ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

НЕСТЕРОВ ОЛЕГ ЮРІЙОВИЧ

УДК 621.791.927.55

ПІДВИЩЕННЯ СТІЙКОСТІ МЕТАЛООБРОБЛЮВАЛЬНОГО

ІНСТРУМЕНТУ ПЛАЗМОВОЮ ПОВЕРХНЕВОЮ

ОБРОБКОЮ

Фах: 05.03.06.- Зварювання та споріднені технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь 2002 р.

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ), Міністерство освіти і науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент

Самотугін Сергій Савелійович,

завідувач кафедри “Металорізальні

верстати та інструменти” ПДТУ

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор

Петров Станіслав Володимирович,

заступник директора науково-

виробничого підприємства “ТОПАС”–

кандидат технічних наук

Зареченський Анатолій Васильович,

старший науковий співробітник ВАТ “ДСКТІ”

концерну “Азовмаш”

Провідна установа - Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, кафедра

“Відновлення і зміцнення деталей машин”

Захист відбудеться 14.06.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, ПДТУ, м. Маріуполь, Донецької області, вул.Університетська, 7, Україна.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ПДТУ: 87500, м.Маріуполь, вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий 12.05.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Маслов В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Висококонцентрований плазмовий струмінь – ефективне джерело нагріву в процесах зварювання та споріднених технологій – напилення, наплавлення , поверхневої обробки. Однією з найбільш перспективних галузей використання висококонцентрованого плазмового струменю є поверхнева обробка, яка дає можливість отримання високих швидкостей нагріву та охолодження, завдяки високій температурі та ентальпії плазми, а також високій щільності потужності (до 105 – 106 Вт /см2).

Плазмове поверхневе зміцнення, як і обробка іншими висококонцентрованими джерелами нагріву (ВКДН) , дозволяє отримати такий рівень властивостей сталей та сплавів, який є недоступним для відомих способів поверхневого зміцнення.

Актуальність теми. Розробка та дослідження нових технологій обробки ВКДН особливо актуальна для інструментального виробництва, що зумовлено дефіцитом та високою ціною інструментальних сталей. На теперішній час недостатньо дослідженими залишаються питання комплексної обробки інструментальних сталей, що поєднують об'ємне гартування та плазмову поверхневу обробку. Подібні дослідження потрібні тому, що досягнення найбільш високих значень експлуатаційних властивостей інструментальних сталей можливе лише при виконанні плазмової поверхневої обробки разом з об'ємним термічним зміцненням (гартуванням, відпуском). На даний час немає науково обгрунтованих рекомендацій що до вибору оптимальних режимів плазмової обробки у поєднанні з об'ємною обробкою інструментальних сталей.

Можливість підвищення працездатності інструмента при використанні плазмового джерела нагріву залежить від досягненого рівня експлуатаційних властивостей: твердості, теплостійкості, міцності, пластичності. Не зважаючи на велику кількість публікацій на теперешній час немає єдиних (стандартних) методік механічних випробувань поверхневозміцнених матеріалів. Тому актуальним є також розробка методик, за допомогою яких можна визначати локальні механічні властивості металу зміцненого шару, оскільки при експлуатаційному навантаженні різального та деформуючого інструменту найбільше навантаження отримує метал зміцненого шару.

Технологія комплексної обробки інструментальних сталей характеризується високими техніко-економічними показниками. Враховуючи, що проблема підвищення працездатності інструменту є актуальною на будь-якому машинобудівному підприємстві, можна зробити висновок про практичну цінність роботи.

Наукова і практична вартість проблем, які поставлені і вирішені в дисертації, дозволяє вирішити важливе науково-практичне завдання - підвищити працездатність металооброблювального інструменту. Реалізація роботи забезпечує підвищення продуктивності і якості виробництва , економію матеріальних і енергетичних ресурсів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. За тематикою дисертації при безпосередній участі автора виконані науково-дослідницькі госпдоговірні та держбюджетні роботи (1995-2001 роки), у тому числі у рамках координаційного плану НДР Міносвіти і науки України за тематикою “Фізичне формування структури, фазовий склад і фізичні властивості перспективних металевих матеріалів, покриттів і тонких шарів” за фаховим напрямком “Фізичне матеріалознавство” (1997-2001 роки), державний реєстраційний № 0100У002590.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є наукове обгрунтовання технологічних параметрів плазмової поверхневої обробки інструментальних сталей для підвищення їх експлуатаційних властивостей.

Для досягнення цієї мети в роботі були поставлені наступні завдання:

- вивчити властивості та методи зміцнення інструментальних сталей;

- розробити методику розрахунку оптимальних режимів плазмової обробки інструменту;

- дослідити вплив режимів комплексного об'ємно-плазмового зміцнення на властивості інструментальних сталей;

- дослідити механічні властивості інструментальних сталей після плазмової поверхневої обробки;

- розробити технологічні процеси плазмової обробки інструменту.

Об'єкт дослідження – процеси, що відбуваються при плазмовій обробці інструментальних сталей і їхній вплив на службові характеристики металооброблювального інструменту.

Предмет дослідження – визначення оптимальних технологічних режимів комплексної об'ємно-плазмової обробки, яка містить об'ємне гартування з використанням нестандартних температурних інтервалів та плазмову поверхневу обробку за оптимальними режимами, експлуатаційні властивості інструментальних сталей після комплексної обробки, вплив розташування плазмового струменя на форму та розміри зони плазмової дії, вплив ступеню дії механізмів зміцнення на структурні перетворення та властивості інструментальних сталей.

Основними методами досліджень у дисертаційній роботі були: математичне моделювання, засноване на законах теплопередачі; рентгеноструктурний аналіз фазового складу та параметрів кристалічної гратки; металографічний аналіз структур; механічні випробування при статичному та динамічному навантаженні.

Наукова новизна отриманих результатів.

Розроблена методика розрахунку оптимальних режимів плазмової поверхневої обробки металооброблювального інструменту вздовж робочої кромки, які забезпечують досягнення в зміцненому шарі максимальних показників експлуатаційних властивостей – твердості, теплостійкості, міцності, пластичності. Параметром оптимізації процесу плазмової обробки інструменту вздовж робочої кромки було використано товщину та ширину зміцненого шару з урахуванням крайового ефекту.

На підставі металографічних досліджень та механічних випробувань вперше досліджені характер дії та ступінь впливу різних механізмів зміцнення на досягнений рівень експлуатаційних властивостей інструментальних сталей при комплексній об'ємно-плазмовій обробці. Встановлено, що з підвищенням температури об'ємного гартування зростає ступінь розчинення карбідної фази та вміст залишкового аустеніту в металі зміцненого шару. При цьому найбільш високі показники твердості, теплостійкості та міцності інструментальних сталей досягаються при плазмовій обробці після об'ємного гартування від оптимальних (стандартних) температур. Однак використання плазмової обробки дозволяє значно розширити загальноприйнятий інтервал температур об'ємного гартування: для низьколегованих інструментальних сталей - 800-900 оС; для швидкорізальних сталей - 1170-1270 оС.

Встановлена можливість використання поверхневої обробки та розроблені оптимальні режими плазмового мікрооплавлення для усунення структурної та механічної неоднорідності швидкорізальної сталі після об'ємного гартування з перегрівом, що дозволяє запропонувати плазмову обробку як метод усунення браку об'ємного гартування інструменту.

Розроблена методика визначення локальних механічних властивостей (міцності, пластичності) при випробуваннях мікрозразків на статичне розтягування, яка дозволяє визначити кількісні характеристики властивостей в окремих дільницях зміцненого шару. Встановлено, що із зростанням температури об'ємного гартування міцність, пластичність та в'язкість руйнування металу зони плазмової дії залежать від ступеня дії зернограничного, субструктурного, твердорозчинного та дисперсійного механізмів зміцнення.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі впровадження результатів досліджень визначені оптимальні режими об'ємно-плазмової обробки інструменту, які забезпечують найбільш високі експлуатаційні характеристики в зміцненому шарі. Розроблена технологія плазмової поверхневої обробки металорізального та формоутворювального інструменту різних типорозмірів (різці, свердла, фрези, зварювальні валки). Виконана апробація запропонованої технології в умовах підприємства “Маріупольважмаш”- ВАТ “Азовмаш”. Зафіксовано підвищення стійкості інструменту в 2-2,5 рази. Випробування в умовах ВАТ “Сталькон” і КСП “Укренергочермет” показали підвищення стійкості зміцненого інструменту в 1,5-2 рази. Очікуваний економічний ефект від впровадження технології комплексної об'ємно-плазмової обробки на 1000 шт. металооброблювального інструменту складає: для різців – 8400 грн.; для свердл – 11200 грн.; для зварювальних валків – 135000 грн.

Розроблена технологія рекомендована до впровадження на машинобудівних та металургійних підприємствах.

Особистий внесок здобувача. Автор брав безпосередню участь у розробці методики розрахунку оптимальних режимів плазмової поверхневої обробки, проведенні досліджень по впливу режимів плазмової обробки на експлуатаційні властивості інструментальних сталей та геометричні розміри зміцненого шару. Автором запропонована методіка виготовлення та конструкція зразків для статичних випробувань та визначення локальних механічних властивостей зміцненого шару.

Автором проведенні дослідження із визначення ступеню дії різних механізмів зміцнення на структуру та властивості інструментальних сталей при комплексній обробці.

Автор брав безпосередню участь у виробничих випробуваннях поверхнево зміцненого інструменту.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались на регіональних науково-технічних конференціях у Приазовському державному технічному університеті (1996 – 2001 р.), міжнародній конференції “Современные проблемы развития сварочного производства и совершенствование подготовки кадров”, наукових семінарах кафедри ОіТЗВ ПДТУ (1996 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 4 статті у фахових виданнях, 4 тези доповідей, отримано 1 патент.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел із 151 найменування, 4 додатків і містить 150 сторінок машинописного тексту, 63 малюнки, 9 таблиць.

1. ВЛАСТИВОСТІ ТА МЕТОДИ ЗМІЦНЕННЯ ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ СТАЛЕЙ

Металооброблювальний інструмент експлуатується у важких умовах зовнішнього навантаження, що поєднують одночасну дію динамічних, контактних, термічних навантажень. Тому інструментальні сталі повинні мати високий комплекс експлуатаційних властивостей – зносостійкість, міцність, теплостійкість. Для підвищення працездатності металооброблювального інструменту на даний час основним способом є об'ємна термічна обробка. При визначенні оптимальних режимів гартування та відпуску досягаються потрібні (стандартні) експлуатаційні властивості інструментальних сталей. Однак практично інструмент, оброблений за відомим способом при задовільній твердості, може мати низьку міцність та низьку теплостійкість (для швидкорізальної сталі), оскільки при способі об'ємного гартування не відбувається повне розчинення первинної карбідної фази та насичення твердого розчину легуючими елементами. Також не завжди строго витримуються потрібні режими об'ємної термічної обробки (температура гартування), внаслідок чого відбувається зниження експлуатаційних властивостей інструменту.

Якісно новий рівень експлуатаційних властивостей інструмен-тальних матеріалів досягається при використанні обробки зварювальними висококонцентрованими джерелами нагріву (ВКДН) – лазерним та електронним променями, плазмовим струменем. Завдяки локальному та надшвидкому тепловому впливу створюються можливості отримання більш високих значень твердості, міцності, теплостійкості у порівнянні з об'ємною обробкою та традиційними способами поверхневого зміцнення. Це зумовлено насамперед утворенням у поверхневому шарі високодисперсної метастабільної структури. Фундаментальні і технологічні питання лазерної та електронно-променевої обробки матеріалів, у тому числі інструментальних сталей та сплавів, розглянуті у роботах Б.Є. Патона, М.М. Рикаліна, В.С. Коваленка, О.О. Углова, О.Г.Григор'янца, О.Н. Сафонова, О.М. Кокори, Л.С. Малінова та ін. Однак, не зважаючи на велику кількість публікацій, маловивченим залишається питання про вплив лазерної та електронно-променевої обробки на експлуатаційні властивості інструментальних сталей після попередньої об'ємної термообробки з відхиленнями від стандартних режимів. Також немає методик оцінки механічних властивостей металу зміцненого шару.

Із способів обробки ВКДН більш економічним, продуктивним та доступним є плазмова обробка. Плазмовий струмінь є високоефективним джерелом енергії не лише у процесах нанесення покриттів, а й у процесах поверхневої модифікації за рахунок фазових перетворень. Різноманітні аспекти плазмових технологій відновлення та зміцнення матеріалів вивчені у роботах В.Д. Пархоменка, Ю.М. Тюріна, С.С. Самотугіна, С.В. Петрова, В.С. Крапошина. Однак, у літературі відсутні результати досліджень фазових і структурних перетворень в інструментальних сталях при плазмовій обробці після попереднього об'ємного гартування від нестандартних температур, немає методик досліджень механічних властивостей металу зміцненого шару. Також немає науково обгрунтованих рекомендацій щодо вибору оптимальних схем та режимів плазмової обробки інструменту.

Актуальність даної роботи зумовлена можливістю значної економії енергоресурсів у порівнянні з відомими способами поверхневої обробки інструментальних сталей та зниження потреби у гостродефіцитних легуючих компонентах, які складають основу інструментальних сталей.

2. РОЗРОБКА МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ ОПТИМАЛЬНИХ РЕЖИМІВ ПЛАЗМОВОЇ ОБРОБКИ ІНСТРУМЕНТУ

Для вибору оптимальних режимів плазмової обробки інструменту важливим завданням є вибір оптимальної відстані вісі сопла плазмотрону відносно робочої кромки металооброблювального інструменту при зміцненні вздовж робочої кромки. Для визначення оптимального розташування зони дії плазмового джерела нагріву, яка забезпечила б якомого менше зношення робочих поверхонь інструменту, були випробувані різні схеми розміщення вісі сопла плазмотрону відносно робочої кромки інструменту (рис. 1, а, б, в, г, д). Були визначені оптимальні розміри ширини та товщини зміцненого шару при розміщенні вісі сопла плазмотрону на відстані, рівній yo = dс/2 від кромки тіла, де dс - діаметр отвору сопла плазмотрону (рис. 1, в). При цьому розміщенні вісі сопла плазмотрону вагома частка теплової потужності плазмового струменя вкладається в робочу поверхню інструмента і при цьому товщина зміцненого шару на боковій поверхні збільшується майже вдвічі за рахунок крайового ефекту.

Розрахункова модель плазмової обробки різального інструменту (різців, свердл, фрез) вздовж робочої кромки у лінійній постановці розроблена з використанням граничної умови П роду. Джерело нагріву рухається на віддалі yo від кромки тіла. Вважаючи кромку тіла (бокову або задню різальну поверхню інструменту) адіабатичною границею у напівнескiнченному тілі можна припустити, що на поверхні вздовж кромки тіла рухаються одночасно з однаковою швидкістю V два джерела однакової потужності q на віддалі один від одного 2yо,. Тоді розподіл температури з урахуванням відбивання тепла від адіабатичної границі, визначений як ТУ , являє собою суму температур від дійсного і фіктивного джерел нагріву:

Рис. 1. Вплив змiщення вісi плазмового струменя вiд краю робочоi кромки

iнструменту на форму та розмiри змiцненої зони

ТУ = T1(y1,z,t) + T2(y2,z,t) =T1 (0,z,t) + T2(y =2yo,z,t), (1)

де складові значення температури нагріву від 1-го та 2-го джерел визначаються рішенням рівняння для швидкорухомого нормально-розподіленного джерела на поверхні напівнескінченного тіла.

Миттєва щвидкість охолодження може бути визначена як перша похідна від рівняння (1) за часом W = dT/dt. Для розрахунків Tmax і W , а також вибору за цими показниками оптимальних режимів зміцнення, розроблена програма для ЕОМ, яка дозволяє вирішити прямі та протилежну завдання: 1 – визначення параметрів термічного циклу Tmax і W для заданого режиму плазмової обробки; 2 – визначення оптимальних режимів плазмової обробки інструменту, які дозволяють отримати найбільш високі значення експлуатаційних властивостей інструментальних сталей. За допомогою даної програми розроблені номограми для вибіру оптимальних параметрів режиму плазмової обробки. Приклад такої номограми для сталі Р6М5 наведен на рис.2. Порядок використання номограми: за розрахованою максимальною температурою нагріву Tmax для заданої точки на глибині z за допомогою номограми визначається оптимальне значення погонної енергії qп плазмової обробки інструменту. Експериментальна перевірка коректності даної методіки розрахунку показала, що помилка при використанні розробленої методіки не перевищує 5…10 %.

Рис.2. Номограма для вибору оптимальних режимів плазмовоi обробки iнструменту iз сталi Р6М5: 1 – обробка без гартування; П – обробка з гартуванням; Ш – обробка з гартуванням та перегрiвом. (z1=0.5мм; z2=3.5 мм; z3=4.5 мм.)

3. ВПЛИВ РЕЖИМІВ КОМПЛЕКСНОГО ОБ'ЄМНО-ПЛАЗМОВОГО ЗМІЦНЕННЯ НА ВЛАСТИВОСТІ ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ СТАЛЕЙ

Відомі у теперішній час способи комплексної об'ємно-поверхневої обробки інструментальних сталей засновані на виконанні попередньої об'ємної обробки за стандартними режимами. На підставі досліджень розроблена комплексна технологія об'ємно-плазмової обробки інструменту, яка містить об'ємне гартування у нестандартному температурному інтервалі недогріву або перегріву, відпуск та поверхневу плазмову обробку за оптимальними режимами

Метою досліджень було визначення експлуатаційних властивостей інструментальних сталей, які отримали об'ємне гартування з відхиленнями режиму від оптимальних (стандартних) значень. Було досліджено структуру, твердість, теплостійкість інструментальних сталей У8, 90ХФ, Р6М5 після комплексної об'ємно-плазмової обробки. Плазмова обробка виконувалась плазмотроном посередньої дії з секціонованою міжелектродною вставкою, потужність плазмового струменю складає 32 кВт, діаметр отвору сопла плазмотрону dc = 6 мм. Основні параметри режиму плазмової обробки: струм обробки ( І , А ), швидкість руху плазмотрону ( V , м/г ), відстань між соплом плазмотрону та поверхнею деталі ( h , мм ), витрата плазмоутворювального газу ( Q, м3/г).

При об'ємному гартуванні з недогрівом в інструментальних сталях простежується значний розбіг значень твердості (рис. 3, а, б, крива 1). Це явище зумовлено незавершеністю фазових б>г -утворень у початковій структурі та структурною неоднорідністю інструментальних сталей після об'ємного гартування від температури, яка не досягає критичної Ас1 або Ас3. Для швидкорізальної сталі важливим фактором є повнота розчинення карбідної фази, яка не досягається при недогріві під гартування, що також значно знижує твердість даної сталі. Наступна плазмова обробка сприяє значному підвищенню твердості (рис. 3, а, б, крива 2) завдяки розчиненню карбідної фази та насиченню твердого розчину вуглецем та легуючими елементами, а також підвищенню ступеня дисперсності мартенситу.

При об'ємному гартуванні з перегрівом зниження експлуатаційних властивостей інструментальних сталей відбувається за рахунок утворення крупнозернистої структури, яка характеризується значним збільшенням розмірів аустенітного зерна. Після плазмового поверхневого зміцнення відбувається значне роздрібнення структури за рахунок чого і спостерігається підвищення експлуатаційних властивостей інструментальних сталей. Плазмова обробка забезпечує більш повне розчинення карбідів у порівнянні з об'ємним гартуванням та більш вищий рівень твердості та теплостійкості.

Рис.3. Залежність твердості інструментальних сталей У8, 90ХФ (а) та Р6М5 (б) від температури об'ємного гартування (Тз) та наступної плазмової обробки (ПО): 1 - об'ємне гартування; 2 - об'ємне гартування та наступна ПО

Дослідженнями встановлено, що температура нагріву під об'ємне гартування для вуглецевих та низьколегованих інструментальних сталей не впливає на характер фазових перетворень та твердість при наступній плазмовій обробці. Температура об'ємного гартування швидкорізальної сталі визначає ступінь розчинення карбідів та твердість. З її підвищенням твердість лінійно зростає. Плазмова обробка забезпечує більш повне розчинення карбідної фази в порівнянні з об'ємним гартуванням та більш вищий рівень твердості.

Використання плазмового зміцнення дозволяє значно розширити стандартний інтервал температур об'ємного гартування для інструмен-тальних сталей різних класів: для 90ХФ від 800 до 900 оС; для Р6М5 від 1170 до 1270 оС.

На підставі металографічних досліджень встановлені механізми фазових та структурних утворень в інструментальних сталях при комплексній об'ємно-плазмовій обробці, яка має об'ємне гартування від нестандартних температур та плазмову поверхневу обробку, яка виконувалась за оптимальними режимами. Вивчені характер дії та ступінь впливу різних механізмів зміцнення (твердорозчинного, зернограничного, субструктурного, дисперсійного) на досягнутий рівень твердості та теплостійкості інструментальних сталей при комплексній об'ємно-плазмовій обробці.

Також встановлена можливість використання поверхневої обробки та розроблені оптимальні режими плазмового мікрооплавлення для усунення структурної та механічної неоднорідності швидкорізальної сталі після об'ємного гартування з перегрівом, що дозволяє запропонувати плазмову обробку як метод усунення браку об'ємного гартування інструмента.

4. МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ СТАЛЕЙ ПІСЛЯ ПЛАЗМОВОЇ ПОВЕРХНЕВОЇ ОБРОБКИ

Відомі у теперішній час методіки визначення механічних властивостей сталей після поверхневого зміцнення ВКДН засновані на випробуваннях масивних зразків з визначенням механічних властивостей, які є інтегральними і залежать від частки зміцненого металу у перетині зразків. При використанні плазмової обробки для металооброблювального інструменту виникла потреба оцінки локальних механічних властивостей власно металу зміцненого шару.

Рис.4. Схеми плазмової обробки та вирізу зразків для статичних випробувань

На підставі розробленої методики статичних випробувань мікрозразків були досліджені локальні механічні властивості інструментальних сталей після комплексної об'ємно-плазмової обробки та визначені кількісні характеристики міцності та пластичності металу зони плазмової дії.

Рис.5. Залежність межі міцності ув та відносного звуження ш сталей 90ХФ (а, в) та Р6М5 (б, г) від температури об'ємного гартування: 1 – після об'ємного гартування; 2 – після наступної плазмової обробки; 3 – теж з наступним відпуском.

В дисертації розроблена методика випробувань, яка дозволяє визначити локальні механічні властивості металу поверхнево зміцненого шару. Мікрозразки, виготовлені з масивної заготовки (рис. 4), випробувались на статичне розтягування з визначенням межі міцності ув та відносного звуження ш для сталей 90ХФ та Р6М5 (рис. 5, а, б, в, г). Встановлено, що з зростанням температури об'ємного гартування міцність металу зони плазмової обробки залежить від ступеню дії зернограничного та субструктурного механізмів зміцнення. Пластичність та в'язкість руйнування металу зміцненого шару залежить від ступеня впливу твердорозчинного механізму зміцнення та із зростанням температури об'ємного гартування знижується. Додаткове підвищення механічних властивостей інструментальних сталей при комплексній обробці досягається за рахунок використання кінцевого об'ємного відпуску, що пов'язано з підвищенням дії дисперсійного механізму зміцнення (рис. 5, в, г).

Експериментально встановлено, що найбільше підвищення твердості та міцності інструментальних сталей досягається при плазмовій обробці після об'ємного гартування від оптимальних для кожної дослідженої сталі температур. Пластичність металу зміцненого шару з підвищенням температури попереднього гартування знижується. Це також підтверджується дослідженнями в'язкості руйнування даних сталей. Характер впливу режимів об'ємно-плазмової обробки на механічні властивості інструментальних сталей визначається ступенем дії різних механізмів зміцнення. На підставі рентгеноструктурного аналізу фазового складу інструментальних сталей після комплексної об'ємно-плазмової обробки та досліджень параметрів кристалічної гратки встановлено ступінь дії кожного механізму зміцнення на механічні властивості металу зміцненого шару для сталей 90ХФ та Р6М5.

5.ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ПЛАЗМОВОЇ ОБРОБКИ ІНСТРУМЕНТУ

На підставі проведених досліджень розроблені і впроваджені у виробництво технологічні процеси комплексної об'ємно-плазмової обробки металооброблювального інструменту. Для формоутворювального (профільні валки) та різального (різці, фрези, свердла) інструменту розроблені оптимальні технологічні схеми та призначені режими об'ємного гартування та плазмової поверхневої обробки.

Технологічні схеми плазмової обробки розроблені таким чином, при використанні яких розрашування зони плазмової дії дає найбільшу зносостійкість різальних та формуючих поверхонь інструменту (рис. 6, 1, П, Ш). Результати виробничих випробувань зміцненого інструменту підтвердили результати досліджень структури і властивостей інструментальних сталей, після комплексної об'ємно-плазмової обробки.

Рис. 6. Технологічні варіанти плазмової поверхневої обробки різальної кромки різців із сталі Р6М5: 1 – по боковій поверхні; П – по задній поверхні; Ш – по боковій та задній поверхні

При вивченні механізмів зношення інструменту встановлено, що найбільше зношення відбувається на задній або боковій робочих поверхнях у залежності від режимів механічної обробки.

При використанні технології плазмової поверхневої обробки зміцнюється бокова поверхня різальної кромки різця (варіант 1). При цьому утворюється зона плазмової дії, яка охоплює бокову та задню поверхні. Глибина зміцненого шару складає 2,5-3 мм при ширині 10-12 мм. Також є варіант плазмової обробки на двох поверхнях: на боковій та задній (варіант Ш). При цьому утворюється зона відпуска в області перекриття двух зон плазмової дії. При виконанні даних технологічних варіантів плазмової обробки підвищується стійкість металорізального інструменту в 1,5-2 рази, час експлуатації інструменту між переточуваннями збільшується у 5-6 разів у порівнянні з об'ємнообробленим інструментом.

Промислове використання технологічних процесів об'ємно-плазмової обробки інструменту дозволяє отримати значний економічний ефект за рахунок зниження витрат інструментальних сталей, підвищення якості та продуктивності механічної обробки.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі на підставі досліджень наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення науково практичного завдання -підвищення стійкості металооброблювального інструменту при використанні процесу плазмової поверхневої обробки за рахунок розробки методики вибору технологічних параметрів плазмової поверхневої обробки інструментальних сталей та дослідження їхніх експлуатаційних властивостей – міцності, теплостійкості, пластичності.

2. На пвдставі використання розробленої методики розрахунку параметрів режиму плазмової обробки інструменту вздовж робочої кромки здійснена оптимізація технологічних варіантів плазмової обробки та отримані оптимальні значення геометрічних параметрів зміцненого шару.

3. На підставі досліджень встановлено додаткове підвищення твердості, теплостійкості, міцності за рахунок роздрібнення мартенситної структури, розчинення карбідів та насичення твердого розчину вуглецем та легуючими елементами при використанні плазмової поверхневої обробки інструментальних сталей. Використання плазмової поверхневої обробки дозволяє розширити інтервал температур об'ємного гартування: для низьколегованої сталі 90ХФ = 800-900 оС; для швидкорізальної сталі Р6М5 = 1170-1270 оС.

4. Визначені локальні кількісні характеристики міцності та пластичності металу зміцненного шару та виявлено вплив комплексної обробки на експлуатаційні властивості інструментальних сталей за рахунок розробки методики випробувань мікрозразків при статичних випробуваннях розтягуванням.

5. Встановлено, що вплив твердорозчинного зернограничного, субструктурного та дисперсійного механізмів зміцнення на підвищення міцності та зниження пластичності зумовлений збільшенням періоду кристалічної гратки та густости дислокацій, а також процентного вмісту мартенситної составляючої у твердому розчині, що встановлено дослідженнями за впливом різних механізмів зміцнення на фазовий склад, структуру та експлуатаційні властивості інструментальних сталей.

6. Розроблені та пройшли промислове випробування технологічні процеси комплексної обробки металорізального інструменту із сталі Р6М5 та формоутворювального інструменту із сталі 90ХФ, які забезпечили підвищення стійкості інструменту в 1,5-2,5 рази.

7. Результати виробничих випробувань підтвердили результати досліджень структури та властивостей інструментальних сталей після комплексного зміцнення. Впровадження технології комплексного зміцнення інструменту дозволить отримати значний економічний ефект за рахунок зниження витрат інструментальних сталей та інструменту, підвищення продуктивності та якості механічної обробки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ

ДИСЕРТАЦІЇ

1. Самотугин С.С., Нестеров О.Ю. Свойства инструментальных сталей при объемно-поверхностном упрочнении// Вестник Приазовского государственного технического университета.- Мариуполь.- 1996.- № 2.- С. 161-162.

2. Самотугин С.С., Нестеров О.Ю., Кирицева Т.А. Влияние режима предварительной объемной закалки на свойства инструментальных сталей при плазменном упрочнении// Вестник Приазовского государственного технического университета.- Мариуполь.- 1998.- № 6.- С. 248-250.

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

4. Самотугин С.С., Нестеров О.Ю., Кирицева Т.А. Механические свойства инструментальных сталей после плазменной поверхностной обработки// Физика и химия обработки материалов.- 2002.- № 1.- С. 65-71.

5. Пат. 40126А Україна, МК17В21К9/22. Спосіб зміцнення інструментальних сталей/ Самотугін С.С., Нестеров О.Ю.// Промислова власність.- 2001.- № 6.-2 ч.- С .1.54.

6. Самотугин С.С., Нестеров О.Ю., Ногаш Н.Н. Плазменное упрочнение объемно-закаленной стали 90ХФ// Тезисы докладов междунар. конф. “Современные проблемы развития сварочного производства и совершенствование подготовки кадров”.- Мариуполь.- 1996.- С. 52.

7. Нестеров О.Ю. Влияние режимов объемно-поверхностного упрочнения на свойства стали Р6М5// Тезисы докладов 1У региональной научно-технической конференции.- Мариуполь.- 1997.- С. 8.

8. Самотугин С.С., Нестеров О.Ю. Методы оценки механических свойств инструментальных сталей при поверхностном упрочнении высококонцентрированными источниками нагрева// Тезисы У региональной научно-технической конференции.- Мариуполь.- 1998.- С. 15.

9. Самотугин С.С., Нестеров О.Ю. Технологические особенности плазменной обработки металлообрабатывающего инструмента// Тезисы УШ региональной научно-технической конференции.- Мариуполь.- 2001.- С. 156.

У наведених роботах автору належить наступне:

[ 1]. Автором дослiджено пiдвищення твердостi iнструментальних сталей

пiсля комплексної об'ємно-плазмової обробки, запропоновано викори-

стання нестандартних температур об'ємного гартування.

[ 2]. Автором досліджен вплив комплексної обробки на експлуатаційні

властивості інструментальних сталей У8 та Р6М5.

[ 3]. Автором запропонована методика розрахунку, розроблена програма та

виконані обчислювання параметрів термічного циклу плазмового нагрі-

ву інструменту вздовж робочої кромки та визначені оптимальні режими

плазмової обробки інструменту.

[ 4], [ 8]. Автором запропонована методика для випробувань та конструкція

мікрозразків для визначення локальних механічних властивостей металу

зміцненого шару.

[ 5]. Автором запропонован спосіб комплексної об'ємно-плазмової обробки,

яка містить нестандартні температурні інтервали об'ємного гартування та

наступне плазмове поверхневе зміцнення для інструментальних сталей

різних класів.

[ 6], [ 7]. Автором виконані дослідження впливу режимів об'ємно-плазмової

обробки на експлуатаційні властивості інструментальних сталей 90ХФ та

Р6М5.

[ 9]. Автором розроблені технологічні варіанти плазмової обробки металооб-

роблювального інструменту різноманітної форми та призначення.

АНОТАЦІЯ

Нестеров О.Ю. “Підвищення стійкості металооброблювального інструменту плазмовою поверхневою обробкою” рукопис на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.03.06 “Зварювання і споріднені технології” Приазовський державний технічний університет, Маріуполь, 2002.

Дисертація вміщує теоретичні та експериментальні дослідження процесу плазмової поверхневої обробки інструментальних сталей.

З використанням теорії теплопровідності розроблена методика розрахунку параметрів термічного циклу та оптимальних режимів плазмової обробки інструмента вздовж робочої кромки.

На підставі металографічних досліджень встановлені механізми фазових та структурних перетворень в інструментальних сталях при комплексній об'ємно-плазмовій обробці, яка має об'ємне гартування від температур нижчих та вищих від стандартних та плазмову поверхневу обробку за оптимальними режимами.

Розроблена методика механічних випробувань, яка дозволяє отримувати кількісні характеристики міцності та пластичності металу зміцненого шару. На підставі металографічних та рентгеноструктурних досліджень вивчено вплив різних механізмів зміцнення (твердорозчинного, зерногранічного, субструктурного та дисперсійного) при об'ємно-плазмовій обробці на експлуатаційні властивості інструментальних сталей.

На підставі досліджень розроблені наукові основи технології комплексної обробки інструменту, яка забезпечує одночасне підвищення як твердості і теплостійкості, так і міцності та пластичності в металі зміцненого шару.

Запропоновані та впроваджені у виробництво технологічні процеси комплексної об'ємно-плазмової обробки різального та формоутворювального інструменту.

Ключові слова: інструментальні сталі, оптимальний режим, комплексна обробка, механізм зміцнення, мікрозразки, технологічні процеси.

АННОТАЦИЯ

Нестеров О.Ю. “Повышение стойкости металлообрабатывающего инструмента плазменной поверхностной обработкой”, рукопись на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 “Сварка и родственные технологии” Приазовский государственный технический университет, Мариуполь, 2002 г.

Диссертация содержит теоретические и экспериментальные исследования процесса плазменной поверхностной обработки инструментальных сталей.

При использовании теории теплопроводности разработана методика расчета параметров термического цикла и оптимальных режимов плазменной обработки инструмента вдоль рабочей кромки. Данная методика позволила осуществить оптимизацию технологических вариантов плазменной обработки инструмента и получить оптимальное сочетание геометрических параметров упрочненной зоны. В качестве параметра оптимизации процесса плазменной обработки инструмента вдоль рабочей кромки, наряду с достижением максимальных показателей эксплуатационных свойств впервые предложено использовать толщину и ширину упрочненной зоны с учетом краевого эффекта.

На основании металлографических исследований установлены механизмы фазовых и структурных превращений в инструментальных сталях при комплексной объемно-плазменной обработке, содержащей объемную закалку от температур, отличных от стандартных и плазменную поверхностную обработку, выполненную по оптимальным режимам. Изучены характер действия и степень влияния различных механизмов упрочнения на достигаемый уровень эксплуатационных свойств инструментальных сталей при комплексной объемно-плазменной обработке. Использование плазменной обработки позволяет значительно расширить рекомендуемый интервал объемной закалки: для низколегированных сталей – 800-900 оС; для быстрорежущих сталей – 1170-1270 оС. Установлена возможность использования поверхностной обработки и разработаны оптимальные режимы плазменного микрооплавления для устранения структурной и механической неоднородности быстрорежущей стали после объемной закалки с перегревом, что позволяет рекомендовать плазменную обработку как метод устранения брака объемной обработки инструмента.

Разработана методика определения локальных механических свойств (прочности, пластичности) при испытаниях микрообразцов на статическое растяжение, позволяющее определять количественные характеристики свойств в отдельных участках композиционного упрочненного слоя. Установлено, что с ростом температуры предварительной объемной закалки прочность металла зоны плазменного упрочнения изменяется в зависимости с максимумом, соответствующим максимальной степени действия зернограничного и субструктурного механизмов упрочнения. Пластичность и ударная вязкость металла упрочненной зоны зависят от степени влияния твердорастворного механизма упрочнения и с ростом температуры объемной закалки монотонно снижаются. Дополнительное повышение механических свойств инструментальных сталей при комплексной обработке достигается за счет использования финишного объемного отпуска, что связано с усилением действия дисперсионного механизма упрочнения. Влияние данных механизмов упрочнения обусловлено увеличением периода кристаллической решетки и плотности дислокаций, а также повышением процентного содержания мартенситной составляющей в твердом растворе.

На основании исследований разработаны научные основы технологии комплексной обработки инструмента, которая обеспечивает одновременное повышение как твердости и теплостойкости, так прочности и пластичности в металле упрочненного слоя.

Предложены и внедрены в производство технологические процессы комплексной объемно-плазменной обработки металлорежущего и формообразующего инструмента.

Ключевые слова: инструментальные стали, оптимальные режимы, комплексная обработка, механизмы упрочнения, микрообразцы, технологические процессы.

ANNOTATION

Nesterov O.Y. "Increasing of stability metalworking instrument by plasma surface processing", thesis for competition scientific degree of Candidate of technical science in speciality 05.03.06 "Welding and related technologies", Priazovskiy State Technical University, Mariupol, 2002.

The thesis contains theoretical and experimental research of process plasma surface processing to instrumental steels.

When use the heat-conductivity theory is designed strategy of calculation of parameters of thermal cycle and optimum modes plasma processing the instrument along worker of edge. Given strategy has allowed to realize the optimisation of technological variants of plasma surface processing of the instrument and to get the optimum combination of the strengthening zone geometric parameters.

On the grounds of metallographic studies are installed the phase and structured conversions in instrumental steel under complex volume plasma processing, containing volume hardening from the temperature, different from standard, and plasma surface processing, executed on optimum modes. Studied nature of action and level of different mechanisms hardening on reached level of working characteristics instrumental become under complex volume plasma processing.

The method of determination of local mechanical characteristics (toughness, ductility) has been developed, allowing define quantitative features of characteristics in separate areas composite hardened layer.

On the grounds of studies is designed the scientific bases of complex processing technology of the instrument, which provides simultaneous increasing as hardness and heat-resistances, so toughness and plasticity hardened layer.

There are offered and introduced in production technological processes of complex volume plasma processing of the metalworking instrument.

Keywords: instrumental steels, optimum modes, complex processing, mechanisms of hardening, technological processes.