Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных задач современного машиностроения является повышение эффективности процессов механической обработки, которая главным образом зависит от износостойкости режущего инструмента. В настоящее время существуют современные методы повышения работоспособности лезвийных металлорежущих инструментов за счет изменения физико-химических и эксплуатационных свойств рабочих кромок металлических поверхностей в заданном направлении. К ним относятся: технологические, термические, химические, химико-термические, термомеханические, электрофизические (магнитная и магнитно-импульсная обработка; электроискровое легирование (ЭИЛ); ионно-плазменное напыление; ультразвуковая обработка) и механические. Анализ исследовательских работ в данной области показывает, что одним из перспективных методов является ЭИЛ и его разновидность локальное электроискровое нанесение покрытий (ЛЭНП). Достоинства ЭИЛ - возможность нанесения на обрабатываемую поверхность компактным электродом любых токопроводящих материалов и не токопроводящих порошковых материалов; высокая прочность сцепления наносимого слоя с материалом основы; низкая энергоемкость процесса (0,5…1 кВт); простота осуществления технологических операций; экономия вольфрамсодержащих твердых сплавов в связи с дефицитом, дороговизной и непрерывным расширением областей применения редкого металла вольфрама.
Известно, что сдерживающими факторами широкого применения электрофизикохимических покрытий и комбинированных обработок являются: трудности в получении высокоэффективных электродных материалов с низкой стоимостью; не достаточно изучены условия протекания электроискрового процесса; не исследован механизм формирования структуры измененных слоев, его зависимость от исходной структуры электродных материалов; отсутствуют простые и эффективные методы неразрушающего контроля качества измененных слоев. В связи с этим разработка и исследование технологий электрофизикохимической и комбинированной обработок с целью повышения работоспособности и качества поверхности инструментальных материалов сегодня являются весьма актуальными.
Работа в этом направлении позволит внести несомненный вклад в решение важной народно-хозяйственной задачи - создание прогрессивных, экологически чистых, энергосберегающих и безотходных технологий для повышения работоспособности и качества изделий современной техники.
Данная работа выполнялась в рамках мероприятия «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук» Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, номер контракта П653 и гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых МК-551.2010.8.
Целью работы является: повышение работоспособности и качества поверхности инструментальных материалов путем формирования износостойких поверхностных структур электрофизикохимическими и комбинированными методами; установление взаимосвязи оптимальных составов электродных материалов и режимов нанесения со структурой и свойствами упрочненных поверхностных слоев на металлообрабатывающих инструментах.
В соответствии с целью работы решались следующие задачи:
1. С учетом условий эксплуатации и на основании анализа физических процессов, сопровождающих резание металла, определить эффективные пути и технологии повышения работоспособности режущего инструмента различного назначения.
2. Выявить факторы, обеспечивающие получение качественных легированных слоев с необходимыми триботехническими свойствами покрытий, и на этой основе сформулировать и обосновать требования к составу электродных материалов, структуре и технологическим параметрам процесса.
3. Установить влияние электрофизикохимических режимов, элементов покрытия, состава электродных и покрываемых материалов на структуру, фазовый состав, физико-механические и эксплуатационные свойства формируемых покрытий.
4. Исследовать воздействие дополнительной обработки (выглаживания) электрофизических покрытий на качество и эксплуатационные характеристики модифицированных поверхностей и разработать практические рекомендации по проектированию технологий упрочнения инструментов различного назначения.
5. Разработать технологию скоростного цианирования быстрорежущих сталей в высокоактивных обмазках с нагревом в соляных ваннах.
Объектами исследования являлись композиты с подложкой из инструментальных материалов с нанесенными электрофизикохимическими покрытиями, а также покрытиями до и после поверхностного пластического деформирования.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались современные методы испытаний и исследований, в том числе: растровая и просвечивающая электронные микроскопии, микрорентгеноспектральный и рентгеноструктурный анализы; применены методики потенциодинамических коррозионных испытаний и оценки внутренних напряжений в покрытиях, физико-механические испытания; с целью выявления дефектов покрытий применялись неразрушающие методы контроля. Исследования проводились согласно действующим ГОСТам.
Научная новизна:
- на основе комплексных металлофизических исследований предложены и теоретически обоснованы технологии повышения работоспособности металлорежущих инструментов ЛЭНП из сплавов ВК6М и Т15К6 на воздухе, под флюсом и в струе аргона на быстрорежущие стали Р12М3К8Ф2-МП, Р18Ф2, Р6M5Ф3 с подогревом подложки до 400 С;
- разработаны новые составы электродных материалов, полученных из порошков электроэрозионным диспергированием (ЭЭД) твердого сплава ВК8 с добавкой до 10% самофлюсующегося сплава ПГ-СР2 и технология нанесения на сталь Р6M5Ф3, влияющие на формирование, строение электрофизических покрытий и обеспечивающие повышение работоспособности и качества поверхности инструментов различного назначения;
- установлены закономерности изменения величины остаточных сжимающих напряжений и микротвердости по глубине поверхностного слоя композита (сталь Р12М3К8Ф2-МП с ЛЭНП электродом ВК6М) после выглаживания минералокерамикой ВОК-60 при оптимизированных режимах: сила выглаживания Р=245…255 Н; подача s=0,07…0,08 мм/об; скорость =95…105 м/мин;
- выявлено влияние технологических параметров на повышение качества поверхности и работоспособности металлорежущих инструментов из быстрорежущей стали Р6М5 и твердых сплавов марок Т15К6, ВК6 и ВК8 ионно-плазменными покрытиями на основе нитрида и карбида титана и низкотемпературным цианированием с применением пасты состава: сажа газовая ДГ6 - 80%; железосинеродистый калий К4Fe(CN)6 - 20%.
Практическая значимость исследований cостоит в разработке методов поверхностного упрочнения с целью повышения работоспособности металлорежущих инструментов. Практическая ценность диссертации подтверждается промышленными испытаниями и внедрением результатов работы на предприятиях ООО «Завод по ремонту горного оборудования» и ОАО «Геомаш». Научно-методические результаты, полученные в диссертационной работе, используются в учебном процессе при чтении лекций, выполнении лабораторных работ, курсовых и дипломных проектов и работе со студентами, магистрантами и аспирантами Юго-Западного государственного университета. Акты внедрения представлены в приложениях диссертации.
Диссертационное исследование соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов: п. 2; п. 3; п. 4; п. 6; п. 8.
Достоверность результатов исследований, основных положений и выводов определяется корректностью постановки задач, согласованностью теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями, работающими в данной области, и с общепринятыми представлениями, признанием полученных результатов на различных международных и отечественных семинарах и конференциях; подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных, проведением испытаний с использованием известных в материаловедении современных методов и методик, сертифицированной, поверенной и аттестованной аппаратуры, применением современных программных средств автоматизации и обработки полученных результатов, а также сравнением опытных данных с расчетами и апробацией в условиях производства.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на: межвуз. конф. «Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса» (Воронеж, 2007 г.); XI Междунар. науч.-практ. конф. «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2007 г.); IV Междунар. науч.-техн. конф. «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2008 г.); X юбилейной Междунар. науч.-практ. конф. «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (Санкт-Петербург, 2008); XVI Рос. науч.-техн. конф. с междунар. участием «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2009 г.); V Междунар. науч.-техн. конф. «Современные методы и технологии создания и обработки материалов» (Минск, 2010 г.); XVII Междунар. науч.-техн. конф. «Машиностроение и техносфера XXI века» (Донецк, 2010 г.); Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 55-летию ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т» «Современное материаловедение и нанотехнологии» (Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.); XVII Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2011 г.); XVIII Росс. науч.-техн. конф. с междунар. участием «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2011 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, из них 3 в рецензируемых научных журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 280 источников и приложений. Общий объем работы составляет 194 стр. машинописного текста, 56 иллюстраций, 15 таблиц.
