УДК 621.924.093
Анализ методов упрочнения деталей машин
и режущих инструментов
,
Увеличение срока эксплуатации и износостойкости деталей машин и инструмента путем упрочнения является важной задачей, решение которой способствует значительному увеличению их долговечности и обеспечивает экономию дорогих и дефицитных материалов, энергии, трудовых ресурсов. В машиностроении широко применяют разнообразные методы упрочнения, выбор которых зависит от свойств режущего и обрабатываемого материала, условий эксплуатации и экономической эффективности использования метода упрочнения.
композиционные упрочняющие покрытия, лазерное упрочнение и легирование, электроискровое легирование, эпиломирование, магнитно-импульсная обработка
ВВЕДЕНИЕ
Одно из наиболее перспективных направлений повышения надежности и долговечности изнашивающихся деталей машин и инструмента - упрочнение или модифицирование рабочих поверхностей за счет создания поверхностных слоев с более высокими механическими и триботехническими показателями.
Анализ научных источников показал, что упрочнение поверхности может осуществляться с помощью покрытий, термической обработкой или с использованием различных видов энергии. При этом, опыт лабораторных исследований и практики эксплуатации показывает, что трудно выбрать универсальный способ обработки, так как каждый из них раскрывает свои потенциальные возможности в определенном случае, часто в весьма узком диапазоне параметров эксплуатации.
МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ изнашивающихся
деталей ДЛЯ “ТЯЖЕЛЫХ” режимОВ трения
Узлы изделий, работающих в “тяжелых” режимах трения, широко используют методы поверхностного упрочнения. На износостойкость пары трения влияет комплекс физико-механических характеристик: прочностные, пластические и твердость. На износостойкость особое влияние оказывает поверхностный слой, так как он воспринимает нагрузки и осуществляет контакт с внешней средой.
С другой стороны, поверхностные слои имеют и больше дефектов (поры, микротрещины, включения неординарного кристаллического строения и др.), чем весь объем детали.
В процессе изнашивания контактирующие поверхности должны успешно сопротивляться пластическим деформациям, срезу – сколу микрообъемов материала, внедрению твердых частиц (абразивные частицы из внешней среды, отделившиеся частицы или наросты при адгезии), а также воздействию агрессивных сред и температур.
Основное воздействие воспринимается тонким поверхностным слоем, а остальное сечение материала воспринимает лишь незначительную долю, вследствие инерционности материалов. Поэтому необходимо дифференцировать физико-механические свойства поверхностных слоев и остального сечения, что достигается различными методами поверхностного упрочнения.
Рассмотрим наиболее применяемые методы, при этом за критерий оценки упрочняемых слоев принимаем твердость – единственную характеристику материала, получаемую методами неразрушающего контроля (таблица).
Таблица. Применяемость методов поверхностного упрочнения деталей в зависимости от твердости упрочненных поверхностей
Tablе. The use of surface strengthening methods depending hardness of strengthened surface
№ п/п | Методы упрочнения | Твердость, МПа |
1 | Поверхностное пластическое деформирование (ППД) | 3000 ….5500 |
2 | Термическая обработка (ТО) | 5500 …. 7600 |
3 | Химико-термическая обработка (ХТО) | 5700 ….20000 |
4 | Борирование | 20000 ….22000 |
5 | Фрикционно-диффузионное упрочнение | 11000 …. 13000 |
6 | Электроискровое упрочнение (ЭЛ) | 6500 …. 30000 |
7 | Наплавляемые покрытия | 6000 …. 16000 |
8 | Напыляемые покрытия | 6500 …. 3000 |
9 | Лазерное упрочнение (ЛУ) | 7500 …. 13500 |
10 | Детонационное покрытие | 10000 …. 14500 |
11 | Композиционные покрытия | 6000 …. 22000 |
Из таблицы видно, что твердость покрытий упрочняемых слоев выше более чем в два раза. Однако только по твердости поверхности нельзя полностью судить о достоинствах метода. Необходимо учитывать положительные и отрицательные составляющие других методов, сравнивая механические свойства, необходимые для области применения.
ППД – повышает твердость, снижает пластичность, имеет низкую абразивную износостойкость.
ТО – “рабочим” порогом режима изнашивания является температура в зоне трения, которая составляет С.
ХТО – увеличивает износостойкость, которая определяется температуростойкостью химических соединений. Так, азотирование выдерживает температуру до 600-650, а борирование до 9000С и выше.
