close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА МЕТОДОМ НАНЕСЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО ДИФФУЗИОННОГО ПОКРЫТИЯ

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Чекалова Елена Анатольевна
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РЕЖУЩЕГО
ИНСТРУМЕНТА МЕТОДОМ НАНЕСЕНИЯ
ЛОКАЛЬНОГО ДИФФУЗИОННОГО ПОКРЫТИЯ
Специальность 05.16.09
«Материаловедение» (машиностроение) по техническим наукам
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва – 2016
2
Работа выполнена в филиале «Научно-исследовательский институт технологии и
организации производства двигателей» (НИИД) Акционерного общества
«Научно-производственный центр газотурбостроения «Салют»
(АО «НПЦ газотурбостроения «Салют»)
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, доцент,
Еремеева Жанна Владимировна,
заместитель заведующего кафедрой
«Порошковой металлургии и функциональных
покрытий » ФГАОУ ВПО НИТУ «МИСиС»
доктор технических наук, профессор,
Самойленко Василий Михайлович,
заведующий кафедрой «АТО и РЛА»
Московского государственного университета
гражданской авиации (МГТУ ГА)
доктор технических наук,
Будиновский Сергей Александрович
главный научный сотрудник
ФГУП «Всероссийский
научно-исследовательский
институт авиационных материалов» ГНЦ РФ
Ведущая организация
ФГБОУ ВО «Пермский национальный
исследовательский политехнический университет»
Защита диссертации состоится «11» октября 2016 г., в 14 часов 00 мин. на
заседании диссертационного совета Д 212.126.03 при ФГБОУ ВО «Московский
автомобильно-дорожный государственном технический университет (МАДИ)» по
адресу: 125319, Москва, Ленинградский просп., д.64, ауд. 42.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ и на сайте ФГБОУ
ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический
университет (МАДИ)» http://www.madi.ru/1266-uchenyy-sovet-grafik-zaschitydissertaciy.html
Автореферат разослан « 11 » июля 2016 г.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба
направлять в адрес диссертационного совета университета. Копию отзыва просим
направлять по e-mail: uchsovet@madi.ru.
Справки по телефону : 8 (499) 155-93-24
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор технических наук, доцент
Фатюхин Д.С.
3
Актуальность
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
проблемы. В современном механообрабатывающем
производстве
широкое применение находит дорогостоящее автоматизированное станочное оборудование с
микропроцессорным управлением.
Наибольшее влияние на работоспособность инструмента, а, следовательно, и на
эффективность обработки резанием, оказывают свойства инструментального материала.
Основная задача интенсификации производства - это систематически добиваться увеличения
производительности, долговечности режущего инструмента и облегчения труда рабочих при
обработке деталей на станках за счет более эффективных технологий обработки. Особенность
современного производства характеризуется интегральным подходом к проектированию
технологического процесса с учетом себестоимости и надежности.
Анализ данных показывает, что основными причинами выхода из строя режущего
инструмента с износостойкими покрытиями могут быть: разрушение покрытий в результате
высоких контактных силовых и температурных нагрузок и деформация твердосплавной
основы, приводящая к росту контактной площадки на задней поверхности инструмента. Одной
из причин преждевременного разрушения покрытия является возникновение критических
напряжений
на
границе
раздела
«покрытие
–
инструментальный
материал»
при
термомеханическом нагружении контактных площадок инструмента. Эти напряжения зависят
от разницы теплофизических и физико-механических свойств материалов износостойкого
покрытия и инструмента, собственных микронапряжений инструментального материала после
полной термообработки. Начальный этап разрушения покрытий наблюдаются уже в период
приработочного
изнашивания
инструмента,
а
интенсивность
разрушения
покрытия
увеличивается с ростом термомеханических нагрузок.
Указанное многообразие факторов, влияющих на покрытие, зависит от соотношения
физико-химических свойств обрабатываемого материала и покрытия. При низких и средних
температурах это определяет адгезионную прочность, при высоких — характер и
интенсивность твердофазных и жидкофазных диффузионных реакций, контактно-реактивное
плавление.
Весьма актуально установление функциональных связей между технологическими
параметрами процесса формирования износостойкого покрытия и изнашиванием инструмента.
Эти задачи до настоящего времени не решены из-за сравнительно низкой долговечности
покрытия.
Для повышения долговечности режущего инструмента с покрытием, необходим новый
метод нанесения покрытия, способствующий увеличению запаса прочности и жесткости,
снижению склонности режущей части инструмента к потере формоустойчивости и
термопластическим прогибам при приложении термомеханических напряжений, возникающих
в процессе резания. Необходим новый тип покрытия, с добавками, в виде пластичного
материала, имеющего низкий модуль упругости и сдвига, для релаксации напряжений. Таким
4
образом,
выявление
и
установление
закономерностей
связывающих
технологические
параметры нанесения функциональных покрытий с износостойкостью и долговечностью
инструментов, разработка и всестороннее исследование новых методов формирования
диффузионных
покрытий,
обеспечивающих
высокие
режущие
свойства,
релаксацию
термомеханических напряжений, торможение поверхностного растрескивания являются весьма
актуальной.
Связь работы с научными программами, темами:
Диссертационная работа является завершенным циклом исследований по разработке
метода нанесения локального диффузионного покрытия, выполненных на протяжении 20002015 годов в рамках следующих федеральных целевых программ:
1. «Национальная технологическая база» 2000 – 2011г.г.
2. «Развитие оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации на 2007-2010
годы и на период до 2015г.».
3. «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до
2015г.».
Цель работы состоит в повышении долговечности режущего инструмента путем
нанесения локального диффузионного покрытия для улучшения качества обработки деталей.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
 разработана теоретическая модель напряженно-деформированного состояния для
сравнительной оценки влияния локального диффузионного и сплошного покрытий на физикомеханические свойства поверхностного слоя;
 разработан метод нанесения локального диффузионного покрытия на режущий
инструмент и определены оптимальные параметры, увеличивающие долговечность режущего
инструмента в условиях эксплуатации;
 разработано оборудование и технология нанесения локального диффузионного
покрытия на режущий инструмент;
 установлены функциональные связи между композицией локального диффузионного
покрытия, технологическими параметрами процесса его формирования и долговечностью
режущего инструмента;
 установлено влияние локального диффузионного покрытия на физико-механические и
режущие свойства инструментального материала;
 выявлен механизм изнашивания режущего инструмента с локальным диффузионным
покрытием при точении и фрезеровании;
 разработана методика и критерии оценки долговечности режущего инструмента c
локальным диффузионным покрытием.
Объектом
исследования
является:
новая
технология
получения
локального
диффузионного покрытия на режущий инструмент в условиях реального производства для
5
повышения долговечности и уменьшения износостойкости; разработка метода и оборудования
для нанесения диффузионного покрытия на режущий инструмент, защищенные патентами
(патент № 2548835, патент № 2279962).
Предметом исследования являются режущие инструменты (резцы, фрезы) с локальным
диффузионным покрытием, согласно методическим рекомендациям по назначению и выбору
режимов нанесения покрытия, в условиях реального производства.
Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
- разработана и внедрена новая технология получения локального диффузионного
покрытия на режущий инструмент;
- разработана математическая модель процесса нанесения локального диффузионного
покрытия на инструмент;
- разработано оборудование для нанесения локального диффузионного покрытия на
режущий инструмент;
- получены новый состав и структура покрытия и установлены его физико-механические
свойства;
Научная новизна работы заключается в том, что:
 разработана концепция формирования локального диффузионного покрытия на
режущие инструменты;
 разработана теоретическая модель образца с локальным диффузионным покрытием,
позволяющая, с точки зрения концепции двухпредельности («сплошное покрытие – полное
отсутствие покрытия»), оценивать влияние композиции из областей с покрытием и без
покрытия, образующих ячеистую структуру, на модуль упругости и коэффициент Пуассона;
 разработан новый метод нанесения локального диффузионного покрытия системы МеМеО и МеО-О2 путем осаждения заряженных ионов кислорода током коронного разряда;
 разработана математическая модель процесса нанесения локального диффузионного
покрытия и определены оптимальные параметры, оказывающие положительные влияния на
долговечность режущих инструментов;
 установлены функциональные связи между композицией локального диффузионного
покрытия и технологическими параметрами процесса его формирования.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. Разработан новый технологический процесс нанесения покрытия на режущий
инструмент с помощью коронного разряда (патент № 2548835), который рекомендован к
внедрению на ОАО «МПО им. И. Румянцева», ОА «НПЦ газотурбостроения «Салют», на ООО
«ИТМ» и на ООО ТД «КАЙЛАС»;
2.
Установлены
физико-механические
свойства
наноструктурированным локальным (ячеистым) покрытием.
режущего
инструмента
с
6
3. Разработаны практические рекомендации по выбору режимов нанесения покрытия,
обеспечивающих получение необходимой структуры и свойств локального диффузионного
покрытия, формируемого на режущей кромке инструмента.
