Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности и качества производства является важнейшей задачей. В связи с необходимостью развития атомной энергетики, металлургической, строительной и химической промышленности возрастает потребность в изделиях из неметаллических материалов (НММ) - графитированных, деревянных, пластмассовых и др. Из графитированных материалов, например, изготавливаются электроды для электродуговых печей, блоки алюминиевых электролизеров, блоки для атомных электростанций и многие другие изделия.
Как правило, окончательным этапом производства всех изделий, в
том числе и из НММ является механическая обработка, проводимая то
чением, фрезерованием, протягиванием и т.д.
Механическая обработка многих НММ имеет ряд особенностей, главная из которых заключается в том. что температура в зоне резания невысока и не превышает 300...5ООС,
Несмотря на невысокую твердость многих НММ, их механическая обработка сопровождается интенсивным износом инструмента, поэтом}' режущие элементы всех типов инструмента изготавливаются традиционно либо из твердых сплавов (ВК6, ВК8 и др.), либо из быстрорежущих сталей, (Р18, Р6М5 и др.), которые содержат дорогие и дефицитные элементы: вольфрам, кобальт, молибден. Но, как известно, эти элементы вводятся в инструментальные сплавы для повышения теплостойкости, и всегда существовала, существует, а в дальнейшем станет еще более актуальної'! острая потребность б экономии этих легирующих элементов.
Фактически применение существующих инструментальных сплавов для механической обработки НММ не оправдано ни с экономической, ни с металловедческой позиций, так как теплостойкость при обработке НММ (в большинстве случаях) не нужна.
Эти сплавы к тощ же не технологичны, так как на сложные и крупные инструменты приходится напаивать множество отдельных пластинок, а затем затачивать и шлифовать их алмазным инструментом.
Применение твердосплавного инструмента и инструмента из быстрорежущих сталей при механической обработке многих НММ обусловлено отсутствием сведений об износостойкости инструментов из других материалов, в том числе материалов на основе железа и формальным переносом опыта механической обработки металлов на обработку НММ.
Изготовление инструмента литьем из относительно недорогих сплавов не только экономично само по себе, но и позволяет получать инструмент сложных конфигураций, что имеет особенно большое значение
для расширения обработки НММ. Поэтому исследования по замене дорогих и дефицитных быстрорежущих сталей и твердых сплавов на относительно дешевые сплавы (чугуны), и разработка технологии изготовления из них инструмента приобретают особую актуальность.
Цель работы. Разработать новый класс сплавов для инструментов, обрабатывающих неметаллические материалы в условиях умеренного нагрева режущей кромки. В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи:
1. Уточнение фундаментальных закономерностей по влиянию хи
мического состава и структуры ледебуритных сплавов (хромистых, хро-
мованадиевых, ванадиевых и других легированных износостойких чугу-
нов различного состава) на их износостойкость при абразивном изнаши
вании
2. Выяснение фундаментальных закономерностей изнашивания
инструмента из литых и закаленньж ледебуритных сплавов при резании
электродного графита и других НММ.
-
Исследование влияния ускоренной кристаллизации, модифицирования и ориентировки карбидов на структуру, твердость и износостойкость ледебуритных сплавов.
-
Определение оптимальных составов и режимов термической обработки литого режущего инструмента, предназначенного для механической обработки НММ взамен инструмента из быстрорежущих сталей и твердых сплавов.
-
Разработка технологии изготовления литого режущего инструмента для механической обработки НММ.
-
Испытание и внедрение литого инструмента из легированного чугуна на предприятиях в цехах обработки НММ.
Научная новизна работы.
-
Разработан новый класс ледебуритных сплавов для инструментов, обрабатывающих неметаллические материалы в условиях умеренного нагрева режущей кромки.
-
Уточнены фундаментальные закономерности по влиянию химического состава и структуры ледебуритных сплавов на их износостойкость при абразивном изнашивании.
3. Впервые исследована абразивная износостойкость по ГОСТ
23.208-79 большой группы литых хромистых, хромоэанадиевых, вана
диевых и других легированных чугунов.
-
Выяснены фундаментальные закономерности изнашивания инструмента из литых и закаленных ледебуритных сплавов при резании электродного графита и других НММ. Определены требования к структуре инструмента в зависимости от условий его работы.
-
Впервые исследована износостойкость инструмента: изготовленного из литых хромистых, хромованадиевых, ванадиевых и других легированных чугунов при резании электродного графита.
-
Впервые подробно изучено совместное влияние С. Сг V и других легирующих элементов на износостойкость чугунов как при абразивном изнашивании, так и при резании электродного графита.
-
Определены оптимальные составы износостойких чугунов при абразивном шгаппгоашш как при лабораторных испытаниях, так и в реальных условиях работы различных деталей и инструмента.
-
Получены новые фундаментальные закономерности о влиянии легирования, ускоренной кристаллизации, модифицирования, дисперсности и ориентировки карбидов на износостойкость литых и закаленных хромистых, хромованадиевых, ванадиевых и других легированных чугунов как при абразивном изнашивании по ГОСТ 23208-79, так и при механической обработке НММ.
Практическая ценность.
Установлено, что ледебуритные сплавы (хромистые, хромована-диевыс и ванадиевые легированные чугуны) обладают высоким сопротивлением абразивному износу и могут использоваться как инструментальный и конструкционный материал, работающий при температурах до 550-650С в условиях, когда преобладающим видом износа является абразивный износ: при механической обработке НММ (электродного графита, дерева, пластмассы и др.); для изготовления иреесформ и пустото-обра юватслей при изготовленіш кирпича; для изготовления рабочих элементов грунтовых насосов и других деталей и инструмента.
Установлено, что во многих случаях (но не всегда) дорогой, дефицитный и трудоемкий в изготовлении инструмент из твердых сплавов и быстрорежущих сталей, используемый для обработки НММ, в том числе графитированных, может быть успешно заменен литым инструментом из легированных хромистых, хромованадиевых и ванадиевых белых чугунов.
Разработаны составы литых сплавов, способы их упрочнения и технология изготовления некоторых конкретных видов изделий.
Реализация работы в промышленности.
На Московском и Челябинском электродных заводах (МЭЗ и ЧЭЗ) в 1979 г. были внедрены протяжки с режущими элементами из хромова-надиевого чугуна, предназначенные для механической обработки внутренних отверстий в графитированных блоках, что позволило увеличить стойкость протяжного инструмента в 5,2 раза (на МЭЗе) и в 3,5 раза (на ЧЭЗе) по сравнению с протяжками го быстрорежущей стали и снизить себестоимость инструмента. Общий годовой эффект от внедрения инструмента в 1980г. составил 22700 рублей.
На МП "Эста" в 1993 г. испытаны и внедрены концевые фрезы из чугуна 300Х20ФЗТ1Р для обработки изделий из дерева с экономическим эффектом 1500000 рублей за 6 месяцев. .
В ООО "СМ-Профит" в 1998г испытаны калибрующие валки из чугуна 300Х18Т1Р для производства биметаллических изделий типа сталь-медь. Эти валки имели стойкость на 50-80% выше валков из стали Р6М5.
В ООО НПФ "Аркос", а также на кирпичных заводах Челябинской области: "ОАО Промжилстрой ММК", ОАО "Кемма" (Челябинский завод сторойиндустрии), ОАО "Магнитострой", ОАО "Коркинский кирпичный завод" в 1988-1999гг. испытаны и внедрены керны (элементы пустотооб-разователей) из износостойкого чугуна 30ОФ5 для производства кирпича с экономическим эффектом ПОООООруб в год.
В 1999 г. на ДСК "Сити" внедрен инструмента из легированного чугуна марки 300Ф5 для механической обработки изделий из термопластических масс.
В 1999г. на Баймакском машиностроительном заводе испытаны и внедрены рабочие колеса грунтовых насосов из чугуна ИЧ300Х20Т1Р с ожидаемым экономическим эффектом 300000- 400000 рублей в год.
На защиту выносятся:
-
Результаты исследований по разработке нового класса ледебу-ритных сплавов для инструментов, обрабатывающих неметаллические материалы в условиях умеренного нагрева режущей кромки.
-
Экспериментальные данные по исследованию износостойкости литых и термически обработанных хромистых, ванадиевых и хромована-диевых легированных чугунов различного состава при абразивном изнашивании незакрепленными частицами абразива по ГОСТ 23208-79, при резании электродного графита и при других видах абразивного изнашивания.
-
Результаты исследования совместного влияния С, Сг, V и других легирующих элементов на износостойкость чугунов как при абразивном изнашивании, так и при резании электродного графита.
-
По.тученные новые фундаментальные закономерности о.влиянии легирования, ускоренной кристаллизации, модифицирования титаном, дисперсности и ориентировки карбидов на износостойкость литых и закаленных хромистых, хромованадневых. ванадиевых и других легированных чугунов как при абразивном изнашивании, так и при механической обработке НММ.
-
Разработка технологии изготовления литого режущего инструмента для механической обработки НММ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 25 Международных, Всесоюзных, Российских, региональных и отраслевых научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях:
II Всесоюз. науч.-техн. конф. "Перспек-тивы развития режущего инструмента и повышение эффективности его применения в машиностроении" (Ленинград, 1978г.);
IV Всесоюз. науч.-техн. конф. "Мероприятия по повышению качества и стойкости углеродной продукции" (Челябинск, 1978г.);
II Всесоюз. науч.-техн. конф. "Пути повышения эффективности обработки протягиванием" (Челябинск. 1978г.);
Отраслевая школа передового опыта "Обмен опытом работы по повышению срока службы горного и обогатительного оборудования за счет применения деталей из белых износостойких чугунов и совершенствование технологии производства фасонных отливок из этих сплавов" (Кемерово, 1980г.)-.
Всесоюз. науч.-техн. конф. "Металловедческие резервы повышения качества металлопродукции, надежности и долговечности деталей машин" (Челябинск, 1981г.);
Всесоюз. науч.-техн. конф. "Новое в металловедении и термической обработке металлов и сплавов" (Челябинск, 1983г.);
Всесоюз. науч.-техн. конф. "Современ-ные пути повышения надежности и долговечности металлопродукции и деталей машин" (Челябинск. 1985г,);
- X Международн. науч.-техн. конф. "Современные проблемы
электрометаллургии стали" (Челябинск. 1998г.);
- Международн. науч.- техн. конф. В честь 200летия со дня рожд.
П.П. Аносова (Златоуст-Курган, 1999г.);
- Международн. традиционная науч.-техн. конф. "Прогрессив-ные
методы и технологии получения и обработки конструкционных материа
лов и покрытий (Волгоград, 1999г.);
" - 15-я Уральская школа металловедов-термистов "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов (Екатеринбург, 2000г.);
- ежегодные науч.-техн конференции Магнитогорского горно-
металлургического института (Магнитогорск, 1982-1990гг.);
- ежегодные науч.-техн конференции Челябинского политехниче
ского института (Челябинск, 1979-1990гг.).
Публикации. По теме диссертации издано 33 статей, докладов, тезисов докладов и изобретений. Материалы диссертации приведены в отчетах по НИР и грантам, выполненным при участии и под руководством автора (номера гос. регистрации 01880050741,.01890081067, 01980003555)
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения, и приложения. Работа изложена на 280 страницах машинописного текста и включает 75 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 269наименований и приложение на 9 страницах.
