	520	1200	0.80	18.5
40Х	Т15К6-іа	120	360	450	1100	0.74	18.2
03Х18Н10Т	Т15К6-но	100	350	410	820	0.92	12.0
03Х18Н10Т	Т15К6-іа	100	320	370	750	0.87	11.8

В усьому діапазоні досліджених режимів різання спостерігається зниження середнього коефіцієнта тертя після іонного азотування різальних пластин. Розходження кривих 1 і 2 (рис. 5а) збільшується з ростом швидкості різання і досягає максимуму в зоні оптимальних швидкостей різання (150...180 м/хв).

Для визначення ефективності запропонованого методу поверхневої обробки проведено експеримент із встановленням інтенсивності зношування інструменту після іонного азотування і без нього при однакових інших умовах. Для дослідження вибрано твердосплавні пластини марки Т15К6-Р10 03114 12040-8 ГОСТ 19052-80. Проводилась токарна обробка сталі 40Х (НВ 220 після термообробки - поліпшення) з такими режимними параметрами: Vр=120 м/хв, Sр=0,2 мм/об, tр=1мм, =13o, без мастильно-охолоджувальної рідини. Інтенсивність зношування визначалась як відношення приросту лінійного зносу до шляху, на якому він заміряний.

Аналіз графіків лінійного зносу (рис. 6) показує, що криві зносу можна розділити на дві ділянки: перша - приробіткового зносу, друга - сталої інтенсивності зношування (рівномірного зносу). На ділянці рівномірного зносу отримано зниження середньої інтенсивності зношування в 2,2 рази. Крім того, в інструментів, підданих іонному азотуванню, зафіксовано значне зменшення величини приробіткового зносу і збільшення самого періоду приробітку.

В четвертому розділі проведено остаточну розробку технології іонного азотування в безводневих середовищах в застосуванні її до підвищення довговічності твердосплавного інструменту. Використовувалась стаціонарна установка УАТР-1, для якої розроблено спеціальні пристосування і поопераційну технологію.

Для виявлення найоптимальніших режимів проведено дослідження із встановленням залежності довговічності різального інструменту груп ВК та ТК від зміни технологічних параметрів. Використання методу планування експерименту - плану другого порядку Хартлі - дозволило дослідити вплив чотирьох головних параметрів технологічного процесу, а саме: температури Т, тиску р, тривалості процесу дифузійного насичення та складу робочої суміші СAr (об'ємної концентрації Ar в азотно-аргоновій робочій суміші). На основі досвіду проведених попередніх випробувань прийнято довірчі рівні зміни вхідних факторів в таких інтервалах: Т=540...660оС, р=80...400 Па, =20...240 хв, СAr=0...76%. Проведення експерименту за 17 режимами дозволило отримати коефіцієнти рівняння регресії, тобто подати вказані залежності у вигляді повного квадратичного полінома. Наприклад, для інструменту ВК8

Nд=630-27T+12p+35+50CAr-79T2-121p2-1742-139CAr2+

+133Tp+123T+118TCAr-98p+133pCAr-233CAr , (3)

для Т5К10

Nд=720-24,4T+45p+30+75CAr-125T2-125p2-1402-165CAr2-

-288Tp-123T+62,5TCAr-358p+92,5pCAr+113Car (4)

Побудовано графічні залежності, які показують, що всi технологiчнi параметри процесу насичення виявляють суттєвий вплив на довговiчнiсть твердосплавного iнструменту, в основному з явно вираженими екстремумами. Отримано оптимальні значення технологічних параметрів і проведено перевірку, яка показала, що вони забезпечують максимальне підвищення довговічності інструменту в реальних умовах експлуатації.

В п'ятому розділі приводяться документально підтверджені результати промислових випробувань твердосплавного інструменту, підданого зміцнювальній обробці методом іонного азотування. Коефіцієнт підвищення зносостійкості залежав від умов роботи інструменту і на токарних операціях складав 2,5...3,6 рази, а на фрезерних - 2,2...2,6 рази.

Проведено розрахунок економічної ефективності та обгрунтовано доцільність застосування технології іонного азотування твердосплавного інструменту з метою підвищення його зносостійкості і довговічності.

Висновки

1. Проведено детальний аналіз застосування відомих фізико-хімічних методів поверхневої і об'ємної обробки для підвищення зносостійкості твердосплавного інструменту та показано перспективність застосування з цією метою методу іонного азотування в безводневих середовищах.

2. Встановлено, що в результаті іонного азотування підвищення зносостійкості при адгезійно-втомному зношуванні твердого сплаву відбувається в результаті впливу таких факторів: створення в поверхневому шарі залишкових напружень стиску, заліковування мікродефектів, підвищення антифрикційних властивостей та зменшення розсіювання і підвищення середніх значень механічних характеристик.

3. Встановлено, що після іонного азотування різальних пластин проходить зниження діючих на різець сил і коефіцієнта тертя на 15% в діапазоні оптимальних швидкостей різання. За рахунок зниження температури в контакті між різцем і оброблюваним матеріалом оптимальна швидкість різання підвищується на 20%.

4. Одержано аналітичні залежності зносостійкості твердосплавного інструменту від технологічних параметрів процесу іонного азотування і розроблено оптимальні режими зміцнення різального інструменту.

5. Проведеними виробничими випробуваннями встановлено, що ефект від застосування інструменту, зміцненого за розробленою технологією, на металообробних операціях машинобудівних заводів становить 2,2 - 3,6 рази. Низька собівартість зміцнювальної обробки інструменту і високий ефект від застосування дозволяють рекомендувати її до широкого застосування в інструментальному виробництві.

іонний азотування різальний твердосплавний

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Каплун В.Г., Гладкий Я.М., Снозик О.В. Дослідження ефективності іонного зміцнення твердосплавного інструменту // Problems of Tribology (Проблеми трибології). - 1996. - №1. - С. 81-84.

2. Снозик О.В., Ковтун І.І. Дослідження міцності азотованих твердосплавних інструментів і акустичної емісії, що виникає при їх навантаженні // Вісник Технологічного університету Поділля. - 1997. - №1. - С. 49-52.

3. Снозык А.В. Исследование внутренних напряжений в твер-досплавном материале, вызванных упрочняющей обработкой // Problems of Tribology (Проблеми трибології). - 1998. - №1. - С. 147-149.

4. Каплун В.Г., Пастух І.М., Снозик О.В. Оптимізація параметрів режиму іонного азотування твердосплавного інструменту // Проблеми сучасного машинобудування. - Хмельницький: ТУП, 1996. - С. 104-106.

5. Каплун В.Г., Снозик О.В., Гаврилюк С.М. Іонна технологія для підвищення довговічності різців із твердих сплавів // Зб. матер. III наук-техн. конф. Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва. - Хмельницький: ТУП. - 1995. - С. 228-230.

6. Патент на винахід №23328 А, МКВ С23С8/36. Україна. Спосіб хіміко-термічної обробки твердосплавних пластин / В.Г. Каплун, О.В. Снозик (Україна). - 4 с.; Опубл. 31.08.98, Бюл. №4.

7. Снозик О.В., Каплун В.Г. Дослідження зносостійкості твердосплавного інструменту, зміцненого іонним азотуванням // Тези доп. наук-практ. конф Технологічний університет в системі реформування освітньої та наукової діяльності Подільського регіону. - Хмельницький: ТУП. - 1995. - Ч. 1. - С. 118.

8. Снозик О.В., Гладкий Я.М. Вплив дифузійного покриття на умови різання твердосплавним інструментом // Тези доп. наук-практ. конф. Технологічний університет в системі реформування освітньої та наукової діяльності Подільського регіону. - Хмельницький: ТУП. - 1995. - Ч. 2. - С. 309.

9. Снозик О.В. Випробування твердосплавного інструменту, підданого іонному азотуванню з метою підвищення його зносостійкості // Тези доп. наук. конф. молодих вчених та студентів. Частина 2. - Київ: ДАЛПУ. - 1997. - С. 25.

Анотація

Снозик О.В. Підвищення зносостійкості твердосплавного інструменту методом іонного азотування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 - тертя та зношування в машинах. - Технологічний університет Поділля, Хмельницький, 1999.

В дисертації розроблено ефективну технологію підвищення зносостійкості і довговічності твердосплавного різального інструменту, основану на методі іонного азотування в безводневих середовищах.

Вплив іонного азотування полягає в створенні дифузійного шару глибиною до 50 мкм з високими антифрикційними властивостями, залишковими напруженнями стиску, підвищеними механічними характеристиками та їх однорідністю, що в кінцевому підсумку дає ефект із довговічності твердосплавного інструменту в реальних умовах експлуатації в 2,2 - 3,6 рази.

Ключові слова: зносостійкість, довговічність, іонне азотування, антифрикційні властивості, залишкові напруження, механічні характеристики, твердосплавний інструмент.

Аннотация

Снозык А.В. Повышение износостойкости твердосплавного инструмента методом ионного азотирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 - трение и износ в машинах, Технологический университет Подолья, Хмельницкий, 1999.

В диссертации разработано эффективную технологию повышения износостойкости и долговечности твердосплавного режущего инструмента, основанную на методе ионного азотирования в безводородных средах.

Влияние ионного азотирования заключается в образовании диффузионного слоя толщиной до 50 мкм с максимальной концентрацией азота у поверхности около 5%. Это приводит к образованию пересыщенного твердого раствора азота в кобальте. В поверхностном слое наводятся остаточные напряжения сжатия, залечиваются микродефекты, повышаются твердость, прочность и, что особенно важно, однородность физико-механических свойств.

При резании ионноазотированным инструментом снижаются силы резания и коэффициент трения, максимальный эффект (до 15%) достигается в диапазоне оптимальных скоростей резания. Кроме того, зафиксировано снижение средней контактной температуры, что свидетельствует о повышении оптимальной скорости резания (до 20%). В лабораторных условиях ионное азотирование повышает износостойкость инструмента Т15К6 в 2,2 раза. В промышленных условиях эксплуатации, за счет снижения количества сколов и выкрашиваний режущего лезвия, долговечность азотированного твердосплавного инструмента повышается в 2,2-3,6 раза, что подтверждается проведенными производственными испытаниями.

Исследовано влияние технологических режимов ионного азотирования и установлено оптимальные режимы разработанной технологии для повышения долговечности твердосплавного инструмента групп ВК и ТК в условиях токарной обработки конструкционных материалов.

Ключевые слова: износостойкость, долговечность, ионное азотирование, антифрикционные свойства, остаточные напряжения, механические характеристики, твердосплавный инструмент.

Summary

Snozyk O.V. Increasing of hard-alloy tools wear-resistance by the ion-nitriding method. - Manuscript.

The dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 05.02.04 - Friction and wear in machines, Technological University of Podillia, Khmelnitsky, 1999.

The effective technology of hard-alloy cutting tools durability increasing, based on the method of ion-nitriding in hydrogen-free environment is elaborated.

Ion-nitriding influence consists in forming of diffusion coating up to 50 mkm depth, with high antifrictial properties, compression residual stresses, enhanced mechanical characteristics and their uniformity, that finally gives effect of hard-alloy cutting tools durability increasing for 2,2 - 3,6 times in real exploring conditions.

Key words: wear-resistance, durability, ion-nitriding, antifrictial properties, residual stresses, mechanical characteristics, hard-alloy tool.

Размещено на Allbest.ur