4. Предложен экологичный способ и оборудование для нанесения локального
диффузионного покрытия на режущий инструмент, (патент № 2279962), обеспечивающие
высокую производительность, энерго - и ресурсосбережение, возможность использования для
различных типов производств.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждена результатами
большого объема выполненных экспериментов и исследований, проведенных с использованием
современных аналитических методов и аттестованного оборудования.
Личный вклад состоит в определении научного направления исследований, постановке
задач, выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований,
интерпретации
и
обобщении
полученных
результатов,
формулировке
положений,
рекомендаций и выводов.
Непосредственно автором выполнены следующие работы:
1. Проанализированы методы нанесения покрытий и причины их разрушения на режущем
инструменте.
2. На базе анализа причин разрушения покрытия разработана концепция формирования
теоретической модели и разработана теоретическая модель локального диффузионного покрытия
на режущем инструменте.
3. Для получения локального диффузионного покрытия разработаны оборудование и
технология нанесения покрытия.
4. На основе учета многообразия факторов, влияющих на локальное диффузионное покрытие,
разработана математическая модель процесса нанесения покрытия на режущий инструмент и
определены оптимальные параметры, увеличивающие его долговечность в условиях эксплуатации.
5. На основе полученных результатов исследования кинетической прочности и особенностей
разрушения
покрытия
установлено
влияние
локального
диффузионного
покрытия
на
долговечность.
6. На основе созданной технологии получения локального диффузионного покрытия
проведены экспериментальные исследования. Установлены физико-механические свойства
локального диффузионного покрытия.
7. На основе результатов экспериментальных исследований разработаны рекомендации по
выбору технологических параметров нанесения локального диффузионного покрытия.
Методы исследований.
В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. В
соответствии с поставленной целью работы сформулированы основные задачи исследования.
Поставленные в работе задачи решались с использованием фундаментальных положений
7
технологии машиностроения, теории резания и упругопластического деформирования, теории
механической и статистической физики. Разработаны рабочие гипотезы и методика. Комплекс
экспериментальных исследований проводился в лабораторных и производственных условиях с
использованием современного станочного оборудования. Изучение состава и физикомеханических свойств локального диффузионного покрытия выполняли на основе современных
методов металлографического и металлофизического анализов с использованием методик
электронно-сканирующей микроскопии, по методу ионопучковой диагностики планарных
микро и наноструктур (ионопучковый аналитический комплекс «Сокол-3»).
Статистическая обработка, полученных результатов исследований, проводилась с
использованием персонального компьютера.
При проведении процедуры нанесения локального диффузионного покрытия в зоне
обработки режущего инструмента, использовали методику замера концентрации озона и
прибор «Газоанализатор 3.02 –П-Р».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на заседании кафедры
«Автоматизированные
станочные
системы
и
инструменты»
(«АССИ»)
Московского
Государственного Машиностроительного Университета (МАМИ) г. Москва, 2013; на 77 – ой
Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле-тракторостроение в
России: приоритеты развития и подготовка кадров» МГМУ (МАМИ) г. Москва 2012; на XLII –
ой Международной научно - практической конференции «Инновация в науке» г. Новосибирск.
2015; на XVI – ой Международной научно-практической конференции «Техника и технология:
новые перспективны развития» г. Москва. 2015; на Международной научной конференции
«Наука XXI века» г. Москва. 2015; на Молодежной научной конференции «ХLI Гагаринские
чтения» ФГБОУ ВПО (МАТИ) г. Москва. 2015; на IV – ой Международной научной
конференция «Современное общество: проблемы, идеи, тенденции» г. Ставрополь. 2015; на
Научно-техническом конгрессе по двигателестроению (НТКД-2014) г. Москва. 2014.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 45 научных работ, из
которых 16 статей опубликованы в рецензируемых изданиях, входящих в перечень изданий
ВАК Минобрнауки России, 4 патента на изобретение, 1 монография. Список публикаций по
теме диссертационной работы приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных
выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 270 страницах машинописного
текста, содержит 94 рисунка, 26 таблиц, список литературы из 100 наименований, приложения
приведены на 8 страницах. Общий объем работы 278 страниц.
Основное содержание работы
Во введении рассмотрены проблемы разрушения режущей кромки инструмента,
сформулированы цель и задачи исследования, обозначены направления исследований для
8
решения поставленных задач, отображена научная новизна и практическая значимость
полученных результатов.
В первой главе дан сравнительный
анализ способов формирования качества
поверхностного слоя при сплошном и локальном нанесении износостойких покрытий на
режущий инструмент.
В качестве основного объекта исследований служили резцы с механическим креплением
четырёхгранных пластин из быстрорежущей стали и твердого сплава, а также твердосплавные
фрезы, что обосновано их широким промышленным использованием, универсальностью и
технологичностью при изготовлении.
В результате анализа установлено, что для повышения долговечности режущего
инструмента при обработке деталей в машиностроении и двигателестроении, может быть
использован метод нанесения локального диффузионного покрытия с поликристаллической
структурой, который снижает риск хрупкого разрушения режущего клина инструмента при
действии циклических механических и термических нагрузок.
Для достижения установленной цели работы сформулированы следующие задачи
исследования и намечены пути их решения:
 разработать теоретическую модель напряженно-деформированного состояния для
сравнительной оценки влияния локального диффузионного и сплошного покрытия на физикомеханические свойства поверхностного слоя;
 разработать метод нанесения локального диффузионного покрытия на режущий
инструмент и определить оптимальные факторы, увеличивающие долговечность режущего
инструмента в условиях эксплуатации;
 разработать оборудование и технологию для нанесения локального диффузионного
покрытия на режущий инструмент;
 исследовать функциональные связи между композицией локального диффузионного
покрытия, технологическими параметрами процесса его формирования и долговечностью
режущего инструмента;
 исследовать влияние локального диффузионного покрытия на физико-механические и
режущие свойства инструментального материала;
 исследовать механизм изнашивания режущего инструмента с локальным диффузионным
покрытием при точении и фрезеровании;
 разработать методику и критерии оценки долговечности режущего инструмента c
локальным диффузионным покрытием.
Во второй главе разработана концепция формирования теоретической модели образца с
локальным диффузионным покрытием, разработана теоретическая модель локального (ячеистого)
диффузионного покрытия, проведена оценка влияния локального диффузионного покрытия на
долговечность. Принципиальной особенностью рассматриваемой модели является сопоставление
9
деформации упругого растяжения сплошного и локального покрытия, модуль упругости Е и
коэффициент Пуассона μ, формально выступающих в роли интегральной характеристики.
Приведенные в главе сравнительные данные по E и μ для металлов и их соединений,
используемых в качестве покрытий, показывают, что соединения в виде карбидов, нитридов и оксидов
обладают, в сравнении с основным металлом, существенно большими значениями E и меньшими
значениями μ.
Проведена оценка влияния локального диффузионного покрытия на долговечность образца.
Показано, что при фиксированной относительной деформации образца диффузионное (ячеистое)
покрытие, приводит к увеличению его долговечности за счет снижения растягивающих напряжений в
областях локальных покрытий.
На основании анализа публикаций отмечено, что результаты рассмотрения вопроса
изнашивания контактных поверхностей, взаимодействующих на пятнах фактического контакта,
и расчетная схема износа, из монографии Барзова А.А., использовали в приложении к
рассмотрению механизмов изнашивания локального (ячеистого) диффузионного покрытия
режущего инструмента, рис.1.
Однако, ввиду отсутствия известных публикаций по сопоставлению свойств сплошных и
локальных покрытий, в качестве первого шага был выполнен теоретический анализ влияния
локальности (ячеистости) покрытия на прочностные свойства образца по отношению к
деформации растяжения. Анализ проводился на основе теоретической модели одноосного
упругого деформирования образца из произвольного инструментального материала с исходной
геометрией прямоугольного параллелепипеда длиной Lи шириной Ни и толщиной hи, рис.2.
Рисунок 1. Расчетная схема износа контактной
Рисунок 2. Теоретическая модель плоского
поверхности с учетом исходной поврежденности
образца с локальным покрытием, образуемым
материалов
элементарными квадратными ячейками l х l
10
Сам образец состоит из элементарных объемных ячеек, имеющих вид прямоугольных
параллепипедов с размерами l х l х hИ.
Принципиальной особенностью рассматриваемой модели является ее сопоставительный
характер применительно к деформации упругого растяжения одинаковых по геометрии и по
материалу образцов, со сплошным и локальным покрытиям. Такой подход позволяет
максимально
абстрагироваться
от
усложняющего
теоретического
анализа
комплекса
индивидуальных свойств покрытий и использовать в качестве базовой основы для
сопоставления взаимосвязи величины эффективного модуля Юнга для инструментального
материала с ячеистым покрытием ЕИПS с ее двумя предельными значениями -
для
инструментального материала без покрытия ЕИ и со сплошным покрытием ЕИП. При этом
предполагается
удовлетворение
покрытий
требованию
отсутствия
деформационных
повреждений типа трещин и отслоений, а величина ЕИП формально выступает в роли
интегральной характеристики влияния сплошного покрытия, учитывающей в неявной форме
весь комплекс его индивидуальных свойств. Описанная теоретическая модель равным образом
применима и к случаю симметричного расположения локального диффузионного покрытия на
двух противоположных поверхностях образца, что оказывает влияние лишь на численное
значение величины ЕИП. Также с помощью предложенной модели можно оценить влияние
локальности покрытия на величину коэффициента Пуассона.
Поскольку, строго говоря, покрытие не является самостоятельным материалом, а работает
только как композиция с основой, то в рассмотренной модели используются такие эффективные
«композиционные» величины как модуль упругости ЕИП и коэффициент Пуассона μИП, для образца из
инструментального материала со сплошным покрытием поверхности в совокупности с
характеристиками
инструментального
материала
ЕИ и
μИ, определяющие эффективные
характеристики образца из инструментального материала с локальным диффузионным покрытием
поверхности ЕИПS и μ ИПS.
Отметим, что подразумеваемое отсутствие покрытия на боковых гранях, связанных с толщиной
образца, означает анизотропию его упругих свойств в отношении поперечных деформаций по
ширине НИ и толщине hИ, (см. рис. 2). Деформации по ширине НИ характеризует величина
коэффициента Пуассона μИПS, а деформации по толщине hИ определяются только величиной
коэффициента Пуассона инструментального материала μ И.
Формальным регулятором деформационных изменений длины ∆LИ и ширины ∆НИ, является
поверхность с локальным диффузионным покрытием связанная с наличием границ (области без
покрытия), препятствующих поверхностному распространению трещин в покрытии:
LИ = n1• l →Δ LИ = n1•Δl, Δl = ΔlП1 + ΔlS1 – продольные деформации;
НИ = n2• l → ΔНИ = n2•Δl┴, Δl┴ = ΔlП2 + ΔlS2 – поперечные деформации,
11
где Δl, Δl┴– соответственно продольная и поперечная (по ширине) деформации одной
элементарной ячейки; n1, n2 – количество элементарных ячеек в продольном и поперечном
направлениях.
Следствиями принятых в работе определений и соотношений являются выражения:
E ИПS
A(1−x 1)(1−x 2)
=1+
EИ
1+ Ax1
μ
B(1−x 1)(1−x 2 )
Μ ИПS = μИПS
=1+
И
1+ B(1− x 1)
где YИПS и МИПS – нормированные соответственно на ЕИ и μ И величины Е ИПS и μ ИПS,
Υ ИПS=
A  EИП 1,
ЕП
В
И
1
ИП
- исходные эффективные параметры двухпредельного подхода;
x 1=
l S1
l
x 2= S2
l
l
- нормированные на l размеры ширины поперечных и продольных полос без покрытия.
Предельные случаи для YИПS и МИПS
Отсутствие покрытия:
Сплошное покрытие:
x 1=x 2=1
x 1=x 2=0
(достаточно только x1=1,или только x2=1),
{
E
Υ ИПS = ИПS =1
EИ
μ
M ИПS = μИПS =1
И
{Eμ
ИПS
ИПS
=E И
=μ И
{
E ИПS
E
=1+ A= ИП ,
EИ
EИ
μ ИПS
μ
B
1
M ИПS = μ И =1−
=
= μИПS
И
1+ B 1+ B
Υ ИПS =
{Eμ
ИПS
ИПS
=E ИП
=μ ИП
Элементарная объемная ячейка образца с локальным покрытием, объемом l х l х hИ и
модулем упругости ЕИПS, включает в свой состав подъячейку в виде прямоугольного
параллепипеда объемом lП1 х lП2 х hИ, характеризуемым наличием локального диффузионного
покрытия, полностью покрывающего ее рабочую поверхность. С позиции двухпредельного
подхода такой подъячейке может быть поставлен в соответствие модуль упругости ЕИП.
Сопоставление двух геометрически одинаковых образцов из одного и того же
инструментального материала для случаев сплошности и локальности покрытия показывает,
что при одинаковых относительных продольных деформациях
Δl
l
=
Δ LИ
LИ
=
P ИП
P ИПS
=
H И h И E И (1+ A) H И h И E И Y ИПS
элементарной ячейки
, обеспечиваемых различием прикладываемых к
образцам сторонних растягивающих сил РИП и РИПS, у ячейки имеет место различие
относительных продольных деформаций объемов с покрытием: Δl/l для случая сплошного
покрытия и ΔlП1/lП1 - для случая локального. При этом
12
Δl
Δ l П1
l
=
l П1 1+ A⋅x 1
x 2=1−
(Y ИПS −1)⋅(1+ Ax1 )
A⋅(1−x 1)
,а
Растягивающие напряжения, действующие на эти объемы – σИП для сплошного покрытия и
σИПS
для локального (ячеистого) – также оказываются различными и связанными
соотношениями:
σ ип  Е ип Δ ,

Соответственно
σ ипs  Е ипs Δ .

деформация
ΔlП1/lП1,
учитывая
допущения
рассматриваемой
теоретической модели, относится и непосредственно к самому поверхностному покрытию, а
напряжение σПS – это напряжение, которое действовало бы в образце со сплошным покрытием
σИП, если бы его относительная деформация равнялась относительной деформации локальной
области
 п1
 п1
покрытия при локальном покрытии σИПS
σ ПS= E ИП
Δ l П1
l П1 , следовательно
Выражения,
определяющие
 ПS 
связи
П
1  A  x1 .
растягивающих
напряжений,
действующих
на
элементарную ячейку со сплошным σИП и локальным σИПS покрытиями, при ее относительной
деформации Δl/l, с напряжениями σИП и σИПS, имеют вид:
σ ИП =E ИП⋅
Δl
Δl
=σ П
l
l
-для случая сплошного покрытия.
=E И⋅(1+A)
l
l  ИПS   П  ИПS  1  Ах1 ПS 1  А  1  х2(1  х1)

 ПS

 ИПS  Е ИПS  l  Е И   ИПS l 
1 А
1 А
1 А
-для случая локального диффузионного покрытия.
Диаграммы упругих растяжений, приведенные на рис.3 в координатной плоскости
«относительная деформация ε – напряжение σ», качественно иллюстрируют рассмотренные
взаимосвязи.
Рисунок 3. Диаграммы упругих растяжений
элементарной ячейки, качественно
иллюстрирующие различие напряжений σП и
σПS.
13
Точка с координатами ΔlП1/lП1, σПS на диаграмме для сплошного покрытия характеризует состояние
локального диффузионного покрытия. Из рис.3 видно:
σ σ
σ
Е ИП  tgα ИП  ΔlП  П ΔlПS ,
Δl  П1
l
l
lП1
E ИПS=tg α ИПS =
σ ИПS
Δl
l
Очевидно, что неравенство σПS < σП является следствием снижение напряжений,
действующих непосредственно на локальные (ячеистые) области самого покрытия, что
напрямую связано с вопросом увеличения временного интервала, в течение которого покрытие
способно без разрушения выдерживать определенную деформацию образца Δl/l, т.е. с вопросом
его долговечности, согласно представлениям кинетической теории прочности.
Поскольку структура покрытия играет большую роль в снижении остаточных напряжений,
то желательно, создать структуру покрытий, имеющую мягкие прослойки. Такого рода
подвижные кристаллические структуры имеют пониженные модули упругости и сдвига, что
способствует релаксации напряжений. Локальное диффузионное покрытие – покрытие,
состоящее из локальных зон с областями без покрытия между ними.
Схематично условная классификация покрытий, с точки зрения рассмотренной модели
локального диффузионного покрытия, может быть представлена в виде:
YИПS (x1, х2), MИПS (x1, х2)
Частные случаи
Квадратно-ячеистые покрытия
x1 = x2 = х,
YИПS (x), MИПS (x)
Полосковые покрытия
Поперечно-полосковые
x1 ≠ 0 x2 = 0
Продольно-полосковые
x1 = 0 x2 ≠ 0
YИПS1 , MИПS1
YИПS2 , MИПS2
x1 = x2 = х
YИПS1 (x), MИПS1 (x)
На этой схеме:
{
{
YИПS2 (x), MИПS2 (x)
A(1− x 1)(1− x 2)
1+ Ax1
B (1−x 1 )(1−x 2 )
M ИПS ( x 1, x 2)=1+
1+ B(1−x 1)
{
A(1−x 1 )
1+ Ax 1
B(1− x 1)
M ИПS1=1+
1+ B (1−x 1 )
{
Υ ИПS (x 1, x 2 )=1+
Υ ИПS1 =1+
A(1− x)2
Υ ИПS (x )=1+
1+ Ax
B(1−x )2
M ИПS ( x)=1+
1+B(1−x )
A(1− x)
1+ Ax
B(1−x )
M ИПS1=1−
1+ B(1− x)
Υ ИПS1 =1+
14
{
{
Υ ИПS2 =1+ A(1− x 2)
Υ ИПS2 ( x)=1+ A(1− x)
B
B
(1−x 2)
M ИПS2 ( x)=1−
(1−x )
1+ B
1+ B
где: YИПS –модуль упругости, MИПS - коэффициент Пуассона.
M ИПS2 =1−
Приведенные в главе сравнительные данные по E и μ для металлов и их соединений,
используемых в качестве покрытий, показывают, что соединения в виде карбидов, нитридов и оксидов
обладают, в сравнении с основным металлом, существенно большими значениями E и меньшими
значениями μ.
Таким образом, можно утверждать, что защитные покрытия, как правило, характеризуются
значительно большими значениями E и меньшими значениями μ, чем материал основы. В результате
защитные покрытия будут обладать большими эффективными значениями ЕИП и меньшими
эффективными значениями μ ИП, чем основа, поскольку структура покрытия играет существенную
роль в снижении остаточных напряжений, поэтому, желательно создание структуры покрытия,
имеющие мягкие прослойки. Такого рода подвижные кристаллические структуры имеют
пониженные модули упругости и сдвига, что способствует релаксации напряжений. К такой
структуре покрытия относится разработанное локальное диффузионное покрытие.
Использование локальности приводит к уменьшению эффективного значения модуля
Юнга, по сравнению со сплошным покрытием, что способствует улучшению его пластических
свойств, релаксации напряжений. Характер влияния локального диффузионного покрытия на
прочностные свойства образца при растяжении, в рамках сделанных допущений, полностью
определяется влиянием на прочностные свойства одной элементарной ячейки.
На основе разработанной модели определена долговечность режущего инструмента,
установлен временной интервал работы режущего инструмента, обусловленный действием
термофлуктуационного механизма разрушения нагруженных межатомных связей.
Характеристикой энергоемкости инструментального материала по отношению к износу
служит эффективная молярная энергия активации Uэф, определяемая разностью:
Uэф = Uо - Ω,
где: Uэф - эффективная молярная энергия активации за счет внешних и внутренних сил; Uо энергия активации процесса разрушения (без внешней силы); Ω – активационный объем (объем
области локализации первичного акта разрушения с учетом влияния на него дефектности
материала изделия);  - приложенное напряжение.
Отождествляя долговечность режущего инструмента tд с периодом его стойкости
получаем выражение для эффективной молярной энергии активации Uэф:
RT
TСТ ) ,
Uэф  0,434 lg(
o
где: о ≈ 10
-13
c (время, считающееся достаточным для разрыва межатомной связи); Т ст –
стойкость режущего инструмента, сек.; Т – среднее значение температуры режущей кромки
инструмента по Кельвину; R – газовая постоянная 8,317 Дж/моль град.
15
Таким образом, кинетический подход к проблеме износа режущего инструмента
позволяет на основе единого подхода, путем использования модификационной формулы
Журкова С.Н., установить взаимосвязь между периодом стойкости режущего инструмента Т ст,
средней температурой его режущей кромки Т и соответствующей им эффективной величиной
молярной энергоемкости Uэф процесса износа.
Согласно экспериментальным данным, эффективная молярная энергия активации Uэф с
локальным диффузионным покрытием больше, чем эффективная молярная энергия активации
Uэф с ионно-плазменным покрытием (TiN) на 0,7%, следовательно, долговечность режущего
инструмента выше примерно в 1,5-2раза.
В третьей главе рассмотрены принципы и методика формирования диффузионного
локального покрытия на рабочих поверхностях инструмента.
На основе теоретической модели и формулы долговечности локального диффузионного
покрытия в качестве эффективной промежуточной среды между инструментальным и
обрабатываемым материалами, условий эксплуатации режущего инструмента и причин его
отказов в работе, сформулированы положения о повышении долговечности режущего
инструмента с локальным покрытием при сохранении запаса пластичности инструмента.
Согласно этим положениям локальное диффузионное покрытие должно:
- повышать жесткость инструментального материала, но при этом препятствовать
поверхностному распространению трещин в покрытии, образующихся под воздействием
термомеханических напряжений;
- обеспечить повышение сопротивляемости усталостному разрушению, особенно в
условиях повышенных контактных напряжений, циклического нагружения режущей части
инструмента (операции прерывистого резания).
Обобщение преимуществ ячеистой структуры износостойкого диффузионного покрытия
на контактных площадках режущего инструмента, позволяет сформулировать их в виде
следующих рабочих гипотез:
1. Локальное диффузионное покрытие, сравнительно со сплошным покрытием, обладает
способностью к снижению напряжений, приходящихся на локальные композиции покрытия с
основой. Облегчению условий их релаксации, а также к частичной компенсации разности
физико-механических характеристик между инструментальным материалом и локальным
покрытием, что снижает риск хрупкого разрушения режущего клина инструмента при действии
циклических нагрузок.
2.
Преимущества
локального
диффузионного
покрытия
определяются
степенью
согласования его параметров с параметрами основы, представленной режущим клином из
инструментального материала, устанавливаемыми экспериментально.
На основе указанного подхода была сформулирована методика нанесения локального
диффузионного покрытия, разработано оборудование и технология для ее реализации.
16
В соответствии с рабочими гипотезами сформулировано положение о локальном
диффузионном покрытии, которое как и сплошное, в своих локальных ячейках сплошности
состоит: из тонкого переходного нано-слоя (ТПС); диффузионного слоя (ДС) и поверхностного
нано-слоя (ПНС), причем каждый из слоев имеет свои функции. Диффузионный слой (ДС)
способствует росту запаса пластичности инструмента и жесткости инструментального
материала, что, в свою очередь, снижает склонность режущего клина инструмента к потере
формоустойчивости и упругим прогибам под воздействием термомеханических напряжений,
возникающих при резании и, таким образом, снижает вероятность хрупкого разрушения
покрытия.
Поверхностный нано-слой (ПНС) повышает сопротивляемость усталостному разрушению,
особенно в условиях повышенных контактных напряжений и циклического нагружения
режущей части инструмента (операции прерывистого резания).
Тонкий переходной нано-слой обеспечивает совместимость с инструментальным
материалом, сохраняя при этом прочность инструментального материала.
Диффузионное локальное покрытие может быть различным, поскольку для каждого
материала формирование покрытия будет носить свой индивидуальный характер, в
зависимости от химического состава инструментального материала, (см. рис.4).
основа
Локальное
диффузионное
покрытие
а)
Слои Рекомендуемые композиции
ПНС Оксидные соединения МеО-О2: FexO(x~0,84-
0,96), Fe2О3;Fe3О4;WO2(δ); Co3O4(II,III),
CoO(II);WO2,90; WO2,72;TiО,Ti2О и др.
ДС Соединения Ме-МеО: W-WхO3n-2, Co-СохO3n-2,
Ti-TiхO3n-2, Fe-FeхO3n-2 и др.
ТПС Упрочняющие фазы FeO(α); FeO(β), FeO();
WO3(α); WO3(β), WO3(), TiО (α), и др.
в)
б)
Важнейшие требования
1. Тр=Т2-Т1 0 для пары «ОМ –ПНС»
2. Max : HV, п
Тр=Т2′-T2′′ 0 для пар «ПНС – ДС»,
«ДС– ТПС».
Недопустимое формирование фаз типа
- (Me)уOх, Me – W, Ti, Fe, Co и др.
Рисунок 4. Принципиальная схема структуры локального диффузионного покрытия:
а) глубинная структура единичного локального элемента; б) поверхностная структура
покрытия в) упорядоченная совокупность локальных элементов покрытия.
Разработанная для этой технологии экспериментальная установка имеет униполярную
положительную корону. Количество положительных ионов, порождаемых ионизацией
компонентов
атмосферного
воздуха,
обычно
существенно
превышает
количество
17
отрицательных ионов (доминирующая азотная компонента электроположительна и не образует
отрицательных ионов). Это является одной из причин использования в экспериментальной
установке униполярной положительной короны, формируемой в привершинной области
игольчатого электрода, играющего роль анода (нейтрализатора приходящих на него
отрицательно заряженных частиц в виде электронов и отрицательных ионов), находящегося под
высоким положительным потенциалом. Принципиальная электрическая схема данной
установки показывает, что ток I газоразрядного промежутка замыкается через внешнюю цепь,
где в роли его носителей выступают свободные электроны, нейтрализующие заряд
положительных ионов, поступающих на электрод. Неоднородность поля, являющаяся
необходимым условием возникновения униполярного коронного разряда, приводит к
сосредоточению ионизационных процессов в так называемом чехле короны, непосредственно
примыкающем к коронирующему электроду и характеризуемому наличием сильного поля. При
атмосферном давлении практически вся энергия, приобретаемая ионами в поле разрядного
промежутка, передается в результате соударений молекулам воздуха. Таким образом, ионная
активация воздуха увеличивает хемосорбционную
активность. Движение положительных
ионов в направлении обрабатываемой ими поверхности носит дрейфовый характер. Энергия
дрейфового движения ионов оказывается много меньше энергии их теплового движения, но
именно дрейфовая скорость является причиной протекания тока во внешней зоне коронного
разряда, согласованного с током во внешней цепи электродного промежутка. Изменение
условий равновесия поверхностного слоя, не коронирующего электрода с окружающей газовой
средой, в зоне адсорбированных из нее молекул неорганических веществ, инициирует процесс
очистки поверхности от загрязнений. Формирование покрытия обусловлено неоднородностью
электрических
и
тепловых
полей.
Таким
образом,
происходит
локальный
нагрев,
обусловленный нарушением энергетического баланса, за определенное время, идущее на
разогрев пятна площадки основания и процесс образования покрытия, осуществляется
диффузионно по границам поверхностных зерен.
В качестве рабочей гипотезы воспользуемся изломом в линейной зависимости
коэффициента диффузии от величины, обратной безразмерному значению нормированной
температуры излома. В качестве такой зависимости воспользуемся классическим законом
Аррениуса, «температурная зависимость коэффициента диффузии». Для реализации закона
была конкретизирована гипотеза существования аномального низкотемпературного излома в
линейной зависимости.
 Q
Д  Д о  exp  ,
 kT 
где: До и Q – соответственно предэкспоненциальный множитель и энтальпия активации
диффузии,
зависящие
от
диффундирующего
элемента
и
материала
поверхности; k = 1,3810-23Дж/оК = 8,61710-5 эВ/оК – постоянная Больцмана.
обрабатываемой
18
Эта гипотеза представляет наиболее простой и универсальный способ формализации
описания разнообразных низкотемпературных отклонений от закона Аррениуса, носящих
монотонный характер.
Данная гипотеза «излома» объясняет формирования диффузионных покрытий при
комнатных температурах. Значение коэффициента диффузии для точки С не может превышать
его значения в точке «излома» В, (см. рис.5). Необходимым условием возможности реализации
«излома» в точке В является наличие линейности, т.е. точка В~. Рассчитываемое по закону
Аррениуса значение коэффициента диффузии для точки В~ должно быть больше, чем для точки
В. Это означает, что реализация перехода возможна лишь при температуре «излома»
превышающей минимальное значение температуры. На примере диффузии внедрения углерода
в α - Fe при температуре Т=20оС, можно показать, что если температура «излома» меньше или
равна 1, то отсутствует «излом», следовательно, коэффициент диффузии -16,676. Для
реализации «излома» требуется увеличение температуры. Для коэффициента диффузии -13
температура «излома» 1,3, что соответствует температуре 107,9оС. Если коэффициент
диффузии -16,676 и соответственно температура «излома» равна 1, то энтальпия активации Q =
0,617эВ, а при коэффициенте диффузии -13 и соответственно температура «излома» 0,742, то
энтальпия активации Q = 0,688эВ, то согласно графику зависимости температура «излома»
линейная, при этом остается неизменным предэкспоненциальный коэффициент диффузии, До =
0,004 см2/с, (см. рис. 6-7).
Рисунок 5. Качественная
характеристика «излома» в линейной
зависимости lgД от 1/3
Диффузионное
насыщение
Рисунок 6. График зависимости
«излома» температуры min от lgД1
поверхности
молекулами
и
Рисунок 7. Графики
функциональных
зависимостей «излома»
от температуры
ионами активированного
электрическим коронным разрядом сжатого воздуха, обладает существенным преимуществом
по сравнению с насыщением из парогазовой фазы, так как имеет:
– большую скорость насыщения;
19
– возможность термодиффузионного насыщения поверхности без дополнительной
депассивирующей обработки;
– полную экологическую безопасность процесса обработки;
Наличие в воздухе азота, кислорода и соединений углерода (CO2) позволяет предположить
возможность вхождения в состав покрытия нитридов, оксидов и карбидов, образующихся при
синтезе покрытия.
Основу ионной активации воздуха составляют:
- процессы ионизации с образованием положительных ионов;
- процессы электронного сродства с образованием отрицательных ионов:
+
+
Me + O2 → MeO + O;
–
–
+
O + e- → O ; Me + O → MeO
Количество положительных ионов, порождаемых ионизацией атмосферных компонентов,
обычно существенно превышает количество отрицательных ионов, поскольку азотная
компонента электроположительна и не образует отрицательных ионов, то хемосорбция
электроотрицательного кислорода с образованием оксидной пленки будет препятствовать
хемосорбции азота и образованию нитридов, что, в свою очередь, облегчает диффузию ионов
(или атомов) кислорода через поверхностный слой с образованием диффузионного внутреннего
покрытия оксидного типа. Незначительное содержание оксида углерода (IV) СО2 в атмосфере,
не дает вклада углеродной составляющей в состав покрытия.
В качестве критериев оценки долговечности инструмента
использовали среднее значение
стойкости T , коэффициенту вариации стойкости  T , интенсивность изнашивания J. Оценку
коэффициентов вариации стойкости инструмента с диффузионным сетчатым покрытием, со
сплошным
покрытием
и
без
упрочнения
производили
с
использованием
методов
математической статистики. Для оценки резко выделяющихся значений стойкости инструмента
использовали критерий Гиббса.
В главе также приведены основные данные, обосновывающие выбор инструмента (тип,
геометрия, марка инструментального материала), обрабатываемого материала, оборудования,
аппаратуры для проведения экспериментальных исследований.
В четвертой главе разработана установка для нанесения локального диффузионного
покрытия
на
режущий
инструмент,
которая
состоит
из
устройства
для
создания
ионизированного воздушного потока «УИВ-1» (патент № 2279962) и электромеханического
блока электроэрозионного станка «Эльфа». Устройство «УИВ-1» обеспечивает формирование
на поверхности образца локальных областей диффузионного покрытия, а электромеханический
блок позволял реализовать упорядоченную совокупность локальных областей с покрытием,
разделенных промежутками с его практическим отсутствием, именуемую в работе локальным
(ячеистым)
покрытием.
При
формировании
локального
диффузионного
покрытия
использовали специальный игольчатый анод с жесткой регламентацией. В качестве материала
анода использовали вольфрам. Стержневой электрод диаметром 0,7мм играет роль анода
20
(нейтрализует приходящие на него отрицательно заряженные частицы – электроны и
отрицательные
ионы).
Электрод
подключен
к
источнику
постоянного
напряжения,
регулируемому в диапазоне 0 – 16 кВ. Сильная неоднородность электрического поля вблизи
«острия» анода, обеспечивает условия образования униполярной положительной короны.
Заглубление
электрода
уменьшает
влияния
краевого
поля
на
выходящий
из
него
активированный воздушный поток. Для формирования покрытия используется ток коронного
разряда и давление сжатого воздуха.
Рассмотрение углов α наклона сопла и его расстояния Lс от обрабатываемой поверхности
проводились с учетом формирования пограничной диффузии элементов активированного
воздуха для формирования тонкого диффузионного покрытия. Исследования по оптимизации
параметров нанесения локального диффузионного покрытия проводили в два этапа. На первом
этапе использовали двухфакторную модель при принятом допущении, что время является
случайным фактором, для уяснения степени влияния основных параметров синтеза покрытия на
износостойкость твердосплавных пластин применительно к точению стали. На втором этапе
была использована математическая модель процесса нанесения локального диффузионного
покрытия с учетом стохастического характера. Математическое планирование эксперимента для
определения числа опытных точек и оптимального расположения их в отведенной для исследований
области факторного пространства включало использование указанных параметров.
Диапазон варьирования параметров выбирали таким образом, чтобы идентифицированная
модель была справедлива для всей области управления, а значения параметров, находящиеся
внутри диапазона были практически реализуемы. Исходя из сказанного, были использованы
следующие диапазоны варьирования параметров: IК = 140 – 440мкA; рВ = 0,1 – 0,5 МПа.
Расчетные значения параметров модели осуществляли по математической программе
«MOD_UNI».
Были проведены металлографические исследования состава локального диффузионного
покрытия: распределение по глубине рассеяния, которые были определены на установке
«Сокол-3» в институте технологии микроэлектроники РАН (ИПТМ РАН); по химическому
составу, которые были определены на электронном микроскопе «JSM-5610 LV» предприятия
АО «НПЦ «газотурбостроения «Салют». Состав локального диффузионного покрытия,
распределение элементов по глубине слоя дают возможность судить о динамике процесса
насыщения кислородом. Спектр рассеяния элементов показывает заметные изменения в
поверхностном слое субстрата, например для быстрорежущего инструмента, отмечается
смещение дифракционного максимума (110)Fe в области малых углов отражения (2Q), что
свидетельствует об образовании α - твердого раствора железа, появляются следы  - фазы (FeO). В
частности, в приповерхностной зоне на глубине проникновения ионного пучка (около 1 мкм для
Не) обнаруживается оксидный слой для быстрорежущей стали, состоящий из α – Fe2О3.
Рентгеноспектральным анализом получено распределение элементов по глубине материала
21
покрытия. Установлено, например, для быстрорежущей пластины, в покрытии присутствуют
Fe, Cr, W, V, Mo, Co, O, C. На глубине 300нм содержание Fe составляет 76%, тогда как на
глубине 5 000нм - 84%. Содержание Cr, W, V, Mo, Co практически не изменялось, в то ж время
установлено, что кислород присутствует только в поверхностном слое покрытия и содержание
кислорода составляет, примерно, 0,08% (см. рис.8). Таким образом, можно утверждать, что
уменьшение содержания Fe в поверхностном слое обусловлено протеканием процесса
окисления и образования оксидов FeхОу. Микрорентгеноспектральным анализом, (см. рис.8)
подтверждено
существенное
Микрорентгеноспектральный
уменьшение
анализ,
содержания
проводившийся
на
Fe
в
покрытии.