Наплавленные и напыленные покрытия отличаются высокой износостойкостью, которая зависит от химического состава наносимого покрытия, но требует усложненной технологии, включая подготовительные операции и операции для снятия внутренних напряжений. Для напыления требуется также вводить операцию по увеличению прочности сцепления покрытия с основой (термодеформированное расслаивание).
Лазерное упрочнение позволяет получать тонкие слои, отличные от структуры ТО, вследствие высоких скоростей нагрева слоев. Недостаток этого способа упрочнения – низкий температурный порог, который составляет температуру около 2000 С.
Детонационная обработка позволяет получить более качественное по сравнению с напыленным покрытие, не требует деформационного рассасывания. К недостаткам метода можно отнести сложность реализации технологического процесса и трудность установки детали в технологическом оборудовании.
Композиционные покрытия в настоящее время получили наибольшее применение. Основные достоинства: возможность получения достаточно толстых слоев (до 4 мм); использование износостойких композиций порошков из твердого сплава, релита, боридов и специальных сплавов; создание покрытий с твердой смазкой, где в качестве наполнителей используются графит, дисульфид молибдена, сульфиды, селениды и др.
Несмотря на существенные преимущества, методы не получили широкого применения из-за ряда существенных недостатков: сложность технологии нанесения покрытия, включая операции специальной подготовки для герметизации зоны упрочнения; применение высоких температур (до 12000); наблюдаются температурные деформации и напряжения, так как вся система упрочнения подвергается нагреву; применение дорогостоящих материалов как в качестве матрицы (серебро, никель, кобальт, медь), так и в качестве наполнителей (бориды, карбиды, твердый сплав); необходимость включения операций по снятию внутренних напряжений.
Анализируя методы поверхностного упрочнения, следует отметить, что, увеличивая твердость, снижаем пластичность, которая приводит к уменьшению опасности схватывания сопряженных поверхностей, с одной стороны. С другой стороны, снижение пластичности повышает чувствительность к местным высоким давлениям, которые могут привести даже к местному разрушению поверхности.
Итак, в упрочненном поверхностном слое необходимо обеспечить достаточную пластичность, высокую твердость и прочность. Эти требования можно реализовать только в композиционном покрытии, организуя упрочненный слой, состоящий из пластичной основы (матрицы) с твердыми включениями.
МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ металлорежущего
инструмента
Работоспособность металлорежущего инструмента может быть обеспечена только в том случае, если его рабочая часть выполнена из материала, обладающего достаточной твердостью, прочностью, износостойкостью, температуростойкостью и теплопроводностью. Покрытие, наносимое на рабочие поверхности инструмента, является достаточно универсальным и надежным средством, с помощью которого можно по-новому подойти к проблемам совершенствования свойств материала инструмента, повышения его работоспособности и управления процессом резания.
Инструментальный материал с износостойким покрытием является новым материалом композиционного типа, в котором оптимально сочетаются свойства поверхностного слоя (высокие значения твердости, теплостойкости, пассивности по отношению к обрабатываемому материалу и т. д.) и свойства, проявляющиеся в объеме тела инструмента (прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т. д.). Инструмент из твердого сплава с композиционным покрытием имеет высокую сопротивляемость адгезионно-усталостному и диффузионному изнашиванию при температуре С. Покрытие повышает сопротивляемость инструмента из быстрорежущей стали абразивному и адгезионно-усталостному изнашиванию, значительно повышает устойчивость к коррозионно-окислительному изнашиванию [1].
Получение инструмента с покрытием с помощью химического и физического осаждения металла имеет недостатки: сложность технологии нанесения покрытия, включая операции специальной подготовки для герметизации зоны упрочнения и использование высоких температур; температурные деформации и напряжения как следствие нагрева; применение дорогостоящих материалов.
Для нивелирования указанных отрицательных сторон процесса предлагается схема нанесения композиционного многослойного покрытия для твердосплавного инструмента. Покрытие содержит несколько промежуточных слоев, каждый из которых имеет собственное функциональное назначение: обеспечение прочной связи многослойного покрытия с рабочими поверхностями инструмента; осуществление адгезионной связи между функциональными слоями; выполнение барьерных функций, например, увеличение термодинамической устойчивости покрытия при повышенных скоростях резания и др. Все соединения, широко применяемые в качестве покрытий, характеризуются увеличением микротвердости до 2,5 ГПа, но являются достаточно хрупкими, что заметно сужает область их применения. Поэтому особый интерес вызывают покрытия из наноматериалов. Поверхностные покрытия в виде тонкой пленки имеют характеристики, значительно отличающиеся от объемного (монолитного) материала, причем, чем тоньше пленка, тем она прочнее [2].
