ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ

Ім. В.М.Бакуля НАН України

Чубукін Олександр Сергійович

УДК 621.793

ПІДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ІНСТРУМЕНТУ

З КАРБІДОТИТАНОВИХ БЕЗВОЛЬФРАМОВИХ ТВЕРДИХ

СПЛАВІВ НАНЕСЕННЯМ СПЕЦІАЛЬНИХ ПОКРИТТІВ

Спеціальність 05.02.01 – Матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківській державній академії залізничного транспорту та Харківському автомобільно-дорожньому університеті.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Тимофеєва Лариса Андріївна, завідувач кафедрою Матеріали та технологія виробів транспортного призначення. Харківська державна академія залізничного транспорту

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Інституту надтвердих матеріалів НАН України Лісовський Анатолій Феліксович

доктор технічних наук, професор Белоус

Михайло Вячеславович, завідувач кафедрою фізики Національного технічного університету України "КПІ"

Провідна установа: |

Інститут проблем матеріалознавства

ім. І.М. Францевіча НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “ 18 ” жовтня 2001 року о 13 30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.230.01 при Інституті надтвердих матеріалів НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів НАН України.

Автореферат розісланий “ 30 ” серпня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

Майстренко А.Л.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи.

Дефіцит в Україні вольфраму та інших елементів, що використовуються у виробництві твердих сплавів, які є матеріалом для виготовлення ріжучого інструменту, привів до розробки і впровадження безвольфрамових твердих сплавів (БВТС).

Однак, широкому використанню цих матеріалів замість вольфрамвміщуючих сплавів, таких, як Т15К6, ВК6, ВК8 та інших, перешкоджає їх низька стійкість під дією температурно-силових навантажень. Існуючі на сьогодняшній день методи її підвищення шляхом добавки легуючих елементів, або поверхневої обробки лазерним зміцненням, або нанесенням зносостійких покриттів з карбіду та нітриду титану, виявляються або малоефективними з точки зору співвідношення між величиною підвищення стійкості і вартістю енерговитрат, що потрібні для цього, або недостатньо надійними при масовому його застосуванні у виробничих умовах, і, отже, малопридатними для масового виробництва.

У зв'язку з цим пошук засобу обробки БВТС, що дозволив би підвищити стійкість ріжучого інструменту з цих сплавів є актуальною задачею. Цій проблемі присвячена дана робота.

Зв'язок роботи з науковими працями, темами.

Запропонована дисертація пов'язана з виконанням робіт за темою 2М/283 - 2000 "Дослідження формування покриттів на металокерамічних матеріалах і впливу їх на фізико-механічні властивості матеріалів."

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є створення на поверхні карбідотитанових БВТС структур, які забезпечать підвищення стійкості різця за рахунок зниження температурно-силових навантажень на нього. Для досягнення поставленої мети у роботі були вирішені такі задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Об'єктом дослідження у даній роботі є безвольфрамові тведі сплави (БВТС).

Предметом дослідження - вплив структур, що створюються на поверхні БВТС при нанесенні на неї спеціальних покриттів на експлуатаційні властивості матеріалу.

Методи дослідження, що використовувались в роботі: 1. Аналітичні методи: метод термодинамічного аналізу, який використано для оцінки вірогідності протікання ймовірних хімічних реакцій; методи регресивного аналізу для дослідження залежності стійкості інструменту від елементів режимів різання та товщини покриття і для оптимізації технологічних параметрів нанесення покриттів. 2. Експериментальні методи: метод оптичної мікроскопії - для дослідження структури сплаву в початковому (необробленому) стані, та структури сплаву з нанесеними покриттями (досліджували на оптичному мікроскопі МИМ-7); метод електронної мікроскопії з мікрорентгеноспектральним аналізом - для вивчення розподілу елементного складу у сплаві до і після нанесення покриттів ( досліджували на електронному мікроскопі "Jeol" JSM 820 з системою енергодисперсійного рентгеноспектрального мікроаналізу Lіnk AN 101859); метод рентгенівської фотоелектронної спектроскопії - для пошарового дослідження фазового складу сплаву у початковому (необробленому) стані, та сплаву з нанесеними покриттями (досліджувалось на рентгенівському фотоелектронному спектрометрі фірми "Kratos" з аргоновою пушкою для пошарового травлення поверхні); метод Вікерса для вивчення адгезійних властивостей покритів.

Наукова новизна отриманих у роботі результатів полягає в наступному.

-

-

-

-

-

-

Вірогідність отриманих результатів підтверджується застосуванням незалежних методів, в яких використовували сучасне устаткування і які дали схожі результати, а також даними дослідно-промислових випробувань.

Практична значимість роботи:

1.

2.

3. Проведені в роботі експериментальні та теоретичні дослідження дозволяють створити фізико-хімічні основи нанесення покриттів оксидного типу на безвольфрамові тверді сплави, що з успіхом можуть бути використані для обробки деталей у різних галузях машинобудування.

Особистий внесок здобувача.

Основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно: аналіз стану питання, вибір методу удосконалення БВТС, вибір хімічного складу захисних покриттів, підбір і розробка методик дослідження, проведення експериментів, аналіз отриманих результатів і підтвердження їхньої вірогідності.

Апробація роботи.

Основні положення роботи повідомлені на міжнародному науково - технічному семінарі “Интерпартнер - 97. Високі технології в машинобудуванні” (м. Алушта, 1997 р.), на 61-63 наукових сесіях ХДАДТУ в 1997-1999 рр. і на Всеросійській науково-технічній конференції з міжнародною участю "Сварка и смежные технологии" (м. Москва, 2000 р.)

Публікації. За матеріалами роботи опубліковано 3 статті, дві з яких здобувачем опубліковані самостійно.

Структура дисертації: дисертація складається з вступу, п'ятьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел на 11 сторінках з 106 найменувань і двох додатків.

Основна частина роботи містить 127 сторінок друкованого тексту, в тому числі 12 таблиць, 30 рисунків, з яких 20 розташовано на окремих сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі обґрунтовано актуальність роботи, викладено загальну її характеристику, сформульовані мета і задачі дослідження, приведені отримані автором основні наукові результати, що складають наукову новизну, показано практичне значення роботи, її апробація та кількість публікацій.

В першому розділі проаналізовані основні фізико-механічні характеристики безвольфрамових твердих сплавів (БВТС), особливості процесу різання інструментом із пластинами з цих сплавів, існуючі на даний час методи удосконалення БВТС, висновки та задачі дослідження.

Досить низький коефіцієнт тертя, слабка адгезійна взаємодія з оброблюваним матеріалом, а також високі міцнісні характеристики БВТС є передумовою до високої стійкості інструменту, що виготовлюється з них.

Однак, накопичення тепла в зоні різання приводить до швидкого розігріву різця (підвищення температури в зоні різання), знеміцнення нікель-молібденової зв'язки під дією температурно-силових навантажень і зниження мікротвердості карбідів і карбонітридів титана. Це викликає значну деформацію ріжучого клину і приводить до інтенсивного зношування контактних поверхонь.

Підвищення стійкості БВТС легуванням основи сплавів карбідообразуючими елементами (Zr, V, Hf, Ta), або легуванням нікель-молібденової зв'язки карбідами Va-VIa таблиці Менделєєва, або нанесенням карбідо- і нітридотитанових покриттів, малоефективні з погляду співвідношення між величиною підвищення стійкості і потрібними для цього енерговитратами, або недостатньо надійні при масовому їх застосуванні в заводських умовах.

Тому метою дисертаційного дослідження є пошук такого засобу удосконалення "ріжучих" властивостей БВТС, що, з одного боку, дозволяв би усунути їхні недоліки і забезпечити заданий комплекс експлуатаційних властивостей, а, з іншого, був технологічним, екологічно чистим і одночасно забезпечував економію енергетичних і матеріальних ресурсів.

