Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Направления повышения эксплуатационных характеристик твердосплавных режущих материалов 8
1.1. Современные группы и марки твердосплавных материалов 8
1.2. Направления совершенствования качества твердых сплавов 11
1.3. Гетерогенность структуры твердосплавных материалов как проявление теплофизической несовместимости фаз 15
1.4. О связи износостойкости с теплофизическими характеристиками материалов 22
1.4.1. Расчетные зависимости для оценки интенсивности изнашивания инструментальных материалов 22
1.4.2. Влияние термоЭДС на износ металлорежущих инструментов 25
1.5. Выводы и постановка задач исследования 28
Глава 2. Теоретические основы оценки износостойкости твердых сплавов для металлорежущего инструмента 30
2.1. ТермоЭДС как характеристика физико-механических свойств материала и гетерогенности структуры 30
2.2. Разработка формулы для оценки износостойкости при абразивном изнашивании 36
2.3. Исследование интервала применимости соотношения для износостойкости 41
2.4. Оценочные расчеты износостойкости твердых сплавов на основе карбидов вольфрама и титана 44
2.4.1. Теоретические расчеты параметров электронной структуры карбидов вольфрама и твердых растворов на их основе 44
2.4.2. Теоретические расчеты относительной износостойкости при абразивном изнашивании, твердости и энергии связи твердых растворов карбида вольфрама 47
2.5. Выводы 51
Глава 3. Экспериментальные исследования износостойкости твердо сплавных режущих пластин 52
3.1. Экспериментальные исследования особенностей электронного со стояния твердых сплавов на основе термоЭДС 52
3.1.1. Методика экспериментального определения термоЭДС 52
3.1.2. Экспериментальные исследования температурной зависимости термоЭДС сплавов переходных металлов, составляющих основу твердых сплавов 56
3.2. Сравнительная износостойкость разных марок твердых сплавов при трении 61
3.3. Исследование надёжности режущих твердосплавных инструментов 64
3.3.1. Методика проведения лабораторных и производственных испытаний 64
3.3.2. Стойкостные испытания торцевых фрез с механическим креплением пластин твердых сплавов Т15К6, КНТ16 И Т15К6-КГІС 65
3.3.3. Расчет показателей надежности торцевых фрез с пластинами твердых сплавов ТІ 5К6 и КНТ16 69
3.3.4. Стойкостные испытания фрез торцевых насадных для пластин твердых сплавов ВК8,Т5К10 и Т15К6 72
3.3.5. Расчет показателей надежности торцевых фрез с пластинами твердых сплавов ВК8,Т5К10 и ТІ5К6 77
3.4. Выводы 83
Глава 4. Совершенствование состава твердых сплавов 84
4.1. Исследование физических свойств и износостойкости твердых сплавов «WC-Me (Me = Ті, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo)» 84
4.3. Моделирование состава основы твердого сплава «титан - хром -углерод - никель» 95
4.4. Экспериментальное изучение влияния состава связки твердых сплавов на основе WC-(Co,Me) на износостойкость 97
4.5. Выводы 105
Глава 5. Разработка рекомендаций и промышленное внедрение результатов исследований 108
5.1. Разработка новых составов твердосплавных материалов с высокими характеристиками износостойкости 108
5.2. Разработка рекомендаций по повышению стойкости пластин из твердого сплава на основе карбонитрида титана 111
5.3. Внедрение результатов исследований 113
Основные результаты и выводы 114
Литература
- Гетерогенность структуры твердосплавных материалов как проявление теплофизической несовместимости фаз
- Исследование интервала применимости соотношения для износостойкости
- Экспериментальные исследования температурной зависимости термоЭДС сплавов переходных металлов, составляющих основу твердых сплавов
- Моделирование состава основы твердого сплава «титан - хром -углерод - никель»
Введение к работе
Ключевой проблемой развития современного машиностроения является повышение качества и надежности выпускаемой техники. Эти показатели закладываются в значительной степени на технологических операциях резания, а качество режущего инструмента определяет уровень режимов резания, точность и качество поверхности обрабатываемых деталей, а также производительность. Особое значение приобретает стабильность режущих свойств твердосплавного инструмента в автоматизированном производстве на станках с ЧПУ, ГПМ и ГПС, доля которого в мировой индустрии к концу второго тысячелетия достигло более 50-ти % из-за того, что они имеют высокую твердость, механическую прочность в сочетании с высоким сопротивлением изнашиванию в широком диапазоне режимов резания. Эти характеристики обеспечиваются наличием в структуре этих материалов карбидов, нитридов и карбонитридов тугоплавких элементов и (или) их твердых растворов..
