Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из главных резервов повышения производительности труда, качества продукции является применение в промышленности синтетичесхих сверхтзердых материалов /СТМ/. Использование СТМ з значительной степени сокращает расход инструментальных сплавов.
В машиностроении широко используются новые материалы, обладающие высокими прочностными характеристиками, эффективность использования которых зависит от металлорежущего инструмента. Современные сплавы и стали, применяемые в инструментальной промышленности, уже не в состоянии выдерживать высоких тепловых нагрузок. Решается эта проблема путем использования синтетических сверхтвердых материалов /алмаза, кубического нитрида бора /КНБ/ и др./.
В нашей промышленности производство алмазов и кубического нитрида бора было осуществлено в начале 70-х годов. Промышленность произво-аит алмазы и КНБ различных марок и зернистостей. Такие алмазы марок АС2 /АСО/, АС4 /АСР/, АС6 /АСВ/ и КНБ марки ЛО обладают высокой абразивной способностью, но имеют низкую прочность. Производство более тройных монокристаллов: - алмазов марки АС32 /АСС/ и КНБ марки ЛП -ограничено в связи с низкой эффективностью аппаратов высокого давления АВД/. .
На Ташкентском производственном объединении "Эльбор" произво-[ятся марки алмазов АС4, АС6, АС15, АС32 и эльбор марки ЛКВ, ЛО, ЛП. Алмазные синтетические порошки предназначены для изготовления алмазно-о инструмента на органической, керамической и гальванической связках и применяются в свободном состоянии в виде паст и суспензий. Выпускаются ернистостыо 160/125 - 50/40.
Алмазные порошки АС4, АС6, АС15 идут на изготовление шлифоваль-ых кругов для заточки и доводки твердосплавного, режущего и измеритель-
ного инструмента. Трудоемкость обработки изделий из твердых сплавов алмазными кругами по сравнению с обработкой абразивными кругами снижается в 2 раза, а стойкость твердосплавного инструмента повышается в 1,5 - 2 раза. Кроме этого, алмазные порошки идут на изготовление инструмента сложной формы путем гальваностегии.
Шлифовальные порошки из эльбора марки ЛК13, ЛО, ЛП идут на изготовление абразивного инструмента высокой механической прочности с зернистостью 200/160 - 50/40. Инструмент с эльборовым покрытием предпочтителен при обработке изделий из легированных и других труднообрабатываемых сталей при повышенных режимах шлифования.
Производство СТМ проводится на специальных прессах, которые создают высокие давления. Работают они следующим образом: две блок-матрицы, в которых размещен контейнер с реакционной смесью, устанавливаются между опорными плитами, под усилием пресса блок-матрицы сближаются, создавая в рабочем объеме высокое давление. Контейнер из литографского камня деформируется и заполняет пространство в рабочей ячейке камеры, создавая изоляцию между двумя матрицами. При достижении определенного давления пропускается электрический ток и происходит синтез сверхтвердых материалов. Современная промышленность и лаборатории располагают АВД (аппараты высокого давления) различных моделей в зависимости от их назначения.
При производстве сверхтвердых материалов для изготовления камер высокого давления (к.в.д.) и вставок опорных плит применяют твердые сплавы ВК6 и ВК15 /пресс 500 т.е./. В прессах 1000 т.е. камеры высокого давления изготавливаются из стали Р6М5. Использование других материалов для изготовления к.в.д. и опорных плит носило эпизодический характер и положительного эффекта достигнуто не было. Изыскание новых материалов и упрочняющих технологий для замены твердых сплавов является актуальной за-
чей, так как при этом резко сокращается расход остродефицитного вольф-ма и кобальта и повышается эффективность АВД.
Выполняемые научные работы, в основном, посвящены анализу синтеза ;р.хтвердых материалов, конструированию АВД, изучению напряженного стояния оснастки, повышению качества СТМ, технологиям изготовления струмента, порошков, паст из синтетических материалов и др. Таким обра-*л, одной из пфвоочередных задач, которая стоит перед промышленностью, тяется замена остродефицитного твердого сплава более дешевыми мате-алами. а также повышение эффективности АВД.
Целью настоящей работы являлась разработка и исследование новых іавов и технологий термической и химико-термической обработки для ап-эатов высокого давления, а также разработка научных основ по использо-шю стальной оснастки в условиях синтеза сверхтвердых материалов и оп-(еление факторов, которые существенно влияют на долговечность АВД.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить слезшие задачи:
ісследовать особенности влияния параметров синтеза на напряженное со-
тояние и температурное поле АВД;
пределить оптимальное поддерживающее напряжение для к.в.д. и вставок
порных плит, изготовленных из сталей;
азработать новые литые сплавы и требования к ним для изготовления
ВД;
сследовать влияние параметров синтеза на состояние сталей;
азработать технологии термической обработки сталей с оптимизирован-
ым химическим составом для повышения срока службы АВД;
«работать новые технологии химико-термической обработки поверхно-
ного упрочнения к.в.д. для защиты их от воздействия высоких цикличе-
:их температур;
следовать влияние поверхностного упрочнения на долговечность к.в.д.;
построить схемы разрушения к.в.д. и всгавок опорных плит в условиях циклического воздействия высоких давлений и температур;
определить способ восстановления обжимной обоймы для вставок опорных плит.
Научная новизна работы.
-
Впервые разработаны и проведены комплексные исследования новых литых безвольфрамовых и маловольфрамовых сплавов для к.в.д. и вставок опорных плит при производстве СТМ, что позволило резко сократить расход вольфрама и кобальта и повысить стабильность АВД. Экспериментально установлена возможность использования литых сплавов для АВД.
-
Установлена зависимость между величиной поддерживающего напряжения (натяг) и твердостью к.в.д. и вставок опорных плит, изготовленных из сталей, что позволяет регулировать величину натяга в зависимости от прочности сплава.
-
Построена схема разрушения деформированных и литых сплавов в условиях высоких циклических давлений и температур, которая определяется формой, размерами, распределением, составом структурных составляющих.
-
Установлено, что РЗМ в литых быстрорежущих сталях измельчает зерно, увеличивает вязкость, твердость, предел текучести и количество аусте-нита остаточного. Оптимальное содержание РЗМ составляет 0,04-0,06 %. Морфология ледебуритной эвтектики определяется составом стали.
-
Показано, что в результате циклического давления во вставках опорных плит возникают пиковые напряжения на глубине 0,8-3 мм от контактной поверхности, что указывает на неоднородное распределение пластической деформации и является причиной образования микротрещин и выколов.
-
Установлено, что совместные воздействия давлений и температур приводят к изменению параметра кристаллической решетки, химического состава, появленню новых фаз, а также к изменению структурного состояния сплавов, что вызывает дополнительные напряжения в стали.
7. Разработаны новые технологические процессы борирования и хромирования, обеспечивающие высокие свойства диффузионных слоев и сокращение времени насыщения. Впервые установлено, что в условиях СТМ поверхностные методы упрочнения надежно защищают к.в.д. от воздействия высоких циклических температур, увеличивая срок службы и стабильность АВД.
Практическое значение и реализация работы. Результаты проведенных исследований составили научную основу по использованию деформированных и литых сплавов без вольфрама и с малым содержанием вольфрама для <\ВД. Применение новых сплавов для ряда АВД позволяет резко сократить эасход твердого сплава, снизить себестоимость продукции, повысить произ-юдительность и эффективность АВД. Использование ХТО дает возможность іащитить к.в.д. от воздействия высоких температур. Новые сплавы и техло-югии опробованы и внедрены на Ташкентском инструментальном объедине-іии "Эльбор".
Автор защищает следующие основные положения: і) вклад в развитие литых сплавов для аппаратов высокого давления; >) технологию термической обработки к.в.д. и вставок опорных плит, изготовленных из литых сплавов для обеспечения высоких прочностных свойств; і) схему разрушения деформированных и литых сплавов в условиях синтеза верхтвердых материалов;
І) новые технологии химико-термической обработки для камер высокого гавления;
) способ изготовления камер высокого давления и вставок опорных плит ме-одом литья и горячей штамповки;
) восстановление обжимных обойм для вставок опорных плит после выхода х из эксплуатации.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на Юбилейной региональной практической конференции (г. Новокузнецк, 1990 г.); 7ом Международном конгрессе по термической обработке металлов (г. Москва, 1990 г.); Республиканской конференции "Повышение качества и надежности инструмента" (г. Рубцовск, 1987 г.); Республиканской конференции "Пластическая деформация материалов в условиях энергетических воздействий" (г. Томск, 1988 г.); Всесоюзной конференции "Технология и оборудование для новых прогрессивных методов ХТО деталей тракторов и с/х машин" (г. Волгоград, 1988 г.); Всесоюзном семинаре "Структура и свойства конструкционных и инструментальных материалов" (г. Новокузнецк, 1986 г.); Республиканской конференции "Совершенствование технологий получения и обработки сплавов и композиционных материалов" (Красноярск, 1990 г.); зональной конференции "Структура и свойства металловедческих материалов в широком диапазоне техники" (г. Новокузнецк, 1984 г.); зональной конференции "Структура и свойства металлов" (г. Новокузнецк, 1988 г.); Всесоюзной конференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и ХТО в машиностроении и металлур-гии"(г. Новокузнецк, 1991 г.); первом и втором собрании металловедов России (г. Пенза, 1993 г., 1994г,).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 32 статьях в центральных журналах и сборниках, получено 5 авторских свидетельств СССР.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы из 258 наименований, 98 рисунков, 53 таблиц ИІ2. приложений. Диссертация изложена на 308 страницах машинописного текста.
В настоящей работе обобщены результаты исследований, выполненных самостоятельно, а также совместно с сотрудниками Сибирской государственной горно-металлургической академии, "лабораториями АО ЗСМК, ЦНИИ-
ЧЕРМЕТ, заводами "Трансмаш" г. Барнаула и г. Омска, "Тяжмаш" г. Иркутска.
Автору принадлежит постановка проблемы, задач экспериментальных исследований, разработка методик проведения эксперимента, создание модели напряженного состояния, обработка и анализ данных, непосредственное участие во внедрении результатов работы.