На основі розглянутого сформульовано задачі дисертаційного дослідження.

В другому розділі обгрунтовано вибір досліджуваних матеріалів та методів математичної обробки результатів експериментів, наведені використані у роботі методики нанесення покриттів, методи дослідження структури, елементного і фазового складу основного сплаву та покриттів, методики визначення характеристик процесу різання та оцінки інтенсивності зношування і стійкості інструменту, методика визначення оптимальних параметрів технологічного процесу нанесення покриттів на БВТС.

В якості досліджуваного матеріалу був обраний сплав ТН-20, тому що він є базовим для усіх БВТС, що використовуються в сучасному ріжучому інструменті. Існує широка номенклатура ріжучих пластин з цього сплаву, що мають низьку ціну. Однак, здійснювані дотепер спроби підвищення стійкості ТН-20 методами поверхневої обробки не дали значного ефекту.

При проведенні досліджень використовувались заготівки зі сталі 40Х в нормалізованому стані твердістю 220-240НВ, бо вона найбільш часто застосовується поряд зі сталлю 45, але має більш високу твердість. Це забезпечило більш жорсткі умови обробки різанням і прискорило одержання результатів.

Нанесення покриттів на ТН-20 проводилось чотирма методами з метою обрання найбільш ефективного: парооксидуванням, оксилегуванням, методом КІБ та комплексним.

При використанні методів парооксидування, оксилегування, а також на першому етапі комплексного методу обробка виконувалась в спеціальній печі.

Насичувальним середовищем була обрана перегріта водяна пара, або перегріта пара водяного розчину солі Na2S2O3.

Нанесення покриттів методом КІБ здійснювалось на установці “Булат - 3Т” з мідно - дисульфідмолібденовим катодом.

Для аналізу результатів, отриманих при застосуванні запропонованих методів обробки сплаву, проводилось дослідження його фазового складу в приповерхневій області і на межі твердий сплав - покриття, а також розподілу елементів у початковому й обробленому сплавах і у самих покриттях.

Для оцінки впливу покриттів на зношування ріжучих пластин на першому етапі проводилися порівняльні випробування при подовжнім точінні на токарно-гвинторізному верстаті моделі 1К62. Випробуванням піддавалися чотиригранні змінні непереточувані ріжучі пластини квадратної форми 03114-150412 (ГОСТ 19052-80) з безвольфрамового твердого сплаву марки ТН-20 без покриття, а також з покриттями, отриманими за допомогою методів парооксидування, оксилегування, методу КІБ і комплексного методу.

Для порівняння умов тертя, що виникають на лезах ріжучих пластин без покриттів і з покриттями, в роботі проводилась реєстрація складових сил різання (Pz, Ру). Точність виміру сил різання складала 5Н. По отриманим даним визначалися значення коефіцієнта тертя ,, будувалися й аналізувалися графіки залежностей коефіцієнта тертя від швидкості різання для різців без покриттів і з покриттями.

Порівняльна оцінка температури в зоні різання проводилась у процесі випробувань методом штучної термопари.

Для оцінки впливу покриттів на процес протікання пластичних деформацій у оброблюванім матеріалі в зоні стружкоутворення і на ділянці контакту стружки з поверхнею ріжучого інструменту, у роботі виконувалось визначення коефіцієнту подовжнього усадки стружки ваговим методом.

За результатами порівняльних випробувань визначався оптимальний метод нанесення покриттів, що забезпечує найменший знос при тих самих режимах різання. Потім випробувалась на стійкість партія пластин, оброблених цим методом і маючих різні товщини покриттів. Їх метою було встановити вплив режимів різання, та товщини покриття на стійкість різців. При цьому за критерій зносу вибиралася величина зносу різців по задній поверхні - hз= 0,3 мм.

