Анализ методов упрочнения деталей машин и режущих инструментов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ методов упрочнения деталей машин и режущих инструментов

И.Т. Сычев, И.А. Соколова

Увеличение срока эксплуатации и износостойкости деталей машин и инструмента путем упрочнения является важной задачей, решение которой способствует значительному увеличению их долговечности и обеспечивает экономию дорогих и дефицитных материалов, энергии, трудовых ресурсов. В машиностроении широко применяют разнообразные методы упрочнения, выбор которых зависит от свойств режущего и обрабатываемого материала, условий эксплуатации и экономической эффективности использования метода упрочнения.

композиционные упрочняющие покрытия, лазерное упрочнение и легирование, электроискровое легирование, эпиломирование, магнитно-импульсная обработка

износостойкость деталь машина упрочнение

ВВЕДЕНИЕ

Одно из наиболее перспективных направлений повышения надежности и долговечности изнашивающихся деталей машин и инструмента - упрочнение или модифицирование рабочих поверхностей за счет создания поверхностных слоев с более высокими механическими и триботехническими показателями.

Анализ научных источников показал, что упрочнение поверхности может осуществляться с помощью покрытий, термической обработкой или с использованием различных видов энергии. При этом, опыт лабораторных исследований и практики эксплуатации показывает, что трудно выбрать универсальный способ обработки, так как каждый из них раскрывает свои потенциальные возможности в определенном случае, часто в весьма узком диапазоне параметров эксплуатации.

МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ изнашивающихся деталей ДЛЯ «ТЯЖЕЛЫХ» режимОВ трения

Узлы изделий, работающих в «тяжелых» режимах трения, широко используют методы поверхностного упрочнения. На износостойкость пары трения влияет комплекс физико-механических характеристик: прочностные, пластические и твердость. На износостойкость особое влияние оказывает поверхностный слой, так как он воспринимает нагрузки и осуществляет контакт с внешней средой.

С другой стороны, поверхностные слои имеют и больше дефектов (поры, микротрещины, включения неординарного кристаллического строения и др.), чем весь объем детали.

В процессе изнашивания контактирующие поверхности должны успешно сопротивляться пластическим деформациям, срезу - сколу микрообъемов материала, внедрению твердых частиц (абразивные частицы из внешней среды, отделившиеся частицы или наросты при адгезии), а также воздействию агрессивных сред и температур.

Основное воздействие воспринимается тонким поверхностным слоем, а остальное сечение материала воспринимает лишь незначительную долю, вследствие инерционности материалов. Поэтому необходимо дифференцировать физико-механические свойства поверхностных слоев и остального сечения, что достигается различными методами поверхностного упрочнения.

Рассмотрим наиболее применяемые методы, при этом за критерий оценки упрочняемых слоев принимаем твердость - единственную характеристику материала, получаемую методами неразрушающего контроля (таблица).

Таблица. Применяемость методов поверхностного упрочнения деталей в зависимости от твердости упрочненных поверхностей

Из таблицы видно, что твердость покрытий упрочняемых слоев выше более чем в два раза. Однако только по твердости поверхности нельзя полностью судить о достоинствах метода. Необходимо учитывать положительные и отрицательные составляющие других методов, сравнивая механические свойства, необходимые для области применения.

ППД - повышает твердость, снижает пластичность, имеет низкую абразивную износостойкость.

ТО - «рабочим» порогом режима изнашивания является температура в зоне трения, которая составляет 150^-200⁰ С.

ХТО - увеличивает износостойкость, которая определяется температуростойкостью химических соединений. Так, азотирование выдерживает температуру до 600-650, а борирование до 900⁰С и выше.

Наплавленные и напыленные покрытия отличаются высокой износостойкостью, которая зависит от химического состава наносимого покрытия, но требует усложненной технологии, включая подготовительные операции и операции для снятия внутренних напряжений. Для напыления требуется также вводить операцию по увеличению прочности сцепления покрытия с основой (термодеформированное расслаивание).

Лазерное упрочнение позволяет получать тонкие слои, отличные от структуры ТО, вследствие высоких скоростей нагрева слоев. Недостаток этого способа упрочнения - низкий температурный порог, который составляет температуру около 200⁰ С.

Детонационная обработка позволяет получить более качественное по сравнению с напыленным покрытие, не требует деформационного рассасывания. К недостаткам метода можно отнести сложность реализации технологического процесса и трудность установки детали в технологическом оборудовании.

Композиционные покрытия в настоящее время получили наибольшее применение. Основные достоинства: возможность получения достаточно толстых слоев (до 4 мм); использование износостойких композиций порошков из твердого сплава, релита, боридов и специальных сплавов; создание покрытий с твердой смазкой, где в качестве наполнителей используются графит, дисульфид молибдена, сульфиды, селениды и др.

Несмотря на существенные преимущества, методы не получили широкого применения из-за ряда существенных недостатков: сложность технологии нанесения покрытия, включая операции специальной подготовки для герметизации зоны упрочнения; применение высоких температур (до 1200⁰); наблюдаются температурные деформации и напряжения, так как вся система упрочнения подвергается нагреву; применение дорогостоящих материалов как в качестве матрицы (серебро, никель, кобальт, медь), так и в качестве наполнителей (бориды, карбиды, твердый сплав); необходимость включения операций по снятию внутренних напряжений.

Анализируя методы поверхностного упрочнения, следует отметить, что, увеличивая твердость, снижаем пластичность, которая приводит к уменьшению опасности схватывания сопряженных поверхностей, с одной стороны. С другой стороны, снижение пластичности повышает чувствительность к местным высоким давлениям, которые могут привести даже к местному разрушению поверхности.

Итак, в упрочненном поверхностном слое необходимо обеспечить достаточную пластичность, высокую твердость и прочность. Эти требования можно реализовать только в композиционном покрытии, организуя упрочненный слой, состоящий из пластичной основы (матрицы) с твердыми включениями.

МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ металлорежущего инструмента

Работоспособность металлорежущего инструмента может быть обеспечена только в том случае, если его рабочая часть выполнена из материала, обладающего достаточной твердостью, прочностью, износостойкостью, температуростойкостью и теплопроводностью. Покрытие, наносимое на рабочие поверхности инструмента, является достаточно универсальным и надежным средством, с помощью которого можно по-новому подойти к проблемам совершенствования свойств материала инструмента, повышения его работоспособности и управления процессом резания.

Инструментальный материал с износостойким покрытием является новым материалом композиционного типа, в котором оптимально сочетаются свойства поверхностного слоя (высокие значения твердости, теплостойкости, пассивности по отношению к обрабатываемому материалу и т. д.) и свойства, проявляющиеся в объеме тела инструмента (прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т. д.). Инструмент из твердого сплава с композиционным покрытием имеет высокую сопротивляемость адгезионно-усталостному и диффузионному изнашиванию при температуре 600-1100⁰С. Покрытие повышает сопротивляемость инструмента из быстрорежущей стали абразивному и адгезионно-усталостному изнашиванию, значительно повышает устойчивость к коррозионно-окислительному изнашиванию [1].

Получение инструмента с покрытием с помощью химического и физического осаждения металла имеет недостатки: сложность технологии нанесения покрытия, включая операции специальной подготовки для герметизации зоны упрочнения и использование высоких температур; температурные деформации и напряжения как следствие нагрева; применение дорогостоящих материалов.

Для нивелирования указанных отрицательных сторон процесса предлагается схема нанесения композиционного многослойного покрытия для твердосплавного инструмента. Покрытие содержит несколько промежуточных слоев, каждый из которых имеет собственное функциональное назначение: обеспечение прочной связи многослойного покрытия с рабочими поверхностями инструмента; осуществление адгезионной связи между функциональными слоями; выполнение барьерных функций, например, увеличение термодинамической устойчивости покрытия при повышенных скоростях резания и др. Все соединения, широко применяемые в качестве покрытий, характеризуются увеличением микротвердости до 2,5 ГПа, но являются достаточно хрупкими, что заметно сужает область их применения. Поэтому особый интерес вызывают покрытия из наноматериалов. Поверхностные покрытия в виде тонкой пленки имеют характеристики, значительно отличающиеся от объемного (монолитного) материала, причем, чем тоньше пленка, тем она прочнее [2].

Совершенствование твердого сплава с покрытием всегда направлено на борьбу с хрупкостью его поверхностного слоя. В последнее время используются покрытия, получившие название «Low stress coating», технологический процесс заключается в нанесении многослойного покрытия на твердосплавную подложку по стандартной технологии. После этого передняя поверхность пластин полируется по передней поверхности, в результате чего полностью снимается слой нитридов титана и верхний слой оксида алюминия толщиной всего 2..3 мкм от общей толщины покрытия, что дает возможность снизить уровень внутренних растягивающих напряжений в 2 раза и убрать большую часть зародышей трещин [3].

Упрочнение режущего инструмента из быстрорежущей и легированной стали методом карбонитрации в газообразных продуктах, карбоазотировании в безводородной плазме тлеющего разряда (ХТО) повышает твердость, износостойкость и теплостойкость инструмента. После азотирования инструмент выдерживает температуру до 600-650, а при его борировании - до 900⁰С и выше. Полученные после карбонитрации диффузионные слои толщиной от нескольких микронов (для мелкоразмерного инструмента) до 0,01-0,02 мм обеспечивают повышение стойкости инструмента в 1,5-2 раза. Испытания отрезных резцов, сверл, метчиков, разверток, упрочненных карбоазотированием, показали, что по стойкости они в 2-2,5 раза превосходят неупрочненный инструмент [4].

Использование для поверхностной закалки концентрированной плазменной струи мощностью 30 кВт, генерируемой плазмотроном косвенного действия с секционированной межэлектродной вставкой [5], обеспечивает закалку на значительную глубину (3,0-3,5 мм). В этой связи представляет практический интерес упрочнение малогабаритного инструмента (резцов, сверл, штампов и т.п.) из низколегированной инструментальной стали 9ХФ и быстрорежущей стали Р6М5 при закалке мощной плазменной струей. Но процесс упрочнения требует усложненной технологии, включая подготовительные операции и операции для снятия внутренних напряжений.

Лазерное упрочнение (ЛУ) режущего инструмента из быстрорежущих и легированных сталей производится импульсным облучением рабочих кромок инструмента на лазерной технологической установке [6]. При этом стойкость инструмента может быть повышена в 1,5-3 раза. Под воздействием лазерного излучения происходит скоростной нагрев металла в области аустенитного состояния и последующее охлаждение металла. Упрочненный слой имеет особо дисперсную аустенитно-мартенситную структуру. В результате на поверхности образуется слой толщиной 60-80 мкм микротвердостью 1100-1200 Н/мм². Но процесс ЛУ не способствует сохранению необходимого для инструмента уровня пластичности. Недостатком является также нарушение геометрии инструмента из-за оплавления без увеличения глубины проплавления.

Лазерное поверхностное легирование является перспективным технологическим методом обеспечения и повышения надежности различного инструмента (штампы, пресс-формы, режущие инструменты), рабочие поверхности которых подвергались импульсному лазерному легированию с использованием пастообразных составов. После экспериментов в производство был внедрен процесс с использованием пасты, содержащей мелкодисперсные порошки бора и твердого сплава с добавками фторидных активаторов, размешанные в глицерине до густого состояния. Окисная пленка приводит к сокращению времени достижения фиксированной величины износа на участке приработки по передней поверхности инструмента в 2-3 раза по сравнению с неупрочненным инструментом, к существенному расширению диапазона режимов резания, и при этом ожидаемое снижение температуры резания составляет 100-120°С.

Перспективным способом повышения долговечности инструментов из углеродистых и легированных сталей является магнитно-импульсная обработка их полем малой напряженности при комнатной температуре. Но и этот метод имеет ряд недостатков: ограничения в применении по толщине и габаритам; зависимость качества обработки от магнитной проницаемости материала. Это объясняется тем, что режимы магнитно-импульсного воздействия не обеспечивают требуемой структуры.

Процесс электроакустического напыления, основанный на совместном использовании энергии электроискрового разряда и ультразвука, увеличивает долговечность работы быстрорежущего инструмента. Механические продольно-крутильные ультразвуковые колебания, сообщаемые электроду, образуют при контактировании с обрабатываемой поверхностью межэлектродный зазор.

Электроискровое легирование (ЭЛ) сверл, фрез и другого режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали, увеличивает его стойкость в 1,5-2 раза [6]. Вместе с тем ЭЛ отличается рядом недостатков, главным из которых является формирование во многих случаях недопустимого уровня остаточных напряжений растяжения и неприемлемой шероховатостью обработанных поверхностей.

Повышение стойкости режущего инструмента может быть получено нанесением эпилама на поверхность инструмента - упрочнение режущего инструмента методом эпиламирования. Эпиламы представляют собой композиции, состоящие из растворителя или смеси растворителей, которые содержат поверхностно-активное вещество (фтор). Из раствора поверхностно-активное вещество адсорбируется на твердой поверхности в виде мономолекулярного слоя, снимая микротвердость, а следовательно, поверхностную энергию. При нанесении эпилама на поверхность режущего инструмента износостойкость его повышается в 2-5 раз. Чрезвычайно высокая химическая активность фтора является существенным недостатком эпиломирования.

В настоящее время высокоэнергетические методы поверхностного упрочнения рабочего профиля режущих кромок инструмента, такие как лазерное и плазменное упрочнение, магнитно-импульсная обработка, используются ограниченно (в основном из-за высокой стоимости оборудования, сложности технологических процессов). Основными методами упрочнения лезвийного инструмента пока остаются объемная закалка и закалка с нагревом ТВЧ, которые сопряжены с короблением рабочего профиля инструмента, возникновением термических напряжений и другими недостатками.

ВЫВОДЫ

Многочисленные результаты исследований показывают убедительные преимущества инструмента и деталей машин с новыми покрытиями и подтверждают перспективность новых разработок. К перспективным технологиям ближайшего будущего можно отнести и совмещение имплантации с нанесением покрытий, а также работы в области совмещения термической обработки изделий с нанесением покрытий.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод: рассматриваемые методы упрочнения имеют определенные недостатки; их применение для деталей и инструмента требует усовершенствования конкретных технологических процессов и дальнейших исследований; одновременно необходимо проводить поиск новых методов.

Список используемЫХ литературных источников

1. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1993. - 336 с.

2. Маслов А.Р. Перспективные высокие технологии: справочник // Инженерный журнал. -2008. - № 1. - С.10-24.

3. Шведков Е.Л., Ковенский И.И. О классификации методов нанесения покрытий (терминологический аспект) // Вестник машиностроение. - 1988. - № 9. С.54-57.

4. Андрейчик М.А., Матюшенко В.Я. Некоторые аспекты технического наводороживания металлов и его влияние на износостойкость // Долговечность трущихся деталей машин. - 1986. - № 1. - С. 191-195.

5. Ильин В.М., Кравец А.Н. Повышение надежности инструмента лазерным легированием // Вестник машиностроения. - 1987. - № 1. - С. 44-46.

6. Хронусов В.С., Сидоренко Л.Д. Влияние электроискровой упрочняющей обработки на износ разделительных штампов // Вестник машиностроения. - 1987. - № 2. - С.53-55.

Размещено на Allbest.ru