Міністерство освіти і науки України

Технологічний університет Поділля

(м. Хмельницький)

Б І Л О У С

Олексій Володимирович

УДК 669.15:621.793: 620.178.16

ТЕХНОЛОГІЧНІ ЗАСАДИ ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ ДЕРЕВОРІЗАЛЬНОГО ІНСТРУМЕНТУ КОМПЛЕКСНОЮ ЕЛЕКТРОІСКРОВОЮ І ЛАЗЕРНОЮ ОБРОБКОЮ

Спеціальність 05.02.04 – тертя та зношування

в машинах

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Хмельницький – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі технології матеріалів та інженерної графіки в Українському державному лісотехнічному університеті (УкрДЛТУ) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук , професор, Лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки ГОЛУБЕЦЬ Володимир Михайлович, УкрДЛТУ (м.Львів), завідувач кафедри технології матеріалів та інженерної графіки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук , професор ШЕВЕЛЯ Валерій Васильович, Технологічний університет Поділля (м.Хмельницький), професор кафедри фізики кандидат технічних наук, доцент ГУПКА Богдан Васильович, Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя, доцент кафедри технології машинобудування

Провідна установа: Вінницький державний технічний університет, кафедра технології підвищення зносостійкості, Міністерство освіти і науки України, м. Вінниця

Захист відбудеться “16” січня 2003 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 70.052.02 при Технологічному університеті Поділля за адресою:

29016, Україна, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й навчальний корпус

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Технологічного університету Поділля за адресою :

м.Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/2

Автореферат розіслано “9” грудня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої

Вченої ради, д.т.н., професор Калда Г.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасній деревообробній промисловості спостерігається тенденція до зростання швидкостей різання, підвищення вартості інструменту, що призводить до збільшення витрачання коштів на одиницю випущеної продукції і дефіцитних матеріалів. Тому особливої гостроти набуло питання підвищення фізико-механічних властивостей інструменту, насамперед, його твердості, зносостійкості, теплостійкості і міцності.

Перспективним напрямом підвищення зносостійкості інструментальних матеріалів є нанесення зносостійких покрить, зокрема електроіскровим легуванням (ЕІЛ). Основні переваги цієї технології полягають у можливості перенесення на оброблювану поверхню будь-яких струмопровідних матеріалів, у високій міцності, адгезії зміцненого шару з основою, локальному нанесенні покрить без помітної деформації деталей, відсутності нагріву всього об'єму деталі.

Однак подальше застосування ЕІЛ стримується рядом факторів. Серед них – відносно невисока продуктивність процесу, мала товщина електроіскрових покрить (ЕІП), їх значна шорсткість. Обмежено використання електродних матеріалів тугоплавких дефіцитних сполук на основі карбідів вольфраму (тверді сплави груп ВК і ТК), оскільки вони характеризуються високою крихкістю і низьким коефіцієнтом переносу металу. Тому активно ведуться пошуки щодо створення безвольфрамових електродних матеріалів.

В ряді досліджень, виконаних у Фізико-механічному інституті (ФМІ) НАН України, УкрДЛТУ показано, що для вдосконалення технології ЕІЛ використовуються дешевші електродні матеріали на основі системи Fe-Mn-C-B з евтектичною структурою. Це дозволяє отримувати покриття з аналогічними, або кращими властивостями в порівнянні з серійними твердосплавними електродами.

Дослідження, виконані в Інституті проблем матеріалознавства (ІПМ) НАН України, підтверджують доцільність застосування подальшої після ЕІЛ лазерної обробки оптично-квантовим генератором (ОКГ) для покращення фізико-механічних властивостей зміцненого поверхневого шару металу. Однак більшість таких досліджень проведено для металорізального інструменту, а результати їх не можуть бути адекватно перенесені на процеси різання деревини, яка є складним композиційним матеріалом.

Вплив зносостійких покриттів , отриманих ЕІЛ, на дереворізальний інструмент з використанням електродних матеріалів системи Fe-Mn-C-B вивчено недостатньо. Не визначено критерії вибору оптимальних легуючих елементів цієї системи, зокрема по зв'язуванню шкідливих домішок (кисню, сірки, фосфору), які утворюються в сплаві при його синтезі із системи Fe-Mn-C-B, що могло б спричинити додатковий позитивний ефект по зносостійкості дереворізального інструменту. Недослідженими залишаються питання впливу комплексного ЕІЛ евтектичним електродним матеріалом системи Fe-Mn-C-B і подальшої обробки ОКГ на поліпшення технічних характеристик зміцненого поверхневого шару дереворізального інструменту, на його зносостійкість і ефективність процесу різання деревинних матеріалів. Необхідність вирішення цих та інших задач, які б сприяли розширенню сфери застосування методів ЕІЛ і ОКГ в деревообробній промисловості , в тому числі шляхом вдосконалення розробки безвольфрамових електродних матеріалів для нанесення на дереворізальний інструмент зносостійких покрить, обумовлює актуальність вибраної теми дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано в Українському Державному лісотехнічному університеті Міністерства освіти і науки України в рамках тематичного плану НДР і ДКР університету за завданням ДБ 34.13-98 “Розробка багатофункціональних покриттів для підвищення стійкості дереворізального інструменту та працездатності обладнання лісовиробничого комплексу в умовах одночасної дії механічних навантажень, робочих середовищ та високих температур”, номер державної реєстрації 0198U002972 (дисертанту належить обґрунтування вибору окремих легуючих елементів для розробки електродних матеріалів системи Fe-Mn-C-B, а також гіпотеза про поліпшення якості дереворізального інструменту шляхом комплексного електроіскрового легування і лазерної обробки).

Мета роботи: Розробити технологію підвищення зносостійкості дереворізального інструменту електроіскровим легуванням евтектичним електродом і лазерною обробкою та дослідити його трибологічні характеристики в процесі контактної взаємодії з деревиною.

Для досягнення вказаної мети необхідно вирішити наступні задачі :

1. З'ясувати вплив деяких видів моно- покриттів на трибопоказники інструментальних сталей в контакті з деревиною з врахуванням її будови; виявити при цьому роль комплексного електроіскрового зміцнення евтектичним електродом і подальшої лазерної обробки.

2. Розробити новий безвольфрамовий евтектичний сплав і основні технологічні засади виготовлення електродів та нанесення комплексного зносостійкого покриття на дереворізальний інструмент.

3. Дослідити зносостійкість інструменту в процесі тертя (різання) з деревиною, встановити екстремальні ділянки зношування дереворізального інструменту і раціональні режимні параметри.

4. Оцінити зносостійкість і ріжучу здатність дереворізального інструменту з розробленим покриттям в умовах роботи верстатного обладнання та меблевого виробництва і видати практичні рекомендації щодо його застосування.

Об'єкт дослідження : евтектичний електродний матеріал для комплексного електроіскрового легування і лазерної обробки.

Предмет дослідження : новий евтектичний сплав на основі системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Li, що сприяє підвищенню зносостійкості дереворізального інструменту і продуктивності процесу різання.

Методи дослідження.

Нанесення зносостійких покрить проводили на стандартному обладнанні, що використовується в промислових цілях.

Вплив виду покрить, властивостей деревини і режимів різання на трибопоказники пар тертя досліджували при їх тестуванні в лабораторних умовах за стандартними методиками на спеціальному обладнанні, а також в умовах роботи верстатного обладнання і меблевого виробництва.

Для вивчення структури і окремих фізико-механічних властивостей покрить використовували методи металографічного, рентгенофазового і хімічного аналізів.

Розробку регресійних рівнянь оцінки процесу зношування здійснювали з використанням поліному другого порядку.

Наукова новизна: На підставі встановлених закономірностей протікання процесів контактної взаємодії поверхневозміцнених інструментальних сталей У8 і Р6М5 з деревиною показано, що ефективних з точки зору зносостійкості значень трибопоказників досягається при використанні бінарного покриття, нанесеного шляхом електроіскрового легування евтектичним електродним матеріалом і подальшої лазерної обробки .

Вперше для нанесення електроіскрових покрить обґрунтовано можливість застосування безвольфрамового евтектичного сплаву системи Fe-Mn-B-C-Si-Cr-Li, на склад якого отримано деклараційний патент України на винахід (№39481А від 15.06.2001р). З'ясовано мікроструктуру бінарного покриття з такого евтектичного сплаву, розподіл в ньому елементів, проведено рентгенофазовий аналіз, визначено мікротвердість, характер зламу, шорсткість поверхні.

Шляхом моделювання умов тертя зразків, залежно від впливу параметрів, отримано регресійні рівняння і визначено екстремальні ділянки зношування різального інструменту з комплексним покриттям, проведено вибір раціональних режимних параметрів (питомого навантаження і швидкості різання).

Встановлено основні закономірності зміни величини сили різання і інтенсивності зношування різців із сталі Р6М5 з розробленим покриттям від швидкості і глибини різання, а також подачі.

Практичне значення одержаних результатів:

Розроблено технологію виготовлення нового безвольфрамового евтектичного електродного матеріалу на основі системи Fe-Mn-B-C-Si-Cr-Li та технологію нанесення з нього комплексного бінарного покриття шляхом електроіскрового легування і лазерної обробки з метою підвищення зносостійкості дереворізального інструменту.

Технологія нанесення комплексного покриття апробована на різцях із сталей У8, що використовуються при точінні ніжок стільців і столів на ВАТ Меблевий комбінат “Стрий” Львівської області, які показали підвищення зносостійкості у 2…3 рази в порівнянні з різцями зміцненими серійною технологією (гартуванням). Впровадження даної технології для зміцнення токарних різців дозволило підвищити продуктивність механічної обробки на 30…40% і дало економічний ефект 1650 грн. в рік.

Результати дисертаційної роботи впроваджено також в навчальний процес кафедри технології матеріалів та інженерної графіки Укр ДЛТУ при читанні лекційного курсу “Методи поверхневого зміцнення конструкційних матеріалів”.

Особистий внесок здобувача :

·

· здійснено порівняльні дослідження впливу покриттів на триботехнічні властивості ріжучого інструменту [2, 3, 4] та режимів різання на зносостійкість інструменту [5];

· розроблено новий евтектичний сплав для електроіскрової обробки [6, 7];

· проведено оптимізацію евтектичного сплаву по зносостійкості покриття [7];

· побудовано регресійні моделі для дослідження процесу зношування [8];

· досліджено зносостійкість покрить і силу різання при точінні деревних матеріалів на верстатному обладнанні [9];

· досліджено структуру і основні фізико-механічні властивості комплексного покриття [10].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації викладено у доповідях на конференціях:

·

· ХІІІ Konferencja Naukowa Wydzialu Technologii Drewna SGGW “Drewno-Material o wszechstronnym przeznaczeniu i zastosowaniu.” – Warszawa, 16-18 listopada 1999r.

· V міжнародна конференція – виставка “Проблеми корозії і протикорозійного захисту матеріалів.” Корозія – 2000. – Львів, 6 – 9 червня 2000 р.

· Міжнародна конференція “Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий.”- Кацивели. АРК, /18-22 сентября 2000 г.

· 51-а науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу, наукових співробітників, докторантів та аспірантів УкрДЛТУ. Підсекція: “Поверхневе зміцнення і механічна обробка конструкційних матеріалів та графоаналітичні методи проектно-конструкторських розробок технологічного обладнання.” – Львів, 9-11 квітня 2001 р.

· IV міжнародний симпозіум з трибофатики “ISTF 2002”. – Тернопіль, 23 – 27 вересня 2002 р.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 робіт: вісім статей у фахових журналах і збірниках наукових праць, одна – у матеріалах міжнародної науково-технічної конференції. Отримано один деклараційний патент України на винахід.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розді-лів, загальних висновків, списку використаних джерел з 154 найменувань, додатку, викладена на 146 сторінках, містить 44 рисунків, 24 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, викладено мету і завдання дослідження, показано наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, окреслено основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі проведено аналіз літературних даних існуючих методів підвищення фізико-механічних властивостей інструментальних матеріалів. Показано перспективність та переваги методу ЕІЛ для зміцнення інструменту. Грунтовний аналіз теоретичних та прикладних задач, пов'язаних з формуванням ЕІП на металах і сплавах, дано в роботах Б.Р. Лазаренка, Г.В. Самсонова, А.Д. Верхотурова, М.С. Ковальченка, В.С.Коваленка, І.А. Підчерняєвої, В.В. Михайлова, Г.П. Іванова та інших.

Обґрунтовано необхідність розробки нових безвольфрамових електродних матеріалів з евтектичною структурою для вдосконалення технології ЕІЛ (роботи В.М.Голубця, М.І.Пашечка, О.Б.Гасія), а також доцільність застосування після електроіскрового легування подальшої лазерної обробки (ЕІЛ + ОКГ) (роботи О.В.Паустовського, В.П.Ботвінко та інші).

У другому розділі охарактеризовано досліджувані матеріали і методики проведення експериментів. Матеріалами для зразків дереворізального інструменту вибрано інструментальні сталі марок У8 і Р6М5. При дослідженні процесів контактної взаємодії використовували сталевий індентор циліндричної форми з конусом при вершині і радіусом заокруглення 0,5 мм, при моделюванні процесу різання зразків – ріжучий інструмент формою 4-х гранної піраміди з кутом при вершині 45°. Зразками оброблюваної деревини вибрано дуб, бук, сосну в сухому (вологість 15%) та мокрому (вологість 38%) стані з розміщенням волокон як вздовж, так і поперек нього, розміром 32х16х5. У випадку моделювання процесу різання використовували зразки деревини діаметром 100 мм, шириною 25 мм.

В якості зміцнюючих технологій використовували імпульсні методи: іонно-плазмове напилення, електроіскрове легування, лазерну обробку, комплексне ЕІЛ+ОКГ, які виконували на стандартних установках “Булат”, “Елітрон-20”, “Квант-15”. Дослідження зносостійкості виконували на трибометрі ТМ-90 і на машині тертя МТ-68, які розроблені в ІПМ НАН України.

Величину вагового зношування лабораторних різців визначали на аналітичній вазі ВЛА-200 гМ, лінійного зношування – за допомогою стандартного індуктивного датчика моделі 211.

Крім цього, проводили випробування зносостійкості натурних прохідних і фасонних різців із сталей У8 і Р6М5 з покриттями в умовах роботи верстатного обладнання на токарно-гвинторізному верстаті 1К62 при точінні деревини дуба діаметром 150 мм, а також здійснювали випробування зміцнених прохідних різців із сталі У8 в умовах меблевого виробництва при точінні ніжок столів і ніжок стільців на ВАТ Меблевий комбінат “Стрий” Львівської області.

Будову і фізико-механічний стан поверхневого шару металу після зміцнення оцінювали за допомогою ОЖЕ-електронної спектроскопії на мікрозонді JAMP - 10S (JEOL), рентгенофазового аналізу - на дифрактометрі Дрон-УМ1 з використанням монохроматичного Соa-випромінювання, металографічного аналізу - з використанням мікроскопу МИМ-8. Мікротвердість структурних складових визначали за допомогою мікротвердоміра ПМТ-3, глибину і характер спрацьованої поверхні зразків з деревини після випробувань встановлювали на профілометрі – профілографі заводу “Калібр”.

Прийняті для обробки результатів зносостійкості дані – середні арифметичні величини з п'яти випробовувань. Крім цього вираховували:

а) середнє квадратичне відхилення S;

б) варіаційний коефіцієнт n;

в) середню похибку варіаційного коефіцієнта Sn ;

г) середню похибку середнього арифметичного відхилення.

Показник точності p результатів досліджень змінювався в межах 4 … 6 %.

У третьому розділі дана оцінка трибопоказників пар тертя “покриття – суха деревина ”, де покриття нанесені різними методами. Оцінку трибохарактеристик здійснювали на трибометрі ТМ-90 при навантаженні 0,03 кг при зворотньо-поступальному русі сталевого індентора з середньою швидкістю 0,02 м/с. Силу тертя (Fтр) фіксували при разовому проході індентора (F1) і після шести проходів (F6). На робочу поверхню сталевого індентора наносили досліджувані покриття. Для порівняння трибовластивостей випробовували сталі марок Р6М5 і У8 не зміцнені і після впливу різних видів обробки (КІБ, ЕІЛ, ОКГ, ЕІЛ+ОКГ). Аналіз отриманих даних дозволяє відзначити, що силові втрати не зміцненої сталі Р6М5 на всіх режимах контактування індентора по деревині нижчі, ніж при проходженні індентора із сталі У8. Це пояснюється вищою мікротвердістю сталі Р6М5 (2200…2250 МПа) в порівнянні із мікротвердістю сталі У8 (2000 … 2100 МПа) і підтверджується меншою глибиною ямки на деревині після проходів індентора із сталі Р6М5 (глибину ямок визначили після наробки ідентора по деревині протягом 1 хв. вздовж волокон). Глибина ямки на сосні після індентора із сталі Р6М5 склала 0,014…0,016 мм проти 0,018…0,021 мм у випадку індентора із сталі У8. Ямка після дії індентора із сталі Р6М5 має гладкі поверхні, її сідловидна форма не сприяє проникненню на велику глибину, тому її формування протікає без суттєвих силових втрат. Ямка після проходу індентора із сталі У8 має нерівну рвану форму, що викликає підвищення сили тертя і сприяє глибшому проникненню індентора. Варто відзначити, що при збільшенні твердості деревини різниця в силових втратах між сталями У8 і Р6М5 значно зростає. Якщо у випадку тертя індентора по сосні максимальна різниця між Fтр становила до 0,001 кг, то при роботі в парі з дубом ця величина зросла до 0,004…0,005 кг. Враховуючи вище відзначене , подальші дослідження впливу нанесених покриттів на триботехнічні характеристики пари “сталь -деревина” проводили в основному із застосуванням сталі Р6М5, порівнюючи їх в окремих випадках зі сталлю У8.

Аналізуючи процеси контактної взаємодії сталі Р6М5 з досліджуваними покриттями в парі з різними видами деревини, відзначено наступне. Для сталі Р6М5 з іонно-плазмовим покриттям із нітриду титану, отриманим методом КІБ , характерним є той факт, що із збільшенням часу випробувань сила тертя зростає, тобто Fтр1< Fтр6. Це спостерігається як при терті вздовж волокон, так і поперек них. Очевидно, із збільшенням часу випробувань має місце неодноразова деформація зруйнованих волокон, яка призводить до того, що слід від індентора (ямка) набуває сідловидної форми, краї ямки гладкі. Твердість покриття із нітриду титану різко зростає в порівнянні з незміцненою сталлю Р6М5 (7600…7800 МПа), що зменшує значення сили тертя , хоча глибина ямки несуттєво збільшується (0,023…0,025 мм).

При проходженні індентора з покриттями після обробки ОКГ, а також ЕІЛ, на деяких деревинних матеріалах спостерігається зворотня залежність - Fтр1>Fтр6 . Аналіз профілограм показує, що у випадку тертя індентора після обробки ОКГ з мікротвердістю 6200….6250 МПа ямка набуває клиноподібної форми з рівними краями, тобто при терті переважає процес різання, який із збільшенням часу випробувань не викликає зростання сили тертя. Поверхня залишається достатньо гладкою, глибина ямки становить 0,044…0,046 мм.

При роботі індентора з покриттям отриманим ЕІЛ мікротвердістю 5100…6500 МПа сила тертя зростає, що пояснюється підвищеною шорсткістю поверхні індентора і це наглядно простежується на профілограмі ямки (глибина ямки 0,028…0,032 мм).

У випадку випробувань комплексного бінарного покриття (ЕІЛ + ОКГ) мікротвердістю 9100 … 10300 МПа спостерігається наступна залежність сил тертя - Fтр1і Fтр6 , тобто простежується практично її зменшення , що характеризує процес як ріжучий. Форма і поверхня ямки клиноподібна, гладка , глибиною 0,060…0,064 мм, а це сприяє зменшенню зусиль різання і зменшенню силових витрат в зоні контакту.

Таким чином, бінарне комплексне покриття нанесене на інструментальні сталі володіє кращими триботехнічними характеристиками в порівнянні з іншими покриттями.

В реальних умовах часто обробці піддається деревина, належно не висушена. У зв'язку з цим певний інтерес представляли дослідження впливу вологи в деревині на процеси контактної взаємодії пар “сталевий індентор – волога деревина”. У цьому випадку застосовували плоскі зразки з деревини з вмістом вологи 38%. Контакт сталевого індентора з вологою деревиною у всіх випадках досліджень призводить до зменшення в 2,5 рази сили тертя в порівнянні з сухою деревиною. Очевидно, це пояснюється наявністю в зоні контакту вологи, яка виконує змащувальну дію на матеріал. Як і у випадку при терті індентора по сухій, так і при терті по вологій деревині найкращими трибовластивостями володіє комплексне бінарне покриття (ЕІЛ+ОКГ).

З метою підтвердження отриманих на трибометрі результатів і для оцінки поведінки покрить в більш жорсткіших режимах роботи проведені дослідження стійкості покрить при фрикційному контакті в парі з сталлю 65Г. Оцінку трибовластивостей матеріалів здійснювали на машині тертя МТ-68 при обертовому русі зразка із сталі Р6М5 з покриттям по сталі 65Г за схемою “палець-диск” з V=5 м/с і Р=1 МПа. В процесі експерименту фіксували силу тертя і лінійне зношування. Показано, що нанесення покриття в декілька разів підвищує стійкість проти спрацювання досліджуваних інструментальних сталей. Підвищеним комплексом триботехнічних властивостей володіють комплексні бінарні покриття. Нанесення цих покрить на сталі У8 і Р6М5 не змінює рівень силових втрат. Коефіцієнт тертя в обох випадках рівний 0,3. Інтенсивності зношування сталей теж співрозмірні. Деяка різниця (для сталі У8+ЕІЛ, m=0,45, а для сталі Р6М5+ЕІЛ, m=0,4) в значеннях коефіцієнтів тертя для сталей У8 і Р6М5 має місце після ЕІЛ. Пояснюється це тим, що після ЕІЛ не вся поверхня металу покрита легуючими елементами евтектичного електроду, а лише її 70…80%. У випадку комплексного (ЕІЛ + ОКГ) зміцнення лазерна обробка сприяє рівномірному розподілу легуючих елементів по всій контактній поверхні зразка, про що свідчить вужчий діапазон розходження показників мікротвердості (в межах 200…300 МПа), тоді як для покриття після ЕІЛ цей діапазон зростає (400…500 МПа). Найвища зносостійкість комплексного покриття досягається завдяки його структурі і комплексу фізико-механічних властивостей сформованого зміцненого шару металу, в т.ч. і його високій твердості.

Моделювання умов тертя зразків із дуба з вмістом вологості 15% (діаметром 100 мм і шириною 25 мм) різцями із інструментальних сталей У8 і Р6М5, зміцнених електроіскровим легуванням електродом системи Fe–Mn – C – B – Si - Cr з подальшою лазерною обробкою, здійснювали на машині тертя МТ-68 (досліди проводили при поєднанні обертового і зворотньо - поступальних рухів) і визначали інтенсивність зношування (Ізн мг/км) при V=3; 6; 9 м/с і Р = 10; 20; 30 Н. Тривалість точіння становила 300 секунд.

Найменша інтенсивність зношування різального інструменту з покриттям після ЕІЛ + ОКГ має місце при точінні деревини за допомогою сталі Р6М5 при швидкості 9 м/с і навантаженні 10 Н (зменшення в 4…6 раз інтенсивності зношування сталі У8 і до 5…7 разів сталі Р6М5 в порівнянні з сталями без покриття; підвищення продуктивності процесу різання в 2 рази). Більше того, проведене контрольне зважування контртіла із сосни до – і після обробки різанням при V = 9м/с і Р = 10 Н протягом 10 секунд показало, що у випадку застосування в якості різця сталі Р6М5 знімання деревини склало 0,00202 кг, у випадку застосування цієї ж сталі з комплексним ЕІЛ+ОКГ покриттям втрати ваги дерев'яного контртіла становлять 0,00551 кг, тобто майже в 2 рази більше. Таким чином, нанесення комплексного бінарного покриття на сталь Р6М5 забезпечує не тільки підвищену зносостійкість дереворізального інструменту, але і підвищує продуктивність процесу різання деревини.

Четвертий розділ дослідження присвячений розробці технологічних засад нанесення нових зносостійких комплексних (ЕІЛ+ОКГ) покрить з використанням евтектичних електродних сплавів. Базовою системою для евтектичного сплаву була обрана система Fe – Mn – C – B. Оскільки для отримання такого сплаву основними компонентами є СЧ - 20, В203, Fе Мn та інші, тому в складі евтектичного електроду завжди містяться шкідливі домішки : сірка, фосфор, кисень і ін. Ці шкідливі домішки різко знижують комплекс фізико-механічних властивостей, тому що вони розміщуються по границях зерен, а це робить матеріал крихким, менш пластичним. Отже, підвищити комплекс фізико-механічних властивостей електродного матеріалу, а з ним і службові властивості ріжучого інструменту можна шляхом введення в його склад сплаву нового елементу, який би мав велике споріднення до фосфору, сірки, кисню та інших компонентів і забезпечив би очищення границь зерен від цих шкідливих домішок.

Аналіз літературних даних показує, що одним з найбільш ефективних еле-ментів в такій ролі може виступати літій. Введення в сплав літію підвищує меха-нічні властивості і корозійну стійкість, зокрема підвищується межа текучості і міцності, твердості, покращується обробка різанням. Літій у сталях та сплавах, маючи високу спорідненість до кисню, сірки та фосфору, застосовується для дегазації, а також для зв'язування сірки і фосфору. Введення літію підсилює загальну десульфурацію сплаву, ущільнює структуру поблизу зерен, очищує від фосфору та оксидних виділень, що у сукупності підвищує зносостійкість.

Таким чином, зроблено припущення, що відомий і використаний нами в попередніх дослідженнях (розділ ІІІ) евтектичний матеріал системи Fе-Мn-С-В-Si-Cr для підвищення трибопоказників інструментальних сталей, при легуванні його літієм, може дати додатковий позитивний ефект щодо стійкості дереворізального інструменту.

З літературних даних, з аналізу діаграм стану можна зробити висновок, що з основними компонентами, які утворюють евтектичний сплав системи Fе-В-Мn-С-Si-Cr, літій практично не взаємодіє, чого не можна сказати про шкідливі домішки, які утворюються в цьому сплаві при його синтезі. Тому був розроблений склад евтектичного сплаву із системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr, до якої добавили літій у певних співвідношеннях і провели оптимізацію цього сплаву по зносостійкості для випадку комплексної обробки (ЕІЛ+ОКГ).

Результати оптимізації складу щодо інтенсивності зношування показали оптимальний вміст легуючих елементів (С=0,6…1%; Mn=1,6…5%; В=0,9…3,45%; Si=1,25…4,2%; Cr=6,5…13%; Li=0,3…1,15%; Fe – решта) і граничне співвідношення бору до літію, як 3:1. Бінарні покриття нанесені на сталі У8 і Р6М5 з використанням розробленого електродного сплаву володіють вищою твердістю (12800 МПа проти 11000 МПа) та підвищеним рівнем зносостійкості в порівнянні з відомим сплавом системи Fе-Мn-С-В-Si-Cr (в середньому в 1,5 рази).

Склад нового евтектичного сплаву захищено Деклараційним патентом України на винахід. З врахуванням цього сплаву розроблена технологія виготовлення електродних матеріалів для електроіскрового легування, а також - технологія нанесення зносостійких покриттів комплексним електроіскровим легуванням та лазерною обробкою, яка включає в себе : підготовку деталі і нанесення електроіскрового покриття, підготовку деталі для обробки ОКГ і лазерну обробку покриття після ЕІЛ, контроль якості отриманого комплексного бінарного покриття.

Досліджено структуру і окремі фізико-механічні властивості електродного евтектичного сплаву і комплексного покриття.

За результатами ОЖЕ-електронної спектроскопії виявлено наявність в евтектичному сплаві, злам якого в переважній більшості має в'язко-пластичний характер, усіх елементів системи Fе-Мn-С-В-Si-Cr-Li. Рентгенофазовий аналіз показав наявність в сплаві таких фаз: a- Fe , Fe3(B,C), Fe2B, Fe3(Si,B).

Загальний вид структури електроіскрового покриття (рис. 1,а), нанесеного електроіскровим легуванням розробленим евтектичним електродом, засвідчує наявність ерозійних ямок, які утворюються під дією на металооснову одиничних розрядів. Їх форма залежить від діаметру електроду і кута його нахилу до площини основи.

Рис. 1. Загальний вид елекроіскрового покриття нанесеного ЕІЛ (а)

і електроіскрового покриття після обробки ОКГ (б), х70

Спостерігається подрібнення зерна під дією іскрового розряду. Цим же, а також мимовільним викидом матеріалу за межі ямки, пояснюється наявність мікротріщин на дні ямки і їх надто нерівномірний мікрорельєф. Загальний вид

електроіскрового покриття після обробки лазером засвідчує чітку сотову структуру поверхні, яка утворюється в результаті імпульсної дії лазерної обробки (рис. 1.б). При дії лазерного імпульсу відбувається локальне плавлення ділянки покриття. В результаті термокапілярної конвекції, яка виникає внаслідок нерівномірності розподілу температури на поверхні ванни розплаву та впливу тиску віддачі потоку плазми, відбувається перенесення легуючої речовини в об'єм ванни.

Після обробки ОКГ в покриттях зникають пори і мікротріщини, що позитивно впливає на експлуатаційні властивості покриттів. Границі перекриття характерні дрібними порами розміром 2…5 мкм, які мали місце на покритті після ЕІЛ. Під впливом лазерного імпульсу і тиску ударної хвилі вони витісняються до меж плями, газ з деякої частини пор виходить на поверхню і сприяє утворенню кратерів.

Металографічні дослідження сталі У8 і Р6М5 з нанесеними покриттями свідчать, що на поверхні утворюється білий шар дрібнозернистої структури певної товщини і твердості, який формується з рідкого стану і при дії на нього травників його структура не виявляється.

В загальному, у комплексному покритті на сталі (рис. 2), яке після ЕІЛ обробляли лазером з щільністю потужності 1,5 Дж/мм2, мають місце оплавлені ділянки і кратери. Це пов'язано з неоднорідним ступенем оплавлення покриття та дією ударної хвилі генерованої плазми.

Рис. 2. Мікроструктура комплексного покриття (ЕІЛ + ОКГ) (х 1000):

1 – покриття після ЕІЛ; 2 – покриття після ЕІЛ+ОКГ

У бінарному покритті ділянки високої твердості (12000…13000 МПа) межують з зонами меншої твердості (10000…11000 МПа). Перші виділяються світлим кольором внаслідок меншого протравлення на сірому фоні оплавленого шару, який більше протравлюється травниками.

Дифрактограма зразка зі сталі Р6М5 після ЕІЛ з застосуванням вище описаного електродного матеріалу характеризується наявністю відбитків від та-

ких фаз: a- Fe, Fe3(B,C), Fe2B, Fe3(Si,B). Лазерна обробка покриття після ЕІЛ призводить до появи на дифрактограмі піків від Fe3O4, реєструються також слабкі розмиті піки цементиту. Після зняття поверхневого шару покриття, піки вказаного оксиду не реєструються. На дифрактограмах шліфованих зразків спостерігаються три фазові складові : альфа- та гама – Fe i Fe3(B, C). Причому кількість аустеніту складає ~ 5%.

Із основних фізико-механічних властивостей визначали : товщину покриття, яка складає 50…60 мкм, мікротвердість ”12800 МПа, шорсткість поверхні 2,5…2,8 мкм.

У п'ятому розділі приведено результати досліджень зносостійкості розробленого покриття як в лабораторних умовах, так і в умовах роботи верстатного обладнання і реального меблевого виробництва.

Встановлено вплив основних параметрів різання (швидкості, навантаження) на інтенсивність зношування різців з розробленим новим комплексним покриттям (табл.). Отримано регресійні рівняння для визначення екстремальних ділянок зношування різального інструменту з новим покриттям.

Таблиця

Результати інтенсивності зношування різців з комплексним покриттям (електрод системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Li) в залежності від режимів різання

Швид- кість V, м/с Наванта- ження Р, Н Інтенсивність зношування Ізн, мг/км

сталь У8+(ЕІЛ+ОКГ) сталь Р6М5+(ЕІЛ+ОКГ)

3 6 9 10 10 10 0,095 0,025 0,004 0,065 0,007 0,001

3 6 9 20 20 20 0,180 0,025 0,009 0,160 0,025 0,009

3 6 9 30 30 30 0,800 0,450 0,030 0,300 0,040 0,030

Регресійні рівняння в координатах V i P для кожної із сталей мають вигляд :

сталь У8: Ізн=1130,5-193,8V-125,5P+15,6VP+8,8V2+4,2P2-0,3V2P-0,4P2V (1)

сталь Р6М5: Ізн= -85,1+37,03V+21,7P-7,3VP-3,2V2+0,3P2+0,6V2P-0,03P2V (2)

На основі цих рівнянь встановлено основні закономірності зміни інтенсивності зношування дереворізального інструменту із сталі У8 і Р6М5 з розробленим комплексним бінарним покриттям залежно від швидкості різання і питомого навантаження.

Сумарні діаграми зношування (рис. 3) засвідчують, що з підвищенням навантаження інтенсивність зношування збільшується, а із збільшенням швидкості для обох випадків інтенсивність зношування падає.

Рис. 3. Діаграми інтенсивності зношування Ізн сталі з комплексним покриттям залежно від питомого навантаження Р і швидкості різання V:

а) сталь У8; б) сталь Р6М5

Комплексне на базі системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Li бінарне покриття на сталіУ8 до 2,5 раз і на сталі Р6М5 до 1,5 раз за своєю зносостійкістю перевищує аналогічне покриття на цих же сталях, нанесене електродом системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr. Запропоновано раціональні значення режимних параметрів - найменше значення інтенсивності зношування простежується при V =9 м/с і Р=10Н. Підвищення зносостійкості досліджуваних сталей з розробленим комплексним покриттям зумовлено збільшенням в 2…3 рази ерозії аноду і приросту катоду в порівнянні з вольфрамовмісним електродним матеріалом при ЕІЛ, а також перебудовою мікроструктури поверхневого шару і покращенням комплексу його фізико-механічних властивостей після ЕІЛ вторинною лазерною обробкою – рівномірному розподілу легуючих елементів по всій поверхні, підвищенню мікротвердості, зниженню шорсткості зміцненої поверхні.

Проведена оцінка зносостійкості розробленого покриття в умовах роботи верстатного обладнання, а саме при точінні деревини дуба прохідним різцем на токарно-гвинтоворізному верстаті 1К62 при різних швидкостях і глибинах різання, а також різних подачах. Час різання, як і початковий діаметр деревини, у всіх випадках випробувань були однаковими і складали відповідно 600 с і 150 мм. Визначено основні закономірності зміни величини сили різання, а також інтенсивності зношування різця із сталі Р6М5 та з комплексним покриттям на основі системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Li від швидкості різання, глибини різання і подачі (рис 4). Підтверджено вищу зносостійкість (1,5…2,5 рази) і зменшення сили різання (на 10…15%) комплексного покриття на основі системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Li в порівнянні з аналогічним покриттям системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr на досліджуваних сталях.

Завершальним етапом досліджень була перевірка зносостійкості розробленого покриття в умовах меблевого виробництва. Так, застосування комплексної (ЕІЛ+ОКГ) технології зміцнення прохідних і фасонних різців з інструментальної сталі У8 , що використовується для точіння ніжок стільців та столів у ВАТ Меблевий комбінат “Стрий” Львівської області, дало можливість підвищити їх зносостійкість в в 2….3 рази в порівнянні з серійною термічною обробкою (гартування) і збільшити продуктивність процесу точіння на 30…40%.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено узагальнення закономірностей протікання трибологічних процесів при контактній взаємодії поверхнево зміцнених інструментальних сталей з деревиною, а також нове вирішення науково-технічної задачі, яке полягає у створенні безвольфрамового евтектичного електродного матеріалу і комплексної (ЕІЛ+ОКГ) технології нанесення з нього бінарного покриття з високими триботехнічними характеристиками для підвищення зносостійкості дереворізального інструменту.

1. Встановлено основні триботехнічні характеристики – силу (коефіцієнт) тертя, зносостійкість (інтенсивність зношування), ріжучу здатність – процесу контактної взаємодії інструментальних сталей У8 і Р6М5 з покриттями після іонно-плазмового напилення, електроіскрового легування, лазерної обробки та комплексного ЕІЛ з наступним лазерним опроміненням в парі з різними породами деревини (дуб, бук, сосна), в т.ч. вздовж і поперек волокон, з врахуванням впливу вологості, а також закономірності їх зміни в залежності від виду нанесених покрить і режимів різання (параметрів тертя) – швидкості і навантаження .

2. Показано, що ефективних значень трибопоказників при контактній взаємодії інструментальних сталей з різними породами деревини можна досягнути для комплексного бінарного покриття, отриманого ЕІЛ евтектичним електродом системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr з наступною лазерною обробкою (зменшення в 4…6 разів інтенсивності зношування сталі У8 і до 5…7 разів сталі Р6М5 в порівнянні з цими сталями без покриття; підвищення продуктивності процесу різання майже в 2 рази), що дало підставу для подальшого розвитку досліджень з використанням електродних матеріалів такого класу для підвищення зносостійкості дереворізального інструменту.

3. Вперше для електроіскрового легування інструментальних сталей У8 і Р6М5 запропоновано новий безвольфрамовий евтектичний сплав на основі заліза системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Li. Обгрунтовано вибір складу і концентрації компонентів сплаву, встановлено їх граничні значення. Проведено оптимізацію складу евтектичного сплаву щодо зносостійкості при наступному співвідношенні компонентів : 0,6…1% С; 1,6…5% Mn; 0,9…3,45% В; 1,25…4,2% Si; 6,5…13% Cr; 0,3…1,15% Li; 73,20…88,85% Fe (причому співвідношення В:Li становить 3:1). Введення літію дозволило зменшити негативний вплив шкідливих домішок (сірки, фосфору, кисню і ін.), які суттєво знижують рівень службових характеристик покриттів внаслідок їх крихкості у відомих інших сплавах на базі системи Fe-Mn-C-B. Новий безвольфрамовий евтектичний сплав на основі заліза характеризується в'язко-пластичним зламом з розгалуженою структурою поверхні, високою рівномірністю розподілу хімічних елементів, наявністю таких фаз: a- Fe , Fe3(B,C), Fe2B, Fe3(Si,B). На склад сплаву отримано деклараційний патент України на винахід за №39481А від 15.06.2001р .

4. Розроблено технологію виготовлення нового економнолегованого евтектичного електродного матеріалу з домішками літію, визначено оптимальні режими синтезу (Т=1260 … 1280°С, t = 10 хв.). Запропоновано комплексну технологію нанесення з цього електродного матеріалу бінарного покриття шляхом ЕІЛ (за режимом - ємність конденсаторів С = 470 мкФ, амплітуда імпульсів напруги U = 42 В, робочий струм Ір=5 А, енергія одиничного розряду W = 0,37 Дж) і наступного лазерного опромінення (за режимом - діаметр плями dn=1,284 мм, площа плями Sn” 1мм2, частота 4 Гц, границя перекриття КП=0,5, щільність енергії ЕF=1,5 Дж/мм2).

5. Структура комплексного бінарного покриття нанесеного ЕІЛ+ОКГ з використанням евтектичного електродного матеріалу системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Li має вигляд білого шару дрібнозернистої структури (формується з рідкої фази) товщиною 50…60 мкм, твердістю до 1,5 раза більшою від нанесеного за допомогою електроду системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr і в 5,5 раза вищою твердості основи. В структурі сталі з комплексним покриттям чітко простежується три зони: основа металу, зона ЕІП, зона комплексного покриття після ЕІЛ+ОКГ різної твердості (2340, 7150 і 12800 МПа відповідно).

6. На основі розроблених регресійних рівнянь встановлено основні закономірності зміни інтенсивності зношування дереворізального інструменту із сталі У8 і Р6М5 з розробленим комплексним бінарним покриттям залежно від швидкості різання і питомого навантаження. Комплексне на базі системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Li бінарне покриття на сталі У8 до 2,5 раза і на сталі Р6М5 до 1,5 раза за своєю зносостійкістю перевищує аналогічне покриття на цих же сталях, нанесене електродом системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr. Запропоновано раціональні значення режимних параметрів, які показали, що найменша інтенсивність зношування простежується при V = 9 м/с і Р = 10 Н. Підвищення зносостійкості досліджуваних сталей з розробленим комплексним покриттям зумовлено збільшенням в 2…3 рази ерозії аноду і приросту катоду в порівнянні з вольфрамовмісним електродним матеріалом при ЕІЛ, а також перебудовою мікроструктури поверхневого шару і покращенням комплексу його фізико-механічних властивостей після ЕІЛ вторинною лазерною обробкою – рівномірному розподілу легуючих елементів по всій поверхні, підвищенню мікротвердості, зниженню шорсткості зміцненої поверхні.

7. Встановлено в умовах роботи верстатного обладнання (при точінні деревини на токарно-гвинторізному верстаті 1К62) основні закономірності зміни величини сили різання та інтенсивності зношування прохідного різця із сталі Р6М5 та з комплексним покриттям на основі системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Li від швидкості різання, глибини різання і подачі. Підтверджено вищу зносостійкість і зменшення сили різання комплексного покриття на основі системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Li в порівнянні з аналогічним покриттям системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr на сталі Р6М5 відповідно у 1,5 раза і на 10%, а в порівнянні із сталлю Р6М5 без покриття відповідно у 5 разів і на 15%.

8. Розроблена комплексна технологія нанесення бінарного покриття на базі системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Li апробована при поверхневому зміцненні прохідних і фасонних різців із сталі У8, використання яких при точінні ніжок стільців і столів у ВАТ Меблевий комбінат “Стрий” Львівської області, показало підвищення зносостійкості дереворізального інструменту в 2…3 рази порівняно із серійною технологією виготовлення (гартування) і підвищення продуктивності механічної обробки вказаних деталей на 30…40%. Економічний ефект від впровадження цієї технології на підприємстві склав 1650 грн. в рік.

Результати дисертаційної роботи також впроваджено в навчальний процес при читанні лекцій з дисципліни “Методи поверхневого зміцнення конструкційних матеріалів”.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах :

1. До питання підвищення стійкості