У процесі випробувань на стійкість варіювалися швидкість різання і подача. Глибина різання залишалася незмінною. Отримані результати використовувалися як вихідні дані для проведення трьохфакторного експерименту методом регресивного аналізу, метою якого був пошук оптимального значення товщини покриття, що залежить у свою чергу від технологічних параметрів процесу його нанесення (температури, часу витримки у парогазовому середовищі і концентрації солевміщуючого розчину), забезпечуючих максимальну стійкість.

Розробка рекомендацій, що до цих параметрів режимів оксилегування, проводилась із застосуванням методу математичного планування, який дозволив визначити оптимальні співвідношення параметрів процесу, які забезпечують появу поверхневого шару з належними властивостями.

Третій розділ присвячено розробці екологічно чистого способу обробки карбідо-титанових БВТС. У ньому на основі аналізу процесів, протікаючих при руйнуванні цих матеріалів, та причин, їх викликаючих, був запропонован новий підхід до рішення проблеми підвищення стійкості БВТС, який полягає в нанесенні покриттів, виконуючих роль твердих змащень, змінюючих умови тертя на поверхні різця, за рахунок чого температурно-силові характеристики процесу різання, а, отже, інтенсивність зносу ріжучих пластин зменшуються, підвищуючи стійкість інструменту. Був обран хімічний склад таких покриттів і методи їх нанесення. Для оцінки можливості утворення необхідних хімічних сполук на поверхні БВТС при обробці методами парооксидування і оксилегування був виконан термодинамічний аналіз, що дозволив визначити найбільш ймовірні хімічні реакції, протікання яких забезпечить одержання цих з'єднань. В розділі наведені результати дослідження впливу покриттів на структуру, елементний і фазовий склад поверхні сплаву, визначені закономірності в розподілі елементного та фазового складу покриттів і перехідного шару на межі з основним сплавом, а також запропонована модель фізико-хімічних процесів формування покриттів оксидного типу на поверхні БВТС з визначенням їх адгезійних властивостей.

Знеміцнення БВТС обумовлено процесами, що мають місце лише в тонкому приповерхневому шарі. Зменшити їх можна за рахунок зниження сил тертя у зоні різання, та одночасного створення бар'єру для дифузії заліза у зв'язку. Тому проблему підвищення стійкості БВТС можна вирішити наносячи на їх поверхню покриття, що виконують роль твердих змащень. Найбільш розповсюдженими з них є ті, що вміщують у собі оксиди, сульфіди та мідь.

З огляду на те, що досліджувані БВТС являють собою системи Ti(TiCN) Ni Mo, то найбільш раціонально створювати на їх поверхні захисні покриття, які складаються з оксидів титану, нікелю і молібдену, а також сульфідів нікелю і молібдену. Зважуючи на те, що однією з основних вимог до сучасних технологій є екологічна чистота та економія енергетичних і матеріальних ресурсів, то для нанесення вищезгаданих покриттів були обрані методи парооксидування й оксилегування. При проведенні оксилегування для утворення сульфідів був обраний тіосульфат натрію, як одна з найбільш доступних водорозчинних солей. Паралельно, з метою проведення порівняльної оцінки були також використані метод конденсації при іонно-плазменому бомбардуванні (КІБ), що дозволяє одержувати покриття з міді і дисульфіду молібдену, та комплексний метод, що складається в послідовному поєднанні обробки парооксидуванням і методом КІБ.

Результати термодинамічного аналізу, виконаного в дисертації, дозволили визначити хімічні реакції, протікання котрих найбільш вірогідно забезпечує одержання необхідних хімічних сполук. Отримані значення величин зміни термодинамічного потенціалу реакцій, обчислені відповідно до третього закону термодинаміки показали, що при парооксидуванні і оксилегуванні з великим ступенем ймовірності мають місце окисно-відбудовні процеси між хімічними елементами сплаву і компонентами робочого середовища, у результаті яких утворюються потрібні оксиди та сульфіди.

Результати досліджень розподілу елементів і фаз у пластинах, підданих усім чотирьом методам обробки, остаточно довели можливість одержання за допомогою цих методів захисних покриттів, що містять оксиди і сульфіди основного сплаву (TiO2, NiО, MoO2, MoS2, Ni3S2).

Наприклад, покриття, отримані методом парооксидування, містять у собі оксиди нікелю, молібдену і титану. Покриття, отримані оксилегуванням, крім перерахованих вище оксидів мають у своєму складі дисульфід молібдену (MoS2) і сульфід нікелю (Ni3S2). Ці типи покриттів мають гарну суцільність і адгезію з підкладкою. Щільність покриття, отриманого оксилегуванням, значно вища, ніж отриманого парооксидуванням. На межі сплав - покриття має місце перехідний прошарок, який вміщує як з'єднання, що входять до складу покриттів, так і елементи основного сплаву, в чому полягає його спадковість відносно покриття. Він являє собою структуру, що призначена залишатися на деякий час після того, як верхні шари покриття видаляються з поверхні сплава. За своїм вищезгаданим складом цей прошарок працює як твердозмащенний БВТС.

Покриття, отримані методом КІБ, володіють гарною суцільністю, складаються з міді і дисульфіду молібдену, та характеризуються повною відсутністю перехідного шару, що є причиною їхнього швидкого видалення з поверхні ріжучих пластин у процесі різання.

При обробці комплексним методом утворюється двошарове покриття, нижній шар якого складається у основному з оксидів, а верхній із сульфідів. Обидва шари володіють гарною суцільністю. Між зовнішнім і внутрішнім шаром, а також між внутрішнім шаром і основою сплаву існують перехідні зони. Однак покриття містять у собі оксид міді, що за певних умов стає летучим. Це приводить до порушення суцільності покриття і зниження його стійкості.

Дослідження структури, елементного і фазового складу необробленого та обробленого будь яким із запропонованих методів сплаву показали, що ці види обробки не змінюють його структуру, а, таким чином, і фізико-механічні властивості.

Розподіл концентрацій фаз у приповерхневій зоні зразка дає підстави для побудови фізичних моделей формування оксідних та оксісульфідних покриттів у середовищі перегрітоі пари, що базуються на розробленій С.А. Кукушкіним і А.В. Осіповим теорії кінетики фазового переходу в системі адсорбований пар-тверде тіло з урахуванням хімічних реакцій між компонентами. Зокрема, завдяки дослідженням розподілу елементів і фаз встановлено, що окислювально-відновні реакції мають місце на першому етапі створення плівок в результаті хемосорбції. Подальший ріст плівок йде за рахунок дифузійних процесів.

При порівнянні покриттів, отриманих парооксидуванням, оксилегуванням, методом КІБ і комплексним методом було встановлено, що найкращою адгезієй володіють парооксидовані покриття.

Четвертий розділ присвячено дослідженню впливу покриттів на інструменті на процес різання і оптимізації умов їх формування. У ньому наведені результати випробувань різанням оброблених і необроблених пластин зі сплаву ТН-20 і рекомендовані параметри режимів нанесення покриттів. Результати показали, що всі типи покриттів в інтервалі швидкостей, який відповідає чистовій обробці (100-250м/хв.), знижують силове навантаження на матеріал сплаву: зменшують сили різання, коефіцієнт усадки стружки і температуру в зоні різання. Найбільшою мірою цей ефект виявляється для покриттів, отриманих методом оксилегування (табл. 1, рис. 1)

Таблиця 1 - Характеристики процесу різання безвольфрамового твердого сплаву

ТН-20 в залежності від методу нанесення покриттів і швидкості різання.

Метод обробки сплава | Складова сили різання Py, Н | Складова сили різання Pz,Н | Коефіцієнт усадки стружки КL

Vріз = 150 м/хв | Vріз = 200 м/хв | Vріз = 250 м/хв | Vріз = 150 м/хв | Vріз = 200 м/хв | Vріз = 250 м/хв | Vріз = 150 м/хв | Vріз = 200 м/хв | Vріз =

250 м/хв

Без покриття |

57 |

53 |

50 |

142 |

139 |

135 |

2,8 |

2,7 |

2,6

Метод КІБ |

51 |

45 |

41 |

130 |

125 |

120 |

2,58 |

2,52 |

2,48

Комплексний метод |

46 |

42 |

39 |

128 |

120 |

112 |

2,55 |

2,5 |

2,48

Парооксидування |

36 |

34 |

32 |

116 |

115 |

98 |

2,44 |

2,4 |

2,35

Оксилегування |

28 |

25 |

23 |

101 |

97 |

92 |

2,36 |

2,2 |

2

Рис. 1. Залежність температури в зоні різання від швидкості різання для зразків із ТН-20: 1 - без покриття; 2 - з покриттям, отриманим методом КІБ; 3 - з покриттям, отриманим комплексним методом; 4 - з покриттям, отриманим парооксидуванням; 5- з покриттям, отриманим оксилегуванням.

Результати випробувань ріжучих пластин на зношування показали, що найбільш ефективним з погляду підвищення стійкості виявилось покриття, нанесене методом оксилегування (рис. 2).

З цієї причини стійкістні випробування проводилися на пластинах, оброблених методом оксилегування.

Рис. 2. Залежність зношування різців із сплаву ТН-20 по задній грані від швидкості різання (s = 0,35 мм/об., t = 0,5 мм): 1 - без покриття; 2 - з покриттям Cu + MoS2, нанесеним методом КІБ; 3 - з покриттям, отриманим парооксидуванням і наступною обробкою КІБ; 4 - з покриттям, отриманим парооксидуванням; 5 - з покриттям, отриманим оксилегуванням з водяного розчину Na2S2O3.

Виявлений зв'язок параметрів процесу різання і товщини поверхневого шару зі стійкістю інструменту має вигляд поліному другого ступеню:

Т = 982,391-4,0261v-2459,853s+59,238h+3,917vs+

+0,00445v2+1813,2s2-11,572h2 , (1)

де Т- стійкість різця; v - швидкість різання; s -подача; h - товщина покриття.

В результаті дослідження цього регресійного рівняння було встановлено, що найбільша стійкість ріжучих пластин спостерігається при товщині покриття h =2,5 мкм. Тому ця обставина була відправною точкою при виборі значень технологічних параметрів процесу оксилегування: температури, часу витримки в парогазовому середовищі, концентрації тіосульфату натрію у водяному розчині.

Порівняльні випробування стійкості зразків без покриття і з покриттям, яке одержане методом оксилегування при однакових режимах різання продемонстрували збільшення стійкості пластин у середньому в 1,8 - 2,5 рази (рис. 3).

а б

Рис. 3. Вплив подачі (а) і швидкості різання (б) на стійкість різців зі сплаву ТН-20 без покриття (2,4,6) і з покриттям, отриманим оксилегуванням (1,3,5) при : а) 1, 2 v =200м/мин; 3, 4 v=240м/мин; 5, 6 v=280м/мин; б) 1, 2 s = 0,4мм/об; 3, 4 s = 0,3 мм/об; 5,6 s = 0,2 мм/об.

Встановлена внаслідок факторного експерименту залежність між чисельними значеннями технологічних параметрів процесу нанесення покриття методом оксилегування, відповідна оптимальному значенню товщини (2,5 мкм), має вигляд:

5,4-0,352С-0,004t-0,0435-0,0023 C =0 (2)

де С – концентрація тіосульфату натрію в водному розчині, t – температура обробки, - час витримки в парогазовому середовищі.

Графічна модель отриманої залежності (рис. 4) являє собою поверхню в тривимірному просторі, координати крапок якої є сполученнями чисельних значень технологічних параметрів процесу оксилегування в парогазовому середовищі, утвореному з розчинів тіосульфату натрію (Na2S2O3), що забезпечує одержання покриття товщиною 2,5 мкм.

Рис. 4. Залежність між часом обробки, концентрацією тіосульфату натрію у вихідному розчині і температурою обробки для товщини покриття 2,5 мкм.

Аналіз отриманої поверхні показує, що межами припустимих значень параметрів оксилегування є такі:

1) Час витримки в парогазовому середовищі 30-60 хв.

2) Температура обробки 500 - 750 C.

3) Концентрація тіосульфату натрію в розчині 3-7 г/літр

Ці сполучення слід закладати в основу прийнятих у кожному конкретному випадку режимів оксилегування.

В п'ятому розділі наведені результати дослідно-промислових випробувань по перевірці ефективності обробки сплаву ТН-20 методом оксилегування, що проводилися в умовах Харківського науково-дослідного інституту технології машинобудування, та Харківського заводу тракторних двигунів. Вони показали, що обробка різців зі сплаву марки ТН-20 методом оксилегування підвищує іх стійкість у середньому у 2 рази (табл. 2).

Таблиця 2 - Результати дослідно-промислових випробувань

Інструмент | Стійкість Т, хв.

Номер випробування

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10

Оброблена пластина |

42 |

41 |

40 |

40 |

44 |

40 |

45 |

44 |

42 |

43

Необроблена пластина |

22 |

20 |

19 |

18 |

23 |

20 |

23 |

21 |

21 |

22

Розрахунок економічної ефективності показав, що очікуваний річний економічний ефект за рахунок зниження витрат на придбання змінних непереточуваних ріжучих пластин при використанні пластин, оброблених методом оксилегувания, в заводських умовах складає біля 9502 грн. на 1 верстат.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Проведений комплекс досліджень дозволяє сформулювати слідуючи основні наукові результати і практичні висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

Це дозволяє рекомендувати її для широкого застосування.

У додатках наведено розрахунки регресійного рівняння стійкості ріжучих пластин, регресійного рівняння залежності між технологічними параметрами процесу оксилегувания, що забезпечують оптимальну товщину покриття, та акти з застосування результатів розробок і досліджень.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

Анотація.

Чубукін А.С. Підвищення експлуатаційних властивостей інструменту з карбідотітанових безвольфрамових твердих сплавів нанесенням спеціальних покриттів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.01 - Матеріалознавство. - Харківська державна академія залізничного транспорту

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної проблеми підвищення стійкості безвольфрамових твердих сплавів у процесі різання шляхом розробки і використання екологічно чистих, ефективних, недорогих і простих у технологічному відношенні методів.

У роботі на базі проведеного аналізу фізико-механічних властивостей БВТС, причин їх недостатньо високої стійкості і існуючих на сьогоднішній день засобів її підвищення був запропонований новий підхід до вирішення задачі підвищення стійкості БВТС - створення на їхній поверхні твердозмащувальних покриттів шляхом конденсації речовини покриття при іонно-плазменому бомбардуванні з використанням мідно-дісульфідмолібденового катоду, або за допомогою хіміко-термічної обробки в парогазовому середовищі, що складається з перегрітої водяної пари або пари солесодержачих розчинів. Ці покриття змінюють умови тертя на контактних поверхнях різця. При цьому температурно-силові характеристики процесу різання, а, отже, інтенсивність зносу ріжучої пластини зменшуються, підвищуючи стійкість сплаву.

Наукова новизна отриманих у роботі результатів складається в такому:

-

-

-

-

-

-

Ключові слова: безвольфрамові тверді сплави, твердосмазочні покриття, парооксидування, оксилегування

Аннотация.

Чубукин А.С. Повышение эксплуатационных свойств инструмента из карбидотитановых безвольфрамовых твердых сплавов нанесением специальных покрытий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - Материаловедение. - Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта

Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы повышения стойкости безвольфрамовых твердых сплавов в процессе резания путем разработки и использования экологически чистых, эффективных, недорогих и простых в технологическом отношении методов.

В работе на базе проведенного анализа физико-механических свойств БВТС, причин их недостаточно высокой стойкости и существующих на сегодняшний день способов ее повышения был предложен новый подход к решению задачи повышения стойкости БВТС - создание на их поверхности твердосмазочных покрытий с помощью химико-термической обработки в парогазовой среде, состоящей из пара разбавленных солесодержащих растворов. Эти покрытия изменяют условия трения на поверхности резца. При этом температурно-силовые характеристики процесса резания, а, следовательно, интенсивность износа режущей пластины уменьшаются, повышая стойкость сплава

В работе решен ряд практических задач:

1. Выбран способ повышения стойкости инструмента из БВТС путем нанесения на него специальных покрытий;

2. Выбран и научно обоснован химический состав покрытий, обеспечивающих повышение стойкости инструмента из карбидотитановых безвольфрамовых твердых сплавов;

3. Выбран оптимальный метод нанесения покрытий и разработаны его технологические параметры;

4. Установлены закономерности в распределении элементного и фазового состава в покрытии и переходном слое на границе с основным сплавом и научно обосновано их влияние на эксплуатационные характеристики сплава.

5. Установлен механизм действия покрытий, который состоит в том, что сформированные покрытия выполняют роль твердых смазок - понижают коэффициент трения, температуру в зоне резания и составляющие сил резания.

6. Проведены опытно-промышленные опробования выбранного типа покрытия, которые подтвердили, что при низкой стоимости технологического процесса обработки оно обеспечивает значительное снижение интенсивности изнашивания БВТС и повышение их стойкости в 1,5-2 раза.

7. Установлен механизм образования покрытий

8. С помощью математической обработки результатов проведенных экспериментов было определено в аналитической форме оптимальное соотношение параметров выбранного технологического процесса нанесения покрытий (температуры насыщающей среды, времени выдержки в ней образца, концентрации насыщающего раствора).

Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:

-

-

-

-

-

-

В работе применялся комплекс независимых методов исследования с учетом их экспериментальной возможности и разрешающей способности. Среди них кроме стандартных использовался ряд специальных: метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, метод микрорентгеноспектрального анализа, метод математического планирования эксперимента.

Проведенное комплексное исследование позволяет заложить физико-химические основы технологий нанесения покрытий на БВТС методом оксилегирования.

Согласно данным лабораторных и промышленных испытаний, обработка режущего инструмента в соответствии с предложенными в данной работе режимами повышает его стойкость при чистовом точении в среднем в 1,8-2,5 раза.

Ключевые слова: безвольфрамовые твердые сплавы, твердосмазочные покрытия, парооксидирование, оксилегирование

The abstract.

Chubukin A. S. Increase of operational properties of tools from TiC - based tungstenfree hard alloys by deposition of special coatings. - Manuscript.

The thesis in competition of a scientific degree of the Candidate of Technical Science in a speciality 05.02.01 - Материаловедение. - Kharkov state academy of a railway transportation

The thesis is devoted to the solving actual problem of increasing tool life of tungstenfree hard alloys during cutting process by developing and use ecologically pure, effective, inexpensive and simple methods.

In the thesis on the base of the carried out physical-mechanical analysis of properties tungstenfree hard alloys, reasons оf theirs insufficient tool life and existing for today methods of increasing tool life was offerred new approach to solwing problem of increasing tool life of tungstenfree hard alloys - creation on their surface solid lubricational coatings by condensation of substance of a coatings at ion-plasma bombing with use copper-molybdenum disulfide cathode, or with the help of chemicothermal treatment in vapour - gaseous atmosphere composed of superheated steam or superheated steam salt-containing diluted water solutions. These coatings change conditions of friction on contact surfaces of a cutting tools. Thus the temperature-power characteristics of cutting process, and therefore, intensity of deterioration of a cutting plate decrease, raising tool life of tungstenfree hard alloy

The scientific novelty of the results, received in thesis, consists in the following:

-

-

-

-

-

-

Key words: of tungstenfree hard alloys, solid lubricational coatings, vapour-oxidation, oxyalloying