сканирующем
электронном
микроскопе с пошаговым сканированием, где количество шагов определяет толщину покрытия,
показал,
что
покрытие,
получено
диффузионным
способом
и
имеет
локальную
поликристаллическую структуру, (см. рис. 9). При этом размер зерна составляет примерно 4 мкм.
а)
б)
Рисунок 8. Результат микроренгеновского спектрального анализа быстрорежущей
пластины Р6М5: а) без локального диффузионного покрытия; б) с локальным диффузионным
покрытием
Название спектра
Спектр 10
Спектр 11
O
0
10,41%
V
3,84%
3,74%
Cr
4,62%
4,06%
Fe
73,75%
67,67%
Mo
7,52%
5,96%
W
10,27%
8,16%
22
11
Рисунок
9.
Макроструктура
поверхности
образца
после
нанесения
локального
диффузионного покрытия (а - х300; б - х500) Спектр 11
Были проведены исследования по цветам побежалости для установления оксидов,
которые могут быть получены при нанесении локального диффузионного покрытия на
твердосплавном материале ВК10ХОМ и быстрорежущей стали Р6М5. В результате
исследования на твердосплавном материале установлено, что в состав покрытия входят
следующие оксиды: триоксид вольфрама WO3 (α); WO3(β), WO3 (); диоксид вольфрама WO2(δ);
оксид кобальта (II, III) Co3O4 и оксид кобальта (II) CoO, о чем свидетельствуют цвета
побежалости, (см. рисунок 10).
а)
б)
Рисунок 10. Интерференция цвета побежалости на поверхности образца после нанесения
локального диффузионного покрытия: а) быстрорежущий образец Р6М5К5; б) твердосплавный
образец ВК10ХОМ
Данное покрытие состоит из оксидов, имеющих нестехиометрическую структуру, что
способствует увеличению прочности поверхностной пленки покрытия на инструментальном
материале, при этом структура основного металла не претерпевает заметных изменений в
поверхностном слое.
При повышении температуры оксиды переходят в более стабильное состояние,
соответствующее более высокому содержанию кислорода в металле.
Чередование оксидов на поверхности металла связано с разным процентным содержанием
кислорода. Вначале, при ионизации молекул кислорода, происходит образование гематита.
Затем, по мере возрастания температуры инструмента при механической обработке деталей и
23
снижении концентрации кислорода под слоем гематита образуется слой магнетита и ниже слой
вюстита. Таким образом, чем выше температура, тем больше в окалине вюстита и меньше
гематита.
Для определения физико-механических свойств локального диффузионного покрытия
были проведены исследования на сканирующем наноинденторе Hysitron TI 750 Ubi (США), по
микротвердости, шероховатости и модулю упругости Юнга, а также испытания на
трехточечный изгиб σизг на испытательной машине LFM – 250. В качестве образцов
использовали прямоугольные бруски размером 10,0х10,0х60мм. В качестве материала для
образцов были использованы: быстрорежущая сталь (Р6М5К5), твердосплавный материал
(ВК10ХОМ).
Из графиков, (см. рис. 11-12) видно, что локальное диффузионное покрытие толщиной
350 – 600нм позволяет, увеличить твердость и модуль упругости. Таким образом, ионы
сжатого воздуха, проникая в основу, создают тонкий, но прочный поверхностный слой. По
результатам исследования на изгиб видно, что предел прочности увеличивается, и вероятность
разрушения снижается, поскольку рост локальных напряжений задерживается, а уровень
средних напряжений еще не достигает критических значений, (см. рис.13). В частности, для
твердого сплава ВК10ХОМ предел прочность при изгибе изменяется от 1670МПа до 682МПа,
а для быстрорежущей стали Р6М5К5 предел прочность при изгибе изменяется от 1230МПа до
1022МПа.
а)
б)
Рисунок 11. Модуль упругости: а) быстрорежущая сталь Р6М5К5; б) твердый сплав ВК10ХОМ
24
а)
б)
Рисунок 12.Твердость: а) быстрорежущая сталь Р6М5К5; б) твердый сплав ВК10ХОМ
а)
25
б)
Рисунок 13. Предел прочности на изгиб σизг: а) быстрорежущая сталь Р6М5К5; б) твердый
сплав ВК10ХОМ
Таким образом, диффузионное ячеистое покрытие с одной стороны, благоприятно
сказывается на повышении износостойкости основы за счет роста твердости, с другой стороны повышает прочность, уменьшая развитие квазихрупкости в начальной стадии микротрещины.
В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований режущих
свойств инструмента с механическим креплением пластин из быстрорежущей стали и твердого
сплава с локальным диффузионным покрытием.
Объектами исследований служили резцы с механическим креплением четырехгранных
быстрорежущих пластин производства ОАО «МПО им. И. Румянцева» и резцы с механическим
креплением четырехгранных твердосплавных пластин фирмы « Искар», а также цельные фрезы
из твердого сплава ВК10ХОМ производства АО «НПЦ газотурбостроения «Салют».
Для
установления
кинетики
изнашивания
резцов
с
механическим
креплением
четырехгранных быстрорежущих и твердосплавных пластин с локальным диффузионным
покрытием были проведены производственные испытания и получены кривые зависимости износа
_
от времени h3 = f(τ) с соответствующими кривыми для контрольного режущего инструмента и для
режущего инструмента с механическим креплением пластин с покрытием TiN, рисунок 14.
26
а)
б)
_
Рисунок 14. Обобщенные кривые h3 =f(τ), полученные при продольном точении стали 40Х
(НВ220) резцом с механическим креплением пластины из: а) быстрорежущей стали Р6М5К5:
v = 80 м/мин; s = 0,175 мм/об; t=1,0; б) твердого сплава IС50М: v = 190 м/мин; s = 0,4 мм/об; t = 2мм
На стадии приработочного изнашивания наблюдается заметное снижение твердости
(разупрочнение) инструмента со сплошным покрытием, в то время
как для пластин с
локальным покрытием отмечено полное сохранение уровня твердости локальных объемов
инструмента по длине контактных
площадок передней и задней поверхностей. На этапе
конечной стадии нормального изнашивания, соответствующей наступлению катастрофического
разрушения контактных площадок, отмечено удовлетворительное состояние приповерхностных
слоев для пластинок с локальным покрытием. Таким образом, локальное диффузионное
покрытие повышает долговечность режущего инструмента с быстрорежущей пластиной
Р6М5К5 при точении стали 40Х (НВ220) в 4-5 раз по сравнению с контрольным инструментом
и в 1,5-3 раз по сравнению со сплошным покрытием; режущего инструмента с твердосплавной
пластиной IC50M при точении стали 40Х (НВ220) в 3-4 раза по сравнению с контрольным
инструментом и в 1,8-2,5 раза по сравнению со сплошным покрытием.
27
Производственные испытания проводили при фиксированной величине износа hз = 0,12мм
для чернового фрезерования и hз = 0,5мм для чистого фрезерования. В процессе измерения
износа, по мере его возрастания, фиксировалось количество обработанных деталей. В ходе
производственных испытаний установлено, что износостойкость твердосплавных фрез
ВК10ХОМ при фрезеровании титановых лопаток ВТ6 в 2 раза выше по сравнению со
сплошным покрытием и в 1,8 раза выше по сравнению с контрольными фрезами при черновой
обработке; в 1,5 раза выше по сравнению со сплошным покрытием и в 1,8 раза выше по
сравнению с контрольными фрезами при чистовой обработке и при переточке в 2- 2,5 раза
выше относительно контрольных фрез, (см. рис.15).
а)
б)
Рисунок 15. Работоспособность твердосплавных фрез ВК10ХОМ при фиксированной величине
износа hз: а) черновое: n = 1020 об/мин, Sм = 490 мм/мин, Sz = 0,08 мм/об, и б) чистовое: n =
2725 об/мин, Sм = 1745 мм/мин, Sz = 0,16 мм/об, фрезерование титановых лопаток ВТ6.
Из производственных испытаний установлено, что фрезы с локальным диффузионным
покрытием относительно фрез со сплошным покрытием при одинаковом критерии износа h 3
имеют большую продолжительность работы.
В шестой главе рассмотрены примеры практического применения технологии нанесения
локального диффузионного покрытия, в частности на титановых образцах-имитаторах лопаток
из материала ВТ3-1, по технологии изготовления деталей предприятия АО «НПЦ
газотурбостроения «Салют».
Сравнительными механическими испытаниями образцов-имитаторов из сплава ВТ3-1 с
локальным диффузионным покрытием, установлено что сплошное и локальное покрытия
практически не оказывают заметного влияния на временное сопротивление и предел текучести
титанового сплава.
28
Рисунок 16. Гистограмма усталостных испытаний титановых образцов-имитаторов из
титанового сплава ВТ3-1 при нагрузке σ = 1000МПа
Однако испытания на усталость показали увеличение долговечности образцов имитаторов с локальным диффузионным покрытием на 30% относительно образцов имитаторов со сплошным покрытием и на 25%
относительно контрольных образцов-
имитаторов без покрытий, (см. рис.16).
Разработанная технология нанесения
повысить
производительность
локального диффузионного покрытия позволяет
инструмента,
примерно,
на
20%
в
сравнении
с
производительностью режущего инструмента с ионно-плазменным покрытием и на 50%, в
сравнении с инструментом без покрытия.
Разработанная установка для нанесения локального диффузионного покрытия внедрена в
производство на АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» и использовалась на ОАО «МПО им. И.
Румянцева», на ООО «ИТМ» и на ООО ТД «КАЙЛАС». Разработка защищена патентами: №
2250158 РФ, № 2279962 РФ, № 2548835 РФ.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Разработана концепция формирования локального диффузионного покрытия на
режущие инструменты.
2. Разработана теоретическая модель образца с локальным покрытием, позволяющая, с
точки зрения концепции двухпредельности («сплошное покрытие – полное отсутствия
покрытия»), оценивать влияние композиции из областей с покрытием и без покрытия
образующих ячеистую структуру на модуль упругости и коэффициент Пуассона.
Показано, что использование локальности приводит к уменьшению эффективного
значения модуля Юнга образца, сравнительно с образцом со сплошным покрытием, что
приводит к улучшению его пластических свойств, способствующих релаксации напряжений.
Также показано, что характер влияния локальности покрытия на прочностные свойства
плоского образца при растяжении, в рамках сделанных идеализаций и допущений, полностью
определяется влиянием на прочностные свойства одной элементарной ячейки.
29
Установлено, что локальность покрытия приводит к увеличению его долговечности за
счет снижения растягивающих напряжений в областях с покрытием.
3. Разработаны основы технологии получения локального диффузионного покрытия для
повышения долговечности режущего инструмента.
4. Разработана математическая модель процесса нанесения локального диффузионного
покрытия на режущий инструмент и определены оптимальные параметры, увеличивающие
долговечность в условиях эксплуатации и минимизирующие интенсивность изнашивания.
5. Установлены функциональные связи между композицией локального диффузионного
покрытия, технологическими параметрами процесса его формирования и долговечностью
режущего инструмента.
6. Разработано оборудование для нанесения локального диффузионного покрытия на
режущий инструмент.
7. Разработана методика испытания диффузионного локального покрытия, нанесенного на
режущий инструмент.
8. Установлено, что режущий инструмент с локальным диффузионным покрытием,
показал лучшие результаты, чем контрольный инструмент и инструмент со сплошным
покрытием, по
сопротивлению
разупрочнению под
действием нагрева
на
участках
приработочного и установившегося изнашивания.
9. Показано, что разработанная технология нанесения локального диффузионного
покрытия на режущий инструмент позволяет:
- повысить износостойкость резцов с быстрорежущими пластинами Р6М5, Р6М5К5 при
продольном точении стали 40Х (НВ220) в 4-5 раз по сравнению с пластинами без покрытия и в
1,5-3 раза по сравнению со сплошным покрытием;
- повысить износостойкость резцов с твердосплавными пластинами IC50M при
поперечном точении стали 40Х (НВ220) в 3-4 раза по сравнению с пластинами без покрытия и в
1,8-2,5 раза по сравнению со сплошным покрытием;
- повысить износостойкость резцов с твердосплавными пластинами IC3028, IC9015 и
IC9025 при продольном точении стали 40Х (НВ220) в 1,5 раза по сравнению с пластинами со
сплошным покрытием с использованием смазочно-охлаждающей жидкостью и в 1,8 - 2 раза по
сравнению с пластинами со сплошным покрытием;
- повысить износостойкость твердосплавных цельных фрез ВК10ХОМ при черновом
фрезеровании титановых лопаток ВТ6 в 2 раза по сравнению со сплошным покрытием и в 1,8
раза по сравнению с контрольными фрезами без покрытия; при чистовом фрезеровании - в 1,5
раза по сравнению со сплошным покрытием и в 1,8 раза по сравнению с контрольными фрезами
без покрытия и при переточке в 2- 2,5 раза относительно контрольных фрез без покрытия.
30
10. Механические испытания показали, что разработанная технология нанесения
локального диффузионного покрытия позволяет увеличить длительную пластичность и
повысить усталостную прочность на 30 - 50% деталей из титановых сплавов.
Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:
Публикации в журналах из перечня ВАК
1. Чекалова, Е. А. Повышение эффективности сверл из быстрорежущей стали с покрытием / Е. А.
Чекалова // Стин. – 2001. – № 7.– С. 5 – 7.
2. Чекалова, Е. А. Механическая обработка с использованием озонированной среды / Е. А.
Чекалова, В. Д. Гурин, В. И. Власов // Технология машиностроения – 2004. – № 5.– С. 22 – 24.
3. Чекалова, Е. А. Механическая обработка с охлаждением озонированной средой / Е. А.
Чекалова, В. Д. Гурин // Вестник машиностроения – 2004. – № 10. – С. 49-50.
4. Чекалова, Е. А. Проблемы экологии в металлообрабатывающем производстве / Е. А. Чекалова
// Вестник машиностроения. – 2005. – № 1. – С. 69 – 70.
5. Чекалова, Е. А. Повышение износостойкости инструмента и основные аспекты проблемы
экологии в машиностроении / Е. А. Чекалова // Технология машиностроения. – 2005. – №1. – С. 26 – 27.
6. Чекалова, Е. А. Высокоэффективная технология механической обработки с использованием
озонированной среды / Е. А. Чекалова // Справочник. Инженерный журнал. – 2005. – № 8. – С. 31-33.
7. Чекалова, Е. А. Разработка технологии механической обработки с использованием
озонированной среды / Е. А. Чекалова, В. Д. Гурин, В. И. Власов // Металлообработка – 2005. – № 5. –
С. 6-7.
8. Чекалова, Е. А. Применение озонирования для экологически чистого резания / Е. А. Чекалова,
Н. Н. Ромина // Вестник МГТУ «Станкин» – 2008. – № 2. г. – С. 62-65.
9. Чекалова, Е. А. Механическая обработка с применением активированного воздуха / Е. А.
Чекалова, П. Д. Чекалов // Журнал известия МГТУ «МАМИ» – 2012. – №2 (14) т.2. – С. 213-216.
10. Чекалова, Е. А. Новая технология обработки режущего инструмента путем применения
активированного воздуха / Е.А. Чекалова // Журнал известия МГТУ «МАМИ». – 2012. – №2 (14) т.2.–
С. 216 – 218.
11. Чекалова, Е. А. Повышение работоспособности твердосплавного инструмента путем
применения активированного воздуха / Е. А. Чекалова, П. Д. Чекалов // Журнал известия МГТУ
«МАМИ». – 2013. – №1 (15) т.2. – С. 113–118.
12. Чекалова, Е. А. Экологически чистая газодинамическая обработка поверхности детали с
целью повышения качества / Е. А. Чекалова, П. Д. Чекалов // Журнал известия МГТУ «МАМИ». –
2013. – №1 (15) т.2. – С. 119 – 123..
13. Чекалова, Е. А. Повышение износостойкости режущего инструмента путем нанесения
сетчатого покрытия / Е. А. Чекалова, П. Д. Чекалов // Журнал известия МГТУ «МАМИ». – 2014. – №1
(19) т.2. – С. 228 – 230.
31
14. Чекалова, Е. А Повышение износостойкости режущего инструмента путем применения
диффузионного сетчатого покрытия / Е. А. Чекалова, П. Д. Чекалов // Журнал известия МГТУ
«МАМИ». – 2014. – №1 (19) т.2. – С. 230 – 233.
15. Чекалова, Е.А. Экологически чистый процесс упрочнения режущего инструмента
повышающего производительность и качество обработки / Е. А. Чекалова, Б. Е. Пини // Тракторы и
сельхозмашины. – 2015. – № 2. – С. 38 – 42.
16. Чекалова, Е. А. Повышение износостойкости быстрорежущего инструмента путем нанесения
локального диффузионного сетчатого покрытия /Е. А. Чекалова, Н.В. Абраимов // Электрометаллургия.
– 2015. – № 8. – С. 36 – 42.
Авторские свидетельства и патенты
17. Чекалова, Е. А. Устройство для сухого резания / Е. А. Чекалова, В. Д. Гурин // Патент 2250158
РФ на изобретение, МПК B23Q011/10. Опубликовано 20.04. 2005г. Патентообладатель: ГОУ ВПО
МГТУ «Станкин». Приоритет изобретения 25. 12. 2002г.
18. Чекалова, Е. А. Устройство для получения озонированного воздуха при резании / Е. А.
Чекалова, В. Д. Гурин // Патент 2279962 РФ на изобретение, МПК B23Q011/10/. Опубликовано
20.07.2006г. Патентообладатель: Чекалова Е. А. Приоритет изобретения 06.12.2004г.
19. Чекалова, Е. А. Способ формирования износостойкого покрытия на поверхности
металлической детали / Е. А. Чекалова, П. Д. Чекалов, Р. Д. Соломатина // Патент 2548835 РФ на
изобретение, МПК С23С8/36. Опубликовано 20.04.2015г. Патентообладатель: Чекалова Е. А.
20. Чекалова, Е. А. Способ токарной обработки детали / Е. А. Чекалова, П. Д. Чекалов, Р. Д.
Соломатина // Патент 2549818 РФ на изобретение, МПК В23В1/00, В23Q11/10. Опубликовано
27.04.2015г. Патентообладатель: Чекалова Е. А.
Монографии и учебно-методические труды
21. Чекалова, Е. А. Интенсификация обработки: учебное пособие / Е. А. Чекалова. – М.: Изд-во
ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2007. – 127 п. с. Допущено Учебно-методическим объединением вузов по
образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного
пособия для студентов высших учебных заведений.
22. Технологические процессы электрофизических и электрохимических методов обработки:
учебное пособие / Е. А. Чекалова. – М.: Изд-во ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2007. – 204 п.с. Допущено
Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного
машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений.
23. Чекалова, Е. А. Повышение долговечности режущего инструмента и тяжелонагруженных
деталей методом нанесения диффузионного сетчатого покрытия: монография / Е. А. Чекалова; под ред.
Е. А. Чекаловой. – М.: Изд-во Университет машиностроения, 2014. – 127 п. с.
Другие публикации
24. Чекалова, Е. А. Проблемы экологии в металлообрабатывающем производстве / Е. А. Чекалова
// ИТО: инструмент-технология-оборудование. – 2005. – № 4.– С. 30 – 32.
32
25. Чекалова, Е. А. Технология механической обработки в озонированной среде / Е. А. Чекалова,
Н. Н. Ромина // ИТО: инструмент-технология-оборудование. – 2005. – № 9. – С. 21 – 22.
26. Чекалова, Е. А. Экологически чистая технология в машиностроении / Е. А. Чекалова, Н. Н.
Ромина // ИТО: инструмент-технология-оборудование. – 2008. – № 3. – С. 74 – 76.
27. Чекалова, Е. А. Разработка концепции, оборудование и технология комбинированной ионноплазменной обработки режущего инструмента / Е.А. Чекалова, А.С. Верещака, Л.Г. Дюбнер // Сб.
трудов научного симпозиума «Интерпартнер – 96» «Высокие технологии в машиностроении». –
Харьков. ХГПУ. – 1996. – С. 177 – 186.
28. Чекалова, Е. А. Повышение эффективности лезвийной обработки применением экологически
чистых сред / Е. А. Чекалова, А. С. Верещака, А. К. Кириллов // Сб. трудов научного симпозиума:
«Интерпартнер – 97» «Высокие технологии в машиностроении. Тенденции развития, менеджмент,
маркетинг». - Харьков. ХГПУ. – 1997. С. 45 – 46.
29. Чекалова, Е. А. Основные аспекты применения совершенствования режущих инструментов с
износостойкими покрытиями / Е.А. Чекалова, А.С. Верещака, Ф. Лират, Л. Дюбнер // Сб. трудов
научного симпозиума «Интерпартнер-98» «Высокие технологии в машиностроении». – Харьков.
ХГПУ. – 1998. – С. 21 – 24.
30. Чекалова, Е. А. Повышение эффективности сверл из быстрорежущей стали путем
комбинированной ионно-плазменной обработки / Е. А. Чекалова, А.С. Верещака // Сб. трудов научного
симпозиума «Интерпартнер – 2000» «Резание и инструмент в технологических системах». – Харьков.
ХГПУ. – 2000. – С. 250 – 253.
31. Чекалова, Е. А. Разработка методики повышения эффективности сверл из быстрорежущей
стали с покрытием / Е. А. Чекалова // «IV международный конгресс» «Конструкторскотехнологическая информатика 2000». – М.: Изд-во ГОУ ВПО МГТУ «Станкин». – 2000. – С. 247 – 249.
32. Чекалова, Е. А. Азотирование в плазме несамостоятельного газового разряда – метод
повышения эффективности инструмента из быстрорежущей стали / Е.А. Чекалова // Сб. трудов XI
Международного научно-технического семинара. – Харьков.  НТУ «ХПИ». – 2001. – С. 223 – 227.
33. Чекалова, Е. А. Повышение эффективности процесса ионного азотирования инструмента из
быстрорежущей стали / Е. А. Чекалова // «II Международная конференция» «Прогрессивная техника и
технология – 2001» – Киев. Севастополь. – 2001. – С. 78 – 80.
34. Чекалова, Е. А. Азотирование в плазме несамостоятельного газового разряда – метод
улучшения экологии и повышение эффективности инструмента из быстрорежущей стали / Е.А.
Чекалова // Сб. трудов конференции. «Международная научно-практическая конференция 2001» – М.:
Изд-во ГОУ ВПО МГТУ «Станкин». – 2001. – С. 798 – 802.
35. Чекалова, Е. А. Повышение эффективности быстрорежущего инструмента путем
применения, ионизированного воздуха / Е. А. Чекалова, В. И. Власов // Сб. трудов конференции:
«Международная конференция» «Производство, технология, экология – 2003». – М.:МГТУ
«Станкин». – 2003. –С. 666 – 667.
33
36. Chekalova, Е. Badania wlasciwosci tribologiczne z nanoszonymi pokryciami / Е. Chekalova, С.
Grigorjew, M. Jenek, W. Serebriakow // Сб. научных трудов конференции: «Международная научнопрактическая конференция – 2005» «Производство. Технология. Экология». – М.:МГТУ «Станкин». –
2005. – С. 612-616.
37. Чекалова, Е. А. Качество инженерного образования / Е. А. Чекалова, Ю.В. Подураев // Сб.
трудов конференции. «Международная научно – методическая конференция – 2008» «Управление
качеством инженерного образования и инновационные образовательные технологии». – Москва.
МГТУ им. Н. Э. Баумана – 2008. – С. 93 – 97.
38. Чекалова, Е. А. Пути реализации интегрированной системы подготовки кадров для
производства / Е. А. Чекалова // Сб. трудов конференции. «Международная конференция – 2009» 9-й
юбилейный международный Форум «Высокие технологии XXI века». – Москва. ВК ЗАО Экспоцентр.
– 2009. – С. 659 – 663.
39. Чекалова, Е. А. Механическая обработка с применением активированного воздуха / Е. А.
Чекалова, П. Д. Чекалов // Сб. трудов конференции. 77–я Международная научно-техническая
конференция ААИ «Автомобиле – тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка
кадров» – М.:МГТУ «МАМИ». – 2012. – С. 182 – 185.
40. Чекалова, Е. А. Повышение износостойкости режущего инструмента путем применения
интенсивного активирования воздуха / Е.А. Чекалова // Сб. трудов конференции. Научнотехнический конгресс по двигателестроению (НТКД-2014) М.: Изд-во ФГУП «НПЦГ «Салют». –
2014. – С. 231 – 234.
41. Чекалова, Е. А. Повышение износостойкости твердосплавных фрез путем нанесения
диффузионного сетчатого покрытия / Е.А. Чекалова, Ю.В. Максимов // Сб. трудов конференции. XLII –
ая Международная научно-практическая конференция «Инновация в науке» – Новосибирск.:НП
«СибАК». – 2015. – С. 58 – 65.
42. Чекалова, Е. А. Повышение долговечности режущего инструмента путем применения
сетчатого покрытия / Е. А. Чекалова // Сб. трудов конференции. XVI – я Международная научнопрактическая конференция «Техника и технология: новые перспективны развития» М.: Изд-во
«Спутник+». – 2015. – С. 24 – 28.
43. Чекалова, Е. А. Процесс упрочнения режущего инструмента путем нанесения сетчатого
покрытия, повышающего производительность обработки / Е. А. Чекалова, Б. Е Пини // Сб. трудов
конференции. Международная научная конференция «Наука XXI века» М.: Изд. центр «Рус Альянс
Сова». – 2015. – С. 145 – 152.
44. Чекалова, Е.А. Повышение долговечности режущего инструмента и «образца детали» путем
нанесения локального диффузионного покрытия сетчатого типа / Г.Г. Сурков, Д.А. Шаталин. –
Научный руководитель Е. А. Чекалова // Сб. трудов конференции. Международная молодежная
научная конференция «ХLI Гагаринские чтения» М.:ФГБОУ ВПО (МАТИ). – 2015. – С. 109 – 111.
34
45. Чекалова, Е. А. Повышение долговечности режущего инструмента в машиностроении /Е.
А. Чекалова // Сб. трудов конференции. IV – ая Международная научная конференция
«Современное общество: проблемы, идеи, инновации» Ставрополь: Центр научного знания
«Логос». – 2015. – С. 97 – 101.
Подписано в печать 05 июля 2016 г
Формат 60x90/16. Объём 2,13 п.л.
Тираж 100 экз. Заказ № 2100316
Оттиражировано на ризографе в ООО «ОнлайнКопи»
ИНН/КПП 9705049080X770501001
Адрес: 105066, г. Москва, Лефортовский пер., дом 4, строение 3.
Тел.+7 (495) 728-97-17
http://www.onlinecopy.ru
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
50
Размер файла
1 491 Кб
Теги
режущего, методов, долговечности, локального, диффузионного, нанесения, покрытия, инструменты, повышения
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа