Влияние упрочняющих покрытий на процесс изнашивания быстрорежущих инструментов

_Резание материалов и проектирование специального инструмента_

УДК 669.056.9; 621

ВЛИЯНИЕ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ПРОЦЕСС ИЗНАШИВАНИЯ БЫСТРОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Е.В. Маркова, О.В. Чечуга

Исследованы особенности изнашивания режущих элементов после проведения термодиффузионной упрочняющей поверхностной обработки. Получено, что в различных зонах режущих кромок существуют свои напряжения и деформации, которые определяются различными адгезионными процессами, наