Введение к работе
Актуальность темы диссертации.Основными материалами, применяемыми для изготовления металлорежущих инструментов, являются быстрорежущие стали и твердые сплавы. Однако наряду с достоинствами им присущи и недостатки. Так недостатками быстрорежущих сталей являются относительно низкие скорость резания и теплостойкость, а также значительная зависимость свойств от режимов термообработки, высокая склонность к ликвациям карбидов. Недостатком твердых сплавов является сложность технологии получения из-за необходимости механического введения упрочнителя и высокая склонность к сегрегации компонентов.
Поиск новых видов инструментальных материалов, обладающих комплексом свойств, необходимых для конкретных условий эксплуатации является весьма актуальным. Об этом свидетельствует участие в указанных исследованиях фирмы Кгирр GmbH и ряда других. Министерство исследований и технологий Германии (BMFT) только в 1995 году выделило 2.74 млн. немецких марок для проведения исследований и внедрения новых типов композиционных материалов инструментального назначения. Указанная проблема актуальна и для Беларуси, особенностью которой является наличие развитого машиностроительного комплекса с высокой потребностью в металлообрабатывающих инструментах.
В связи с этим, создание нового боросодержащего инструментального материала, предназначенного для замены (в некоторых областях металлообработки) быстрорежущих сталей и твердых сплавов, является весьма актуальным.
Связь работы с крупными научными программами, темами.Часть исследований, использованных в диссертационной работе, выполнялась при финансовой поддержке Белорусского фонда фундаментальных исследований в рамках грантов для молодых ученых:
1. Договор МФ 95-48 (1995 г.)- «Разработка порошка на железной основе для износостойких покрытий повышенной коррозионно-, тепло- и жаростойкости». (Руководитель Снарский А.С.)
2. Договор МП 96-70 {1996,1997 гг.) - «Разработка научных и технологических основ электронно-лучевого воздействия на поверхность, с целью получения материалов и покрытий с заданными эксплуатационными свойствами».
Основная часть научно-исследовательской работы проводилась в рамках межвузовской программы «Металлургия»(1996-1998 г.) по теме «Разработка теоретических основ и технологических принципов получения и термической обработки нового класса инструментальных материалов повышенной теплостойкости»(Научный
2 руководитель д.т.н., профессор Пантелеенко Ф.И., Ответственный исполнитель Снарский А.С.).
Цели и задачи исследования. Целью проведенной работы является:
Разработка и исследование нового типа инструментального материала, полученного методом диффузионного легирования бором быстрорежущей стали, обладающего более высокими, чем у исходной быстрорежущей стали свойствами.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
изучить механизм формирования инструментального материала из диффузионно-легированного порошка быстрорежущей стали;
исследовать влияние бора на структуру, фазовый состав и свойства разрабатываемого материала;
исследовать процессы структурообразования в боросодержащем материале при его термообработке;
разработать технологические схемы оснащения разработанным материалом металлорежущего инструмента;
выявить особенности поведения материала в реальных условиях эксплуатации;
определить области рационального использования разработанного инструментального материала.
Объект и предмет исследования.В качестве обьекта исследований выступает инструментальный материал, полученный методом диффузионного легирования бором порошка быстрорежущей стали 10Р6М5 с последующим его компактированием. При этом предметом исследований является материал, полученный методом порошковой наплавки на стальную подложку; а также материал, полученный методом порошковой металлургии (прессование с последующим спеканием). Изучению также подвергали механические и эксплуатационные свойства, а также микроструктура и фазовый состав боросодержащего материала в зависимости от особенностей его получения, вида и режимов термической обработки.
Методология и методы проведенного исследования. При создании нового инструментального материала необходимо было выбрать комплекс методов, позволяющих достоверно определить его основные свойства, а также установить связь этих свойств с особенностями микроструктуры исследуемого материала.
Разработана методика определения трещиностойкости наплавленных покрытий из боросодержащего материала, определяющая сопротивление материала скалыванию и хрупкому разрушению :
S=10HV/c, где
HV- средняя твердость покрытия по Виккерсу;
с - средняя длина трещин в углах отпечатка индентора при определении твердости, мкм (м*1Сг6}.
Для определения скорости охлаждения разрабатываемого материала при закалке использована методика, основанная на определении дендритного параметра - расстояния между осями второго порядка дендритов феррита и избыточных фаз, присутствующих в структуре наплавленного покрытия.
В качестве травителя для выявления особенностей микроструктуры исследуемого боросодержащего материала использовался 5% спиртовой раствор йода.
Разработана методика определения триботехнических
характеристик боросодержащего материала в условиях, близких к
условиям эксплуатации трибопары «боросодержащий
инструментальный материал - деталь».
Теплостойкость материала определялась как вторичная твердость после отпуска при заданной температуре продолжительностью 0.5 часа.
Фазовый состав материала определялся с помощью рентгеноструктурного фазового анализа, проводимого на приборе D500 (SIEMENS, Германия) при монохроматическом Сиз излучении.
Твердость материала определялась по Виккерсу (ГОСТ 9450-76) при нагрузке 196,1 Н; микротвердость при нагрузке 1Н {ГОСТ 9450-75).
Научная новизна и значимость полученных результатов: 1. В качестве инструментального разработан и применен новый композиционный материал, полученный легированием бором порошка быстрорежущей стали 10Р6М5 в процессе диффузионного насыщения. Это обусловлено позитивным влиянием диффузионного легирования бором на структуру и свойства разработанного материала:
Введение бора в исходную быстрорежущую сталь приводит к формированию нового материала эвтектического типа. Бор повышает теплостойкость, сдерживая разупрочнение материала до температур
превышающих 600 С, что связано с повышенной термостабильностью фаз-упрочнителей и легированного бором твердого раствора.
2. Установлены закономерности формирования разработанного боросодержащего порошкового материала системы Fe-B-C-W-Mo-Cr-V в инструментальное изделие, а также определен характер «поведения» указанного материала при его спекании в различных газовых средах (окислительной, восстановительной, инертной).
Благодаря наличию в материале бора происходит процесс самофлюсозания (раскисление поверхности частиц и образование защитного слоя из расплавленного оксида бора ВгОэ на поверхности). Поэтому наплавку и спекание боросодержащего материала следует
проводить в окислительной среде (воздухе).
3. Выявлены закономерности влияния термообработки
(закалки, отпуска) на структуру и свойства боросодержащего
материала, также определены особенности электронно-лучевой
обработки указанного материала.
За счет легирования бором дисперсионное твердение данного материала происходит в процессе двухкратного отпуска при температуре 800 С продолжительностью каждого 0.5 часа, что вызывает повышение теплостойкости боросодержащего материала по сравнению с исходной быстрорежущей сталью.
4. Установлены закономерности «поведения» разработанного
боросодержащего материала при эксплуатации, а также выявлены
причины его высокой износостойкости.
Бор, входящий в указанный материал, приводит к образованию при трении скольжения на поверхности изнашивания структур на основе оксида бора В2Оа, обеспечивающих эффект самосмазывания, что резко снижает износ данного материала.
Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов. Результаты работы внедрены на ОАО Полоцкий завод «ПРОММАШРЕМОНТ». Изготовлена партия проходных резцов для металлообработки, оснащенных разработанным боросодержащим материалом, и проведены их производственные испытания. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 39 790,6 тыс. рублей (по состоянию на март 1998 г.).
Разработан ряд технологических схем оснащения металлорежущих инструментов разработанным боросодержащим материалом.
Определены рациональные режимы резания, обрабатываемые материалы и геометрия инструмента, изготовленного с использованием разработанного материала. Скорость резания указанным инструментом выше в 1,8 - 2,1 раза по сравнению с аналогами из быстрорежущей стали при том же периоде стойкости.
Результаты работы также использованы при подготовке и проведении лабораторных практикумов по курсам «Основы повышения эксплуатационных свойств поверхностей» и «Новые композиционные материалы» для специальности ТОЗ.02.00.(1206) «Технология и оборудование высокоэффективных процессов обработки материалов».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.На защиту выносятся:
концепция создания боросодержащего инструментального материала;
закономерности структурообразования в указанном материале при его термообработке;
результаты исследования физико- механических и эксплуатационных свойств разработанного материала;
рекомендации по практическому применению указанного боросодержащего материала и технологических схем получения из него металлорежущего инструмента.
Личный вклад соискателя. Научные и технологические основы выбранного соискателем направления создания новых материалов и покрытий за счет диффузионного насыщения исходного порошка бором изложены в диссертационной работе д.т.н., профессора Пантелеенко Ф.И. «Теоретические и технологические основы получения самофлюсующихся порошков на железной основе диффузионным легированием и разработка износостойких композиционных покрытий из них». Соискателем проведено развитие указанного направления. Изложенные основы были адаптированы и доработаны соискателем для создания и исследования нового боросодержащего материала инструментального назначения.
На начальных этапах работы при поиске нового инструментального материала разработано наплавленное износостойкое покрытие из порошка ПР-сталь 45 при его диффузионном насыщении бором. По результатам работы получен патент №1411 Республики Беларусь, в качестве соавторов указанной разработки выступают д.т.н., профессор Пантелеенко Ф.И., и к.т.н. Константинов В.М.
Соискателем были проведены работы по изучению боросодержащего инструментального материала на основе быстрорежущей стали 10Р6М5, полученного двумя методами:
методом наплавки на стальную подложку;
методом порошковой металлургии (прессование с последующим спеканием).
Заложены основы термической обработки боросодержащего материала инструментального назначения. Определены особенности и целесообразность электронно-лучевой обработки исследуемого материала. Разработаны технологические схемы оснащения металлорежущих инструментов боросодержащим материалом. Изучены эксплуатационные свойства указанных инструментов. На основании проведенных стойкостных и производственных испытаний установлены области рационального применения нового боросодержащего инструментального материала.
Апробация результатов диссертации. Основные положения работы были доложены:
на Российской научно-практической конференции «Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин» (Москва, 1994 г.);
на научно-технических конференциях «Современные
на научно-технических конференциях «Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин» (Новополоцк, 1993,1995,1997 г.);
на НТК «Современная технология упрочнения, восстановления и механической обработки деталей с покрытиями» (Киев, 1993 г.); на 20 и 22 Гагаринских чтениях (Москва, 1994, 1996 г.);
на НТК «Номатех» (Минск, 1994 г.);
на международном семинаре «Нелинейные явления в сложных системах» (Полоцк, 1994 г.);
на международной 52-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА «Технические вузы - республике»(Минск, 1997 г.).
Опубликованность результатов. Основные результаты исследований содержатся в 15 опубликованных работах, из них: 1 статья в научном журнале, 7 работ опубликовано в научно-технических сборниках, 5 тезисов докладов НТК, получен 1 патент РБ, подготовлен 1 научный отчет. Общий объем публикаций -7.31 печатных листов.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 107 наименований, 5 приложений и содержит 179 страниц машинописного текста, 10 таблиц, 51 рисунка.