В связи с различными механизмами износа, проявляющихся при обработке резанием, для твердого сплава (ТС) как износостойкого материала важнейшими являются, кроме отмеченных, и другие свойства; однородность структуры; термодинамическая стабильность структурных составляющих, главным образом твердых частиц; высокая сила сцепления по границам зерен, включая адгезию, между твердыми частицами и связующей фазой; минимальная склонность к схватыванию с обрабатываемым материалом в процессе резания.
Для повышения производительности и стойкости твердосплавного металлорежущего инструмента необходимо совершенствование структуры инструментального материала, что достигается моделированием карбидной и (или) связующей фаз, с целью улучшения их высокотемпературных свойств, обеспечивающих обработку сталей с повышенными
скоростями резания. Повышение износостойкости инструментальных материалов невозможно решить без научного прогнозирования их поведения в условиях трения при резании, без применения аналитических методов расчета показателей износостойкости. Именно эти вопросы рассмотрены в диссертации и определяют её научное и практическое значение.
Работа выполнена по федеральным научно-техническими программам России: «Разработка промышленной технологии нанесения минера-локерамических термо-коррозионно-износостойких покрытий на детали машин методом микродугового оксидирования в слабощелочном электролите и исследование их характеристик», «Исследование явлений самоорганизации при изнашивании ИМ с многослойным покрытием в активных технологических средах».
Цель работы. Изучение взаимосвязей между износостойкостью и характеристиками электронного состояния твердых сплавов на основе карбидов вольфрама и титана, разработка методики расчета износостойкости по величине термоЭДС, обоснование выбора состава новых сплавов и оценки их режущих свойств.
В результате выполнения работы предложены:
1. Зависимость для оценки износостойкости твердых сплавов при абразивном изнашивании, устанавливающая связь между величиной относительной износостойкости и характеристикой электронной структуры материала - абсолютной термоЭДС.
Физическая модель износостойкости твердых сплавов при их абразивном изнашивании в процессе резания. Расчетами величины интенсивности изнашивания для разных составов одно- и двухкарбидных твердых сплавов показано, что сплав с меньшей термоЭДС имеет большую износостойкость. Эти результаты теоретических расчетов подтверждают данные многочисленных экспериментов при трении и резании твердыми сплавами.
Методика инженерного расчета износостойкости твердых сплавов.
4. Результаты экспериментальных исследований работоспособности
предложенных составов твердых сплавов в условиях резания.
Гетерогенность структуры твердосплавных материалов как проявление теплофизической несовместимости фаз
Гетерогенность структуры твёрдых сплавов проявляется даже в самой простой системе WC-Co. В частности, на границе раздела соприкасающиеся фазы имеют физико-механические свойства: коэффициенты теплопроводности, линейного расширения, твердость, плотность, Пуассона, что иллюстрирует табл. 1.2 (см. также табл. 1.1). Следует ожидать, что гетерогенность структуры будет проявляться при изнашивании в условиях резания.
Инструмент из ТС испытывает экстремальные условия работы -повышенные силовые и тепловые нагрузки динамического характера не только в условиях прерывистого резания, обусловленного кинематикой процесса (фрезерование, зубодолбление), но и спецификой контактного взаимодействия при резании, обусловленной: цикличностью процесса стружкообразования; периодическим образованием и срывом нароста; цикличностью процессов деформационного упрочнения и температурного разрушения при контактном пластически деформируемом слое обрабатываемого материала; периодичностью структурных превращений, диффузионных и химических процессов, происходящих в условиях схватывания в более мягком материале заготовки, заторможенном в микровпадинах шероховатой контактной поверхности твердосплавного инструмента; структурной неоднородностью обрабатываемого материала; гетерогенностью поверхности инструментального материала, в том числе и ТС.
Отмеченные особенности вызывают появление тепловых флуктуации, определяющих в общем случае устойчивость системы трения (резания) к высоким возмущениям [24]и влияющих на интенсивность изнашивания [25].
Из представленных данных видно, что существующие композиции современных бинарных твердых сплавов, содержащих в качестве связок Со, Ni, Mo не являются оптимальными, так как на границах раздела фаз WC, Со, Ni и Мо амплитуда температурных флуктуации составляет 113..152С [38]. Компоненты современных ТС отличаются и термоэлектрическими свойствами [38], в частности, абсолютными тер-моЭДС, являющимися признаками гетерогенности.
Знакомство с литературными источниками, посвященными исследованию температурных полей в элементах трибосистем [4, 35, 38, 74], позволяет отметить, что вопросы, связанные с влиянием факторов структурной неоднородности контактирующих материалов, состоящих из чередующихся фаз различного химического состава и физических свойств, на температурные флуктуации при трении, остаются малоизученными.
Исследование влияния фактора структурной неоднородности на температурные флуктуации при трении представляет особый интерес при рассмотрении в термодинамическом аспекте процесса контактного взаимодействия с обрабатываемыми материалами инструментальных твердых сплавов, имеющих нанесенные одно- и многослойные композиционные покрытия, так как в этом случае дополнительно к структурным компонентам инструментального материала основы (карбиды вольфрама и титана, кобальт) добавляются новые структурные составляющие покрытий (карбиды, нитриды и карбонитриды тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы элементов), имеющие более или менее четко выраженную границу раздела как с материалом основы, так и между отдельными слоями композиционных покрытий. Наличие этих границ, а также границ раздела между зернами карбидов основы инструментального материала и связкой, при наличии существенных различий в тепло физических характеристиках отдельных структурных составляющих поверхностных слоев инструментального материала, является причиной возникновения локальных флуктуации температурного поля в контактной зоне, которые в условиях взаимосвязанности комплексов физико-химических процессов, происходящих в трибосистеме, могут приводить к изменению термодинамического состояния системы в целом и играть важную роль в процессе изнашивания контактирующих тел.
Исследование интервала применимости соотношения для износостойкости
Для анализа чувствительности формулы (2.22) возьмем от нее первую производную по параметру у, представляющему собой отношение коэффициента термоЭДС к абсолютной температуре. Таким образом, можно выяснить зависимость изменения износостойкости от интересующих нас термодинамических параметров.
Целесообразность нахождения производной от отношения данных физических величин объясняется их вхождением в формулу в виде отношения У =— , (2.23) т где є - коэффициент термоЭДС, Т- абсолютная температура (К). Производная зависимости (2.22) имеет вид аі / ЛЕЇ EFY Т0 + ДЕРЄ-7 + ІСС + КНІ -— eU . (2-24) где Jo -интеграл от произведений энергии на электронную плотность. При замене плотности состояний электронов полиномом аппроксимации: т( Ei+2 а; 1 i + 2 Е (2.25) F-Д Jo=S i=0
Оценим диапазон значений «у» для интервала значений коэффициента термоЭДС и температуры, представляющих практический интерес (для сопоставления с экспериментальными значениями термоЭДС. и температур); Тє[90..400]С є є ±[1 ..50] 10 6 -. Тогда диапазон значении «у» принадлежит интервалу В у є [-5.5..5.5] Ю 7— - Проведем расчет твердости и оценим чувстви тельность для приведенных в табл. 2.1 марок ТС для температуры 500 С, где упр - начало интервала чувствительности, которое выбирается исходя из того, что при движении от наименьшего у к наибольшему 7 с постоянным шагом - относительное изменение производной должно быть равным или больше 1%: 0.01, где і- индекс текущего значения у. Таким образом, если T -Ynp, то использование формулы вычисления износостойкости (2.22) неадекватно.
Анализ данных последних двух столбцов представленных в табл. 2.2 позволяет утверждать, что применение формулы (2.22) к данной группе твердых сплавов адекватно.
Таким образом, производная dl/dy дает возможность понять насколько полученная ранее формула для износостойкости зависит от температуры при постоянной величине абсолютной термоЭДС. Наибольшую значимость эта производная приобретает при оценке влияния обоих термодинамических параметров на оценку износостойкости.
Поскольку в табл. 2.2 представлены лишь значения 7, соответствующие одном значению у, то целесообразно представить данные расчетов графически. Последние представлены на рис 2.1. Анализ рис. 2.1. показывает, что на всем интервале изменения 7 графики всех рассматриваемых сплавов имеют один вид и мало отличаются от сплава к сплаву.
Для всех сплавов график зависимости logjQ — от logjo(y) имеет вид практически прямой линии. В результате, можно сказать, что формула для расчета износостойкости хорошо реагирует на изменение обоих термодинамических параметров - термоЭДС и температуры.
Электронная структура карбидных систем WC, Wi.xTixC, TiC была рассчитана методом локального когерентного потенциала в рамках теории многократного рассеяния по схеме, описанной в работе [95]. Локальные парциальные плотности состояний (ЛПС) электронов атомов углерода, вольфрама и Зё-металла рассчитаны по формуле
Полная плотность состояний электронов на элементарную ячейку для одной проекции спина определялась как сумма локальных плотностей состояний ; ЩЕ)^пЦ.Е)+0.-х)^{Е)*х^п^{Е) . (2.27)
Проведено теоретическое изучение свойств твердых растворов карбидов вольфрама Wi.xTi х С (х = 0...0.6 ) со структурой решетки NaCl в широком интервале изменений концентрации титана. Вычислены полная и парциальные плотности электронных состояний для каждого атома в твердом растворе. В рамках одного приближения проведено сравнение электронной структуры рассматриваемых твердых растворов ( см. рис.2.2). Анализ рис.2.2 показывает, что в окрестности уровня Ферми характер распределения ПЭС различие в величине термоЭДС в изученных твердых сплавах Wi.xTixC. Следует также отметить, что с увеличением концентрации карбида титана в системе происходит изменение чисел заполнения, представленное в табл.2.3.
Экспериментальные исследования температурной зависимости термоЭДС сплавов переходных металлов, составляющих основу твердых сплавов
Экспериментальное изучение термоэлектрических свойств, в частности величины термоЭДС, проводили на бинарных и тройных сплавах переходных 3d- и 4гі-металлов: Ті, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Си, Mo. Из данных элементов были составлены системы: бинарные Fe-Me (Me = Со, Ni, Си), Ni-Me (Me = Cr, Co, Mo) и тройные Fe-Me-Cu, (Me = Co, Ni), Fe-Cr-Ni и др., в которых концентрация элементов менялась от 10% до 90%.
Измерения термоЭДС осуществлялось методом микро-термоЭДС в диапазоне температур 100-600 С. Сплавы получаемые спеканием порошков соответствующих металлов. Образцы для исследования представляли собой стержни диаметром 5 и длинной 25 мм. Как показано в работе [44], для инструментальных материалов наблюдается тенденция возрастания износостойкости при резании металлов с уменьшением величины абсолютной термоЭДС. Поэтому на первом этапе работы экспериментально изучали изменения термоЭДС отмеченных выше сплавов тугоплавких металлов (составляющих матрицу) относительно карбида вольфрама (зерна которого составляют абразивный каркас) в зависимости от температуры. На экспериментальной установке стержень давления выполнялся из карбида вольфрама.
В табл. 3.2 и табл. 3.3 приведены результаты экспериментального изучения влияния состава основы на изменение термоЭДС в системах WC - MeR (где Me и R - перечисленные выше металлы), для которых по принятым нами критериям следует ожидать наиболее совершенной структуры, характеризуемой малым (относительно других изученных нами сплавов) значением термоЭДС в твердом сплаве..
Анализ экспериментальных данных, представленных на рис.3.2 и обобщенных в таблицах, свидетельствуют о том, что некоторые системы могут рассматриваться в качестве исходной базы для поиска оптимального состава матрицы твердого сплава на основе карбида вольфрама. Развиваемая здесь методология может объяснить известный факт повышения износостойкости твердых сплавов на основе карбида вольфрама при возрастании концентрации титана (см. табл,2.3). В частности, из табл.3.4 свидетельствует, что титан имеет минимальное значение термоЭДС (относительно карбида вольфрама) из изученных тугоплавких металлов. Поэтому следует ожидать, что твердые сплавы на основе карбидных составляющих вольфрама и титана, в совокупности со сложно-легированной связкой будут иметь повышенную износостойкость, на что указывают также результаты работы [44].
В качестве связок в твердосплавных материалах были использованы: 1) чистые металлы: Ті, Cr, Mn, Fe, Со, Ni , Си, Мо; 2) сплавы двух металлов: Fe-Cu, Fe-Co, Fe-Ni, Co-Си, Ni-Cu, Ni-Cr, Co-Cr, Co-Mo, Ni-Co, Ni-Mo; 3) сплавы трех металлов: Fe-Co-Cu, Fe-Ni-Cu, Fe-Cr-Ni. Значения термоЭДС были сняты для 9 значений температуры в диапазоне от 100 до 600С для каждого моделируемого сплава. Для оценки электрохимической активности подвергнем полученные сплавы критерию минимума термоЭДС. Так как термоЭДС моделируемого сплава измерялась для разных температур и сама эта физическая величина зависит от температуры, используем для критерия методы простого интегрального среднего и интегрального отклонения от линейной апроксимации. Рассортируем металлы и сплавы в порядке возрастания величины термоЭДС,
На основе анализа данных экспериментального измерения термоЭДС для 47-и композиций можно предложить для моделирования основы твердых сплавов следующие материалы: Mn, Ni, Cr, Co-Mo (1:1), Co-Cr (1:1), Co-Cr (1:3), Fe-Cr-M (7:2:1).
Таким образом, в данном разделе методом простого интегрального среднего был произведен отбор сплавов отвечающих минимуму термо-ЭДС, которые использованы для последующего компьютерного моделирования составов основы твердых сплавов (глава 4).
В работе [14] теоретически и экспериментально установлено, что информативные тепловые процессы протекают в тонких поверхностных слоях, и предложена гипотеза о том, что управлять тепловым режимом зоны трения можно подбором материалов по их теплофизическим свойствам. С целью проверки предложенной гипотезы были проведены эксперименты по изучению износостойкости твердых сплавов (ТС) разного состава. Эксперименты проводились на специальной установке по системе образец - контрвал. Трение осуществлялось по контрвалу из закаленной стали 45 (HRC 40...45) на разных скоростях и при изменении удельной номинальной нагрузки. Были испытаны твердые сплавы марок ВК8, Т5К10, К15 + ТІС (Швеция), МНТ2А, Р25 (ФРГ), К10 (ФРГ) и др. С помощью динамометра УДМ-600 поддерживалась нормальная сила.
Результаты исследований, представленые на рис.3.3 и рис.3.4, показывают, что износ разных марок ТС линейно возрастает с увеличением удельной нагрузки. Установлено, что наименьшему износу подвергаются пластины шведской фирмы «Сандвик Коромант» с покрытием TiC, а также отечественный сплав ВК8. Влияние скорости трения на износ для ТС марок ВК8, Т15К6, Т15К6+ТІС, КНТ16 и других представлено на рис. 3.3. Изучение износа ТС показало, что наименьшему износу подвергаются сплавы Т15К6+ТІС, затем Т15К6 и далее ВК8. Твердый сплав КНТ16 на средних скоростях трения (50ч200 м/мин) хорошо сопротивляется износу, однако с увеличением скорости трения износостойкость его снижается. Сопоставление изменения износа сплава КНТ16 с характером изменения износа в зависимости от удельной нагрузки для сплава МНТ2А (рис.3.4) показывает их полную корреляцию. С увеличением тепловой нагруженности контакта сопротивление износу для обеих марок твердых сплавов снижается по сравнению с ТС типа ВК.
Моделирование состава основы твердого сплава «титан - хром -углерод - никель»
Основной задачей данного раздела являются сравнительные испытания в производственных и лабораторных условиях торцевых фрез насадных, оснащенных 5-тигранными неперетачиваемыми пластинками из твердого сплава с механическим креплением. При исследовании работы инструмента в лабораторных условиях применялись следующие методы исследования: методы математической статистики, теории вероятности и теории надежности. Исходными данными для оценки режущих свойств фрез на базе характеристик надежности послужили результаты стойкостных сравнительных испытаний на Ростовском-на-Дону заводе спец.оснастки и инструмента, Ростовском-на-Дону заводе У ПС и техоснастки и в лаборатории «Резания» Донского государственного технического университета.
Производственные испытания на Ростовском-на-Дону заводе спец.оснастки и инструмента серийной фрезы диаметром 200 м проводились на станке 6Н13П, на режимах резания, принятых на заводе для фрез данного типа: п = 800 об/мин; S м = 315 мм/мин; S z = 0.21 мм/зуб,; t = 3 мм. Испытывалось два комплекта 5-тигранных неперетачиваемых пластин из твердого сплава Т15К6.Фрезеровались опорные поверхности токарных проходных резцов: В х Н х L = 0.025 х 0.04 х 0.2 м . Одновременно обрабатывалось пять заготовок с t маш = 0.92 мин. Шероховатость обработанной поверхности Y4. Материал заготовки сталь 45, твердость НВ =197...207. При появлении одного или нескольких признаков затупления производился поворот 12-ти пластин по часовой стрелке на следующую режущую вершину. Все пластины доводились до полного износа, сопровождающегося вибрацией системы СПИД, искрением и дроблением поверхности детали.
После того, как комплекты пластин из ТС были изношены, замерялся износ по задней поверхности режущих вершин всех пластин. Во время испытания одной из 5-ти режущих вершин, проводились замеры Rz (шероховатости обработанной поверхности ) в начале работы, в середине и в конце. Данные о шероховатости представлены в табл. 3.8.
Результаты производственных испытаний износа фрез торцевых насадных их твердосплавных пластин марки Т15К6 представлены в табл.3,9.
По результатам испытаний видно, что стойкость фрезы ниже нормативной для фрез диаметром 200-250«и(240 минут), что, на наш взгляд, объясняется тем, ч то режимы резания, на которых работала испытываемая фреза, выше нормативных.
Целью проведения лабораторных испытаний являлось сравнение режущих свойств торцевых фрез диаметром 200 « с механическим креплением твердосплавных пластин ВК8, Т5К10 И Т15К6, с использованием характеристик надежности. Исходными данными для оценки режущих свойств фрез послужили результаты стойкостных испытаний в лаборатории «Резания» ДГТУ. Задачи лабораторных испытаний фрез включали в себя: Определение зависимости износа 5-тигранных неперетачиваемых пластин из твердого сплава от времени работы фрезы. Определение характеристик надежности фрез.
Испытывал ось три комплекта 5-тигранных неперетачиваемых пластин из твердого сплава марки: ВК8, Т5К10 И Т15К6. В процессе испытаний фрезеровались заготовки размером: B-H-L = 105-55 175 мм. Материал заготовки - сталь 45. Станок 6Н13П.
В качестве критерия затупления инструмента принималось следующее условие - инструмент доводился до полного затупления, сопровождающегося одним или несколькими следующими критериями затупления: появление писка (скрипа); вибрация системы СПИД, дробление поверхности детали; появление налипов на режущей части пластины; ухудшение чистоты поверхности заготовки; поломки пластин. h3, мм
При проведении испытаний через каждые пять минут работы фрезы замерялся износ по задней поверхности всех 12-ти пластин. Износ измерялся на большом инструментальном микроскопе MWD (Польша). С интервалом в пять минут производился замер шероховатости обработанной поверхности ( Rz) на микроскопе МИС-11.