Совершенствование твердого сплава с покрытием всегда направлено на борьбу с хрупкостью его поверхностного слоя. В последнее время используются покрытия, получившие название «Low stress coating», технологический процесс заключается в нанесении многослойного покрытия на твердосплавную подложку по стандартной технологии. После этого передняя поверхность пластин полируется по передней поверхности, в результате чего полностью снимается слой нитридов титана и верхний слой оксида алюминия толщиной всего 2..3 мкм от общей толщины покрытия, что дает возможность снизить уровень внутренних растягивающих напряжений в 2 раза и убрать большую часть зародышей трещин [3].
Упрочнение режущего инструмента из быстрорежущей и легированной стали методом карбонитрации в газообразных продуктах, карбоазотировании в безводородной плазме тлеющего разряда (ХТО) повышает твердость, износостойкость и теплостойкость инструмента. После азотирования инструмент выдерживает температуру до 600-650, а при его борировании – до 9000С и выше. Полученные после карбонитрации диффузионные слои толщиной от нескольких микронов (для мелкоразмерного инструмента) до 0,01-0,02 мм обеспечивают повышение стойкости инструмента в 1,5-2 раза. Испытания отрезных резцов, сверл, метчиков, разверток, упрочненных карбоазотированием, показали, что по стойкости они в 2-2,5 раза превосходят неупрочненный инструмент [4].
Использование для поверхностной закалки концентрированной плазменной струи мощностью 30 кВт, генерируемой плазмотроном косвенного действия с секционированной межэлектродной вставкой [5], обеспечивает закалку на значительную глубину (3,0-3,5 мм). В этой связи представляет практический интерес упрочнение малогабаритного инструмента (резцов, сверл, штампов и т. п.) из низколегированной инструментальной стали 9ХФ и быстрорежущей стали Р6М5 при закалке мощной плазменной струей. Но процесс упрочнения требует усложненной технологии, включая подготовительные операции и операции для снятия внутренних напряжений.
Лазерное упрочнение (ЛУ) режущего инструмента из быстрорежущих и легированных сталей производится импульсным облучением рабочих кромок инструмента на лазерной технологической установке [6]. При этом стойкость инструмента может быть повышена в 1,5-3 раза. Под воздействием лазерного излучения происходит скоростной нагрев металла в области аустенитного состояния и последующее охлаждение металла. Упрочненный слой имеет особо дисперсную аустенитно-мартенситную структуру. В результате на поверхности образуется слой толщиной 60-80 мкм микротвердостью Н/мм2. Но процесс ЛУ не способствует сохранению необходимого для инструмента уровня пластичности. Недостатком является также нарушение геометрии инструмента из-за оплавления без увеличения глубины проплавления.
Лазерное поверхностное легирование является перспективным технологическим методом обеспечения и повышения надежности различного инструмента (штампы, пресс-формы, режущие инструменты), рабочие поверхности которых подвергались импульсному лазерному легированию с использованием пастообразных составов. После экспериментов в производство был внедрен процесс с использованием пасты, содержащей мелкодисперсные порошки бора и твердого сплава с добавками фторидных активаторов, размешанные в глицерине до густого состояния. Окисная пленка приводит к сокращению времени достижения фиксированной величины износа на участке приработки по передней поверхности инструмента в 2-3 раза по сравнению с неупрочненным инструментом, к существенному расширению диапазона режимов резания, и при этом ожидаемое снижение температуры резания составляет 100-120°С.
Перспективным способом повышения долговечности инструментов из углеродистых и легированных сталей является магнитно-импульсная обработка их полем малой напряженности при комнатной температуре. Но и этот метод имеет ряд недостатков: ограничения в применении по толщине и габаритам; зависимость качества обработки от магнитной проницаемости материала. Это объясняется тем, что режимы магнитно-импульсного воздействия не обеспечивают требуемой структуры.
Процесс электроакустического напыления, основанный на совместном использовании энергии электроискрового разряда и ультразвука, увеличивает долговечность работы быстрорежущего инструмента. Механические продольно-крутильные ультразвуковые колебания, сообщаемые электроду, образуют при контактировании с обрабатываемой поверхностью межэлектродный зазор.
Электроискровое легирование (ЭЛ) сверл, фрез и другого режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали, увеличивает его стойкость в 1,5-2 раза [6]. Вместе с тем ЭЛ отличается рядом недостатков, главным из которых является формирование во многих случаях недопустимого уровня остаточных напряжений растяжения и неприемлемой шероховатостью обработанных поверхностей.
Повышение стойкости режущего инструмента может быть получено нанесением эпилама на поверхность инструмента – упрочнение режущего инструмента методом эпиламирования. Эпиламы представляют собой композиции, состоящие из растворителя или смеси растворителей, которые содержат поверхностно-активное вещество (фтор). Из раствора поверхностно-активное вещество адсорбируется на твердой поверхности в виде мономолекулярного слоя, снимая микротвердость, а следовательно, поверхностную энергию. При нанесении эпилама на поверхность режущего инструмента износостойкость его повышается в 2-5 раз. Чрезвычайно высокая химическая активность фтора является существенным недостатком эпиломирования.
В настоящее время высокоэнергетические методы поверхностного упрочнения рабочего профиля режущих кромок инструмента, такие как лазерное и плазменное упрочнение, магнитно-импульсная обработка, используются ограниченно (в основном из-за высокой стоимости оборудования, сложности технологических процессов). Основными методами упрочнения лезвийного инструмента пока остаются объемная закалка и закалка с нагревом ТВЧ, которые сопряжены с короблением рабочего профиля инструмента, возникновением термических напряжений и другими недостатками.
ВЫВОДЫ
Многочисленные результаты исследований показывают убедительные преимущества инструмента и деталей машин с новыми покрытиями и подтверждают перспективность новых разработок. К перспективным технологиям ближайшего будущего можно отнести и совмещение имплантации с нанесением покрытий, а также работы в области совмещения термической обработки изделий с нанесением покрытий.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод: рассматриваемые методы упрочнения имеют определенные недостатки; их применение для деталей и инструмента требует усовершенствования конкретных технологических процессов и дальнейших исследований; одновременно необходимо проводить поиск новых методов.
Список используемЫХ литературных источников
1. Верещака режущего инструмента с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1993. – 336 с.
2. Маслов высокие технологии: справочник // Инженерный журнал. –2008. – № 1. – С.10-24.
3. , О классификации методов нанесения покрытий (терминологический аспект) // Вестник машиностроение. – 1988. – № 9. С.54-57.
4. , Матюшенко аспекты технического наводороживания металлов и его влияние на износостойкость // Долговечность трущихся деталей машин. – 1986. – № 1. – С. 191-195.
5. , Кравец надежности инструмента лазерным легированием // Вестник машиностроения. – 1987. – № 1. – С. 44-46.
6. , Сидоренко электроискровой упрочняющей обработки на износ разделительных штампов // Вестник машиностроения. – 1987. – № 2. – С.53-55.
THE ANALYSIS of METHODS for strengthening MACHINE PARTS And CUTTING TOOLS
I. T. Syechjov, I. A. Sokolova
Threading the service life and wear resistance machine parts and tools by their strengthening is an important task the solution of which secures economy of expensive and deficit materials, energy, labor resource. Mechanical engineering uses various strengthening methods, choosing of which depends on the properties of cutting material and material to be cut, performance and economical effectiveness and strengthening method.
сomposite strengthening plating, laser strengthening and alloying, electro-spark alloying, apyloming, magnet –impulse treatment
, кандидат технических
наук, доцент кафедры технологии обработки материалов
ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», Россия, г. Калининград, Советский пр., 1,
тел.: + 7
, кандидат педагогических наук, доцент кафедры технологии обработки материалов
ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», Россия, г. Калининград, Советский пр., 1,
тел.:
e-mail: *****@***ru
Dr. I. T. Syechjov, PLD, ass. prof. Mechanical Engineering department The Kaliningrad State Technical University
Russia, Kaliningrad, Soviet pr., 1, tel.: + 7
Dr. I. A. Sokolova, PLD, ass. prof. Mechanical Engineering department The Kaliningrad State Technical University
Russia, Kaliningrad, Soviet pr.,
1, tel.:
e-mail: *****@***ru
