Теоретичні і технологічні основи комплексного зміцнення інструментових матеріалів з використанням висококонцентрованого плазмового нагріву

Можливість використання економнолегованих наплавлювальних матеріалів обмежена відносно малою кількістю марок, що серійно випускаються. Одним з шляхів вирішення цієї проблеми є використання наплавлення під сумішшю керамічних (наприклад, відомого ЖСН-5) та плавлених (АН-348А) флюсів. Це дозволяє у певних межах регулювати склад металу, причому не тільки вміст легуючих компонентів, а й вуглецю. Показником складу (ступеню легування) у дослідженнях було прийнято вуглецевий еквівалент Се, який змінювався у межах 0,8...2,1%. Для порівняння досліджувались також наплавлені метали З5В9Х3ФС, 25Х5ФМС, 20Х2М2НФ (останні два - тієї ж системи Cr-Mo-V). Встановлено, що твердість Cr-Mo-V-наплавленого металу з підвищенням вуглецевого еквіваленту лінійно зростає як у вихідному стані, так і після плазмового зміцнення. Для всіх досліджених складів зона плазмового гартування має високодисперсну структуру. В'язкість руйнування з підвищенням Се до 1,8% в обох станах знижується в незначній мірі. При цьому для всіх складів КID після плазмового зміцнення вище, ніж у вихідному стані, що пов'язане з реалізацією мікров'язкого ямкового (Се до 1,8%) або квазісколу (Се більше 1,8%) у якості переважаючих механізмів руйнування. Для всіх складів, крім 35Х7ГМФС, після поверхневої обробки встановлено гальмування руйнування на межі зміцненого шару. Результати досліджень дозволяють вибирати оптимальні склади економнолегованого наплавленого металу, які у поєднанні з плазмовим зміцненням отримують потрібний рівень твердості у сполученні з відповідним рівнем в'язкості руйнування.

Гальмування руйнування на межі шару плазмового зміцнення, встановлене для широкого кола зміцнених матеріалів, неодмінно позитивно впливає на працездатність інструменту. Потрібно відзначити, що цей ефект встановлений і для інших способів поверхневого зміцнення. Однак він залишається маловивченим, насамперед з-за відсутності чітких кількісних характеристик, що визначають ступінь підвищення в'язкості руйнування поверхнево-зміцнених матеріалів завдяки зупиненню тріщини. Суттєвий вплив на механізм руйнування таких матеріалів має характер розподілу внутрішніх власних (залишкових) напруг. Тому для більш глибокого вивчення особливостей гальмування руйнування були виконані дослідження залишкових напруг в інструментових сталях 90ХФ та Р6М5 після плазмового зміцнення (як у вихідному стані, так і об'ємно-гартованому). За спосіб дослідження було взято рентгенівський sin2y-метод - як найбільш точний і локальний. Встановлено, що поверхнева обробка інструментових сталей потужним висококонцентрованим плазмовим струменем призводить до виникнення у гартованому шарі великих стискаючих залишкових напруг, які на межі цього шару стрибкоподібно зменшуються, змінюють знак і переходять у розтинаючі. Виникнення внутрішніх напруг при плазмовому гартуванні викликане поверхневими термічними ефектами і не пов'язане, як при лазерному гартуванні, з фазовими та структурними перетвореннями.

Механізми гальмування руйнування у шаруватих інструментових матеріалах з поверхневим зміцненим шаром досліджені при вивченні поверхнів зломів на скануючому електронному мікроскопі. Встановлені якісні різниці у гальмуванні тріщин у шаруватих матеріалах, отриманих наплавленням або плазмовим поверхневим зміцненням. В обох випадках при динамічному руйнуванні на межі шарів утворюються вторинні тріщини зсуву, однак вплив їх на характер розвитку магістральної тріщини має свої особливості і залежить, з одного боку, від адгезійної міцності зчеплювання шарів, а з другого боку - від характеру розподілу внутрішніх напруг.

В шаруватих наплавлених матеріалах (особливо з внутрішнім м'яким шаром низьковуглецевої або високолегованої сталі аустенітного чи феритного класу) виникнення вторинної тріщини зсуву призводить до утворення розшарувань на межі шарів, що пов'язане з низькою адгезійною міцностю по смузі сплавлення. Причому, утворення розшарувань відбувається як при переході тріщини з крихкого до пластичного шару, так і з пластичного до крихкого. Такий механізм гальмування руйнування з утворениям розшарувань відомий у механиці композиційних матеріалів як механізм Кука-Гордона. На теперішній час вважається, що гальмування тріщин у шаруватих композиційних матеріалах відбувається саме за таким механізмом. Однак при руйнуванні поверхнево-зміцнених інструментових матеріалів утворення розшарувань на межі шарів не відбувається. Коли смуги з'єднання шарів як такової немає і суміжні шари є тим самим металом, але у різному структурному стані, магістральна тріщина у цьому місці лише змінює свій напрямок - віткується, що призводить до утворення на поверхнях зломів специфічних сходинок. Як встановлено дослідженнями, віткуванню тріщини сприяє характер розподілу внутрішніх напруг - стрибкоподібна зміна величини і знаку напруг, перехід від стискаючих до розтинаючих і, тим самим, виникнення локальних дотичних напруг, які й призводять до зміни напрямку розвитку магістральної тріщини. При віддаленні від межи шарів у вихідний метал дотичні напруги зникають і під дією зовнішнього навантаження траєкторія тріщини знову виходить на магістральний напрямок. Віткування тріщини також може бути як при переході від твердого до м'якого шару, так і від м'якого до твердого.

Для оцінки впливу гальмування тріщини на в'язкість руйнування зміцнених виробів велике значення має встановлення механізму розвитку вторинних тріщин зсуву. Електронно-мікроскопічні дослідження поверхні зломів довели, що вторинні тріщини зсуву виникають за мікров'язким ямковим механізмом незалежно від складу інструментової сталі та попередньої обробки. У той самий час, гальмування руйнування встановлене не для всіх вивчених інструментових матеріалів - воно відсутнє при руйнуванні заевтектоїдної сталі 150ХНМ, високоміцного чавуну, наплавленого металу 35Х7ГМФС, які є дуже крихкими у будь-якому стані. Тому ще одна умова гальмування руйнування у поверхнево-зміцнених матеріалах - наявність анізотропії властивостей у сусідніх шарах. У дисперсно-зміцнених композиційних матеріалах (у нашому випадку - зпечені тверді сплави після плазмової обробки) наявність анізотропії властивостей призводить до віткування тріщини на мікрорівні - т.з. розсіювання енергії руйнування.

Для кількісної оцінки в'язкості руйнування поверхнево-зміцнених інструментових сталей з урахуванням гальмування руйнування запропоновано використовувати динамічний коефіцієнт інтенсивності напруг на стадії зупинки тріщини KaID, який визначається по діаграмах динамічного руйнування. При його визначенні у якості розрахункової величини зусилля РCD слід брати різницю Pq - Pa, де Pq - зусилля, відповідне старту тріщини у поверхневому зміцненому шарі; Pa - зусилля, відповідне моменту зупинки тріщини на межі зміцненого шару. В якості розрахункової довжини зупиненої тріщини l - у першому наближенні можна використовувати глибину зміцненого шару з урахуванням надрізу, яка достатньо легко і точно визначається на зломах зруйнованих зразків. Результати розрахунків свідчать, що в дійсності динамічна в'язкість руйнування зміцнених інструментових сталей характеризується більшою KaID у порівнянні з інтегральною характеристикою КID. Причому, більш ефективно гальмування руйнування впливає на тріщиностійкість високовуглецевих легованих сталей 90ХФ та Р6М5. Наприклад, для сталі 90ХФ: у вихідному стані - КID = 14,6 МПаЧм1/2; після плазмового зміцнення у вихідному стані - КID = 9,3 МПаЧм1/2; KaID = 19,2 МПаЧм1/2; після об'ємного гартування - КID = 4,5 МПаЧм1/2; після плазмового зміцнення у об'ємно-гартованому стані - КID = 5,6 МПаЧм1/2; KaID = 12,1 МПаЧм1/2.

На підставі проведених досліджень розроблені і впроваджені у виробництво технологічні процеси плазмового поверхневого зміцнення металооброблювального інструменту, у тому числі комплексної об'ємно-плазмової обробки і комплексного зміцнення, поєднуючого попереднє наплавлення економлегованими матеріалами і наступну плазмову обробку. Для інструменту різноманітної форми і функційного призначення (прокатних валків, різального, штампового, грунтооброблювального) розроблені оптимальні технологічні схеми та режими зміцнення, які забезпечують найбільш високу ексаплуатаційну стій-кість. Результати виробничих випробувань зміцненого інструменту підтвердили результати досліджень структури і властивостей інструментових матеріалів, зміцнених плазмовою обробкою.

Загальні висновки та результати роботи

1. Найбільш високі експлуатаційні властивості мають композиційні інструментові матеріали, отримані поверхневою обробкою, наплавленням, напиленням, насиченням покриттів. Традиційні способи об'ємного і поверхневого зміцнення інструментових матеріалів сприяють підвищенню твердості і зносостійкості, однак у більшості випадків призводять до зниження в'язкості руйнування.

2. Розробка наукових основ технології зміцнення інструментових матеріалів висококонцентрованим плазмовим струменем дозволила вирішити важливу науково-технічну проблему - підвищити ресурс роботи металооброблювального інструменту завдяки усуненню крихких руйнувань, підвищити продуктивність і якість обробки, знизити витрати енергії та легованих інструментових матеріалів.

3. З використанням теорії теплопровідності у лінійній постановці розроблені математичні моделі та розрахункові схеми плазмої поверхневої обробки інструменту вздовж робочої кромки. Розроблені програми розрахунків оптимальних режимів зміцнення, що забезпечують потрібні значення параметрів термічного циклу плазмової обробки на заданій глибині робочого шару інструменту і, тим самим, досягнення найбільш високих експлуатаційних властивостей.

4. На підставі металографічних та рентгеноструктурних досліджень вивчені механізми фазових та структурних перетворень у інструментових сталях при плазмовій обробці. Встановлено, що завдяки надвисокої швидкості природнього охолодження і нерівномірному її розподілу по товщині зміцненого шару, при плазмовій обробці реалізуються як зсувний (у верхніх шарах), так і флуктуаційний механізми фазових перетворень. Завдяки більш високій твердості поверхні плазмове зміцнення забезпечує більш високий опір зовнішньому тертю у порівнянні з об'ємним гартуванням. Плазмове гартування сталей для валків гарячої прокатки забезпечує також їх більш високу теплостійкість (до 600 °С), що пов'язано з гальмуванням процесів розпаду мартенситу і коагуляції карбідів і зміщенням цих процесів у інтервал більш високих температур.

5. Випробування інструментових сталей після плазмового поверхневого зміцнення у поєднанні з фрактографічними дослідженнями поверхні зломів дозволили отримати нові теоретичні та експериментальні результати щодо впливу поверхневої обробки на в`язкість руйнування інструментових сталей. Встановлено, що при зміцненні інструментових сталей у вихідному стані в'язкість руйнування знижується, а у об'ємно-гартованому - підвищується. При цьому руйнування металу зміцненого шару відбувається переважно за механізмом квазісколу, що зумовлено високим ступенем дисперсності структури та надвисокою щільністю дефектів кристалічної будови. Плазмова обробка інструментових сталей з мікро- або макрооплавленням у порівнянні із зміцненням у твердому стані призводить переважно до підвищення твердості і зниження в'язкості руйнування. Вибір технологічних процесів плазмового зміцнення залежить від конкретних умов навантаження інструменту.

6. Вивчення структури, фазових перетворень, параметрів кристалічної гратки дозволило визначити ступінь впливу різних механізмів зміцнення (твердорозчинного, дисперсійного, субструктурного, дислокаційного, зернограничного) на експлуатаційні властивсті низько- та високолегованих інструментових сталей при коплексному об'ємно-плазмовому зміцненні у залежності від сполучень та режимів об'ємної та плазмової обробки. Вперше розроблені і досліджені способи зниження гартівних напруг і підвищення технологічної міцності інструменту складної форми при комплексному зміцненні, способи усунення структурної і хімічної неоднорідності при плазмовій обробці швидкоріжучої сталі після об'ємного гартування з перегрівом.

7. Комплексні дослідження структури та в`язкості руйнування інструментових сталей при об`ємно-плазмовому зміцненні дозволили розробити нові положення щодо вибіру оптимальних режимів об`ємної та поверхневої обробки, які забезпечують досягнення найбільш збалансованого рівня експлуатаційних властивостей (твердості, теплостійкості, в`язкості руйнування). Додатково підвищення властивостей інструментових сталей при об`ємно-плазмовому зміцненні досягається використанням термоциклічної плазмової або індукційно-плазмової поверхневої обробки.

8. Дослідження фазових перетворень, структури та в'язкості руйнування зпечених твердих сплавів та високоміцного чавуну при плазмовому зміцненні дозволили визначити оптимальні технологічні процеси обробки, які сприяють отриманню найбільш високого рівня їх властивостей. Підвищення твердості і тріщиностійкості зпечених сплавів досягається за рахунок контактного плавлення карбідів (як і у інструментових сталях), роздрібнення структури композиції та дисперсійного зміцнення зв'язуючої фази. Зміцнення чавуну при плазмовій обробці відбувається завдяки утворенню шару швидкісного гартування при збереженні графітної фази.

9. Підвищення працездатності інструменту гарячої обробки металу досягається за рахунок комплексного зміцнення, яке поєднує попереднє наплавлення економнолегованого Cr-Mo-V-металу і плазмову поверхневу обробку. При цьому твердість поверхневого зміцненого шару відповідає рівню високолегованих складів, а в`язкість руйнування композиції - значно перевищує.

10. Дослідження та випробування інструментових матеріалів після комплексного об`ємно-плазмового зміцнення дозволили розробити нові теоретичні положення гальмування руйнування у шаруватих інструментових матеріалах з поверхневим зміцненим шаром. Гальмування руйнування відбувається завдяки утворенню вторинних тріщин зсуву під дією локальних дотичних напруг, що призводить до утворення розшарувань у наплавлених інструментових матеріалах або віткування магістральної тріщини у поверхнево-гартованих сталях. Тріщиностійкість шаруватих інструментових матеріалів з урахуванням гальмування руйнування може бути оцінена за допомогою коефіцієнта інтенсивності напруг на стадії зупинки тріщини.

11. Дослідження експлуатаційних властивостей інструментових матеріалів при комплексному зміцненні дозволили розбити оптимальні технологічні схеми і режими обробки інструменту різноманітного функційного призначення - прокатних валків, різального, штампового, ґрунтооброблювального. На підставі експлуатаційних випробувань встановлено підвищення стійкості зміцненого інструменту у 1,5 … 3,0. Впровадження розробок на підприємствах дозволило отримати значний економічний ефект.

Основні результати і положення дисертації опубліковані в таких роботах

1. Лещинский Л.К., Самотугин С.С., Пирч И.И., Комар В.И. Плазменное поверхностное упрочнение. - К.: Техника, 1990. - 109 с.

2. Самотугин С.С., Лещинский Л.К., Соляник Н.Х. Структура и характер разрушения сварных соединений, наплавленных и упрочненных материалов. Учебное пособие. - Мариуполь: Изд-во ПГТУ, 1996. - 179 с.

3. Роянов В.А., Зусин В.Я., Самотугин С.С. Дефекты в сварных соединениях и покрытиях. Учебное пособие.- Мариуполь: Изд-во ПГТУ, 2000. - 186 с.

4. Самотугин С.С. Плазменная обработка инструментальных материалов //Автоматическая сварка. - 1996. - №8. - с.48-51.

5. Самотугин С.С. Структура и свойства заэвтектоидной графитизированной стали для прокатных валков 150ХНМ после плазменного упрочнения //Автоматическая сварка. - 2000. - №2. - с.39-42.

6. Самотугин С.С. Плазменное упрочнение стали Р6М5 после объемной закалки //Проблемы специальной электрометаллургии. - 1998. - №3. - с.35-42.

7. Самотугин С.С. Вязкость разрушения твердых сплавов, упрочнённых плазменной обработкой //Физика и химия обработки материалов. - 1997. - №4. - с.45-51.

8. Самотугин С.С. Плазменная обработка инструментальных сталей //Сварочное производство. - 1997. - №9. - с.8-11.

9. Самотугин С.С. Особенности торможения разрушения в слоистых композиционных материалах, полученных наплавкой и поверхностной закалкой //Фи-зика и химия обработки материалов. - 1998. - №1 - с.64-69.

10. Самотугин С.С. Комбинированное индукционно-плазменное упрочнение инструментальных сталей // Сварочное производство. - 2000. - №7. - с. 27-30.

11. Трещиностойкость среднехромистого наплавленного металла после плазменного упрочнения / Л.К.Лещинский, С.С.Самотугин, В.П.Лаврик, А.В.Пуйко, В.А.Гиндин // Теоретические и технологические основы наплавки. Повышение долговечности и работоспособности наплавленных деталей. - К.; ИЭС им. Е.О.Патона. - 1989. - с. 56-57.

12. Комплексное объемноповерхностное упрочнение материалов с использованием высококонцентрированного плазменного нагрева /Л.К.Лещинский, С.С.Самотугин, И.И.Пирч, Д.В.Пуйко, Н.X.Соляник //Металловедение и термическая обработка металлов. - 1988. - № 5. - с.3-8.

13. Лещинский Л.К., Самотугин С.С., Домбровский Ф.С. Оценка сопротивляемости хрупкому разрушению наплавленных изделий //Теоретические и технологические основы наплавки. Повышение долговечности и работоспособности наплавленных деталей. - К.: ИЭС им. Е.О.Патона. - 1989. - с.56-57.

14. Свойства наплавленного металла типа Х5МФ после плазменной закалки /Л.К.Лещинский, С.С.Самотугин, В.П.Иванов, О.И.Новохацкая //Наплавленный металл. Состав, структура, свойства. - К.: ИЭС им. Е.О.Патона. - 1992. - с. 42-43.

15. Упрочнение инструмента из быстрорежущих сталей обработкой плазменной струей /С.С.Самотугин, А.В.Ковальчук, О.И.Новохацкая, В.М.Овчинников, В.И.Муфлер //Металловедение и термическая обработка металлов. - 1994. - №2. - с.5-8.

16. Самотурин С.С., Ковальчук А.В., Овчинников В.М. Обработка поверхности спеченных твердых сплавов высококонцентрированной плазменной струей //Сварочное производство. - 1994. - №2. - с.12-15.

17. Самотугин С.С., Соляник Н.Х., Пуйко А.В. Свойства инструментальных сталей при плазменном упрочнении с оплавлением поверхности //Сварочное производство. - 1994. - №11. - с.20-24.

18. Самотугин С.С., Новохацкая О.И. Структура и трещиностойкость твердых сплавов при плазменной обработке //Сварочное производство. - 1996. - №12. - с. 26-29.

19. Плазменное упрочнение рабочих органов сельскохозяйственных машин /С.С.Самотугин, В.А.Муратов, А.В.Ковальчук, Ю.И.Розенцвайг, С.В.Литинская //Вестник ПГТУ. - 1995. - №1. - с.173-175.

20. Структура и вязкость разрушения высокопрочного перлитно-цементит-ного чугуна после плазменной обработки /С.С.Самотугин, А.В.Ковальчук, Н.X. Соляник, А.В.Пуйко //Металловедение и термическая обработка металлов. - 1996. - №4. - с.2-6.

21. Структура и трещиностокость наплавленного металла 18Х6ГМФС после плазменного упрочнения /Л.К.Лещинский, С.С.Самотугин, В.М.Горицкий, Д.П.Хромов, Е.И.Зархова //Автоматическая сварка. - 1996. - №8. - с.31-35.

22. Самотугин С.С., Нестеров о.Ю. Свойства инструментальных сталей при объемно-поверхностном упрочнении //Вестник ПГТУ. - 1996. - №2. - с.161-162.

23. Эксплуатационные свойства инструментальных сталей после комплексного объемно-поверхностного упрочнения /С.С.Самотугин, А.В.Пуйко, Н.Х.Соляник, Е.Б.Локшина //Металловедение и термическая обработка металлов. - 1997. - №5. - с.2-6.

24. Самотугин С.С., Муратов В.А., Ковальчук А.В. Плазменное упрочнение инструмента кольцевой формы /Металловедение и термическая обработка металлов. - 1997. - №10. - с.2-4.

25. Оптимизация режимов плазменной обработки инструмента /С. С. Самотугин, О.Ю.Нестеров, А.Г.Ярмицкий, В.П.Иванов //Сварочное производство. - 1998. - №7. - с.12-15.

26. Самотугин С.С., Нестеров О.Ю., Кирицева Т.А. Влияние режима предварительной объемной закалки на свойства инструментальных сталей при плазменном упрочнении //Вестник ПГТУ. - 1998. - №6. - с.248-250.

27. Пирч И.И., Самотугин С.С., Псарас Г.Г., Петруничев В.А. Плазмотрон. Патент Украины № 6603, патент России № 1815067 //Промислова власність. - 1994. - №8-1.

28. Самотугин С.С. Способ упрочнения инструмента из быстрорежущей стали. Патент Украины № 15277А //Промислова власність. 1997. - №3.

29. Самотугин С.С. Способ упрочнения инструмента из твердых сплавов. Патент Украины № 12597А //Промислова власність. - 1997. - №1

30. Самотугин С.С. Способ упрочнения инструмента из быстрорежущей стали. Патент Украины № 21370А //Промислова власність. - 1998. - №1.

31. Ресурсосберегающая технология наплавки рабочего слоя изделий повышенной трещиностойкости / В.П.Лаврик,Л.К.Лещинский, С.С.Самотугин // В сб. докл. Всесоюзной н.-т. конф. Проблемы создания ресурсосберегающих технологий сварочного производства дл предприятий Дальнего востока и Сибири. - Комсомольск на Амуре, 1988. - с.98.

32. Взаимодействие низкотемпературной плазмы с углеродистыми сталями / И.И.Пирч, С.С.Самотугин, Г.Г.Псарас, В.Н.Матвиенко // В сб. докл. Всесоюзной конф. Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганический материалов. - М.: Черметинформация, 1988. с. 77.

33. Leschinsky L.K. Samotugin S.S. Increasing the service life of articles by cladding and plasma surface treatment // New advances in welding and allied processes: Proc. Int. conf., Beijeng, China, - 1991. - p. 135-138.

34. Самотугин С.С., Ковальчук А.В., Овчинников В.М. Упрочнение режущего инструмента плазменной обработкой // В сб. докл. II региональной н.-т. конф. т. II. Машиностроение. - Мариуполь, 1993. - с.69.

35. Самотугин С.С. Плазменное термоциклическое упрочнение инструмента // В сб. докл. Международной н.-т. конф. Современные проблемы развития сварочного производства и совершенствования подготовки кадров. - Мариуполь: ПГТУ, 1996. - с. 51.

Анотація

Самотугін С.С. Теоретичні і технологічні основи комплексного зміцнення інструментових матеріалів з використанням висококонцентрованого плазмового нагріву. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки. Національний технічний університет України "КПІ", Київ, 2000 р.

Дисертація вміщує теоретичні та експериментальні дослідження плазмового зміцнення інструментових матеріалів.

Встановлені механізми фазових та структурних перетворень у інструментових матеріалах (сталях, сплавах, чавуні, наплавленому металі) при поверхневому зміцненні висококонцентрованим плазмовим струменем та їх вплив на досягаємий рівень експлуатаційних властивостей - твердості, теплостійкості, в'язкості руйнування. На підставі металографічних, електронно-мікроскопічних та рентгеноструктурних досліджень вивчено вплив різних механізмів зміцнення (твердорозчинного, дислокаційного, субструктурного, дисперсійного) при об'ємно-плазмовій обробці на експлуатаційні властивості інструментових матеріалів. Розроблено методичні основи випробувань поверхнево-зміцнених сталей та сплавів на динамічну в'язкість руйнування. Встановлена можливість підвищення тріщиностійкості матеріалів при об'ємно-плазмовому, індукційно-плазмовому та термоциклічному плазмовому зміцненні завдяки утворенню поверхневого гартованого шару з наддисперсною структурою та гальмуванню руйнування на межі шарів (за механізмом утворення вторинних тріщин зсуву під дією локальних дотичних напруг та віткування магістральної тріщини).

На підставі досліджень розроблені наукові основи технологій комплексного зміцнення інструменту, які забезпечують одночасне підвищення як твердості і теплостійкості, так і в'язкості руйнування.

Запропоновані та впроваджені у виробництво технологічні процеси плазмової обробки інструменту різного функціонального призначення: різального, формувального, грунтооброблювального.

Ключові слова: інструментові матеріали, зміцнення, плазмовий струмень, фазові перетворення, теплостійкість, в'язкість руйнування, технологічні процеси.

Resume

Samotugin S.S. Theoretical and technological basis of complex hardening tool materials by means of high-concentrated plasma-heating.- Manuscript.

The dissertation for a doctor's degree by speciality 05.03.07 - processes of phy-sical and technical treatment. The National Technical University of Ukraine “KPI ”, Kyiv, 2000.

The dissertation contains theoretical and experimental investigation of tool materials plasma hardening.

Phase and structure transformation in tool materials (steel, alloys, pig iron, deposit metal) were investigated in the course of surface hardening by means of high-concentrated plasma jet and their influence on exploitation properties of the tool materials - hardness, heat stability, fracture toughness. On the basis of different ways of hardening vacancies and substructural dispersion for body-plasmodia treatment influence on the exploitation properties tool materials on the basis metallographical, electron-beam and X-rays structures has been investigated. Method basis for testing surface hardened steels and alloys on the dynamical tough failure has been worked out. Material crack resistance for body-plasmed, induction-plasmed and thermocyclical plasma hardening has risen due to the high dispersion surface layer and due to getting rid of the deformation at the surface boundaries, as a result of tangent stresses and main cracks branching.

On the basis of the given investigations the scientific basis of technology complex tool hardening has been developed and found and proved that it ensures hardness rise as well as sufficient tough failure and heat resistance.

Plasma treatment of tools (cutting, forming and soil-treating) has been introduced showing proper results.

Key-words: tools materials, hardening, plasma jet, phase transformation, heat stability, fracture toughness, technological processes.

Аннотация

Самотугин С.С. Теоретические и технологические основы комплексного упрочнения инструментальных материалов с использованием высококонцентрированного плазменного нагрева. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.07 - Процессы физико-технической обработки. Национальный технический университет Украины "КПИ", Киев, 2000 г.

Диссертация содержит теоретические и экспериментальные исследования плазменного упрочнения инструментальных материалов.

Установлены механізмы фазовых и структурных превращений в инструментальных материалах (сталях, сплавах, чугуне, наплавленном металле) при поверхностном упрочнении высококонцентрированной плазменной струёй и их влияние на достигаемый уровень эксплуатационных свойств - твердости, теплостойкости, вязкости разрушения. На основании металлографических, электронно-микроскопических и рентгеноструктурных исследований изучено влияние различных механізмов упрочнения (твердорастворного, дислокационного, субструктурного, дисперсионного) при объемно-плазменной обработке на эксплуатационные свойства инструментальных материалов. Основным процессом, протекающим приплазменной обработке инструментальных сталей и обусловливающим достижение наиболее высокого уровня твердости, теплостойкости и вязкости разрушения, является контактное плавление карбидной фазы.

Исследованы вязкость разрушения, механізмы зарождения и развития трещин в инструментальных сталях с поверхностным упрочненным слоем. На основании исследований установлена возможность повышения твердости, теплостойкости, трещиностойкости инструментальных сталей при комплексном объемно-плазменном, термоциклическом плазменном и комбинированном индукционно-плазменном упрочнении. Повышение вязкости разрушения упрочненых инструментальных сталей достигается за счет образования поверхностного закаленного слоя с высокодисперсной структурой и торможения трещин на границе слоев ( по механізму образования вторичных трещин сдвига под действием локальных касательных напряжений и ветвления магистральной трещины). Для оценки трещиностойкости поверхностно-упрочненных инструментальных сталей с учетом торможения разрушения предложено использовать динамический коэффициент интенсивности напряжений на стадии остановки трещины, определяемый по диаграммам разрушения.

Упрочнение инструментальных спеченных сплавов при плазменной обработке достигается за счет реализации твердорастворного и дисперсионного механізмов в связующей фазе и зернограничного упрочнения композиции. Повышение трещиностойкости упрочненных сплавов происходит за счет рассеивания энергии разрушения. Упрочнение чугуна с шаровидным графитом при плазменной обработке происходит благодаря образованию слоя скоростной закалки присохранении графитной фазы. Плазменная обработка сталей, сплавов, чугуна с макро- или микроплавлением в большинстве случаев приводит к повышению твердости и снижению вязкости разрушения. Повышение работоспособности инструмента возможно за счет комплексного упрочнения, включающего предварительную наплавку экономнолегированного Cr-Mo-V-металла и плазменную обработку. Приэтом твердость поверхностного упрочненного слоя соответствует уровню высоколегированных составов, а вязкость разрушения композиции - значительно превышает.

Предложены и внедрены в производство технологические процессы плазменной обработки инструмента различного функционального назначения: режущего, формующего, почвообрабатывающего.

Ключевые слова: инструментальные материалы, упрочнение, плазменная струя, фазовые превращения, теплостойкость, вязкость разрушения, технологические процессы.

Размещено на Allbest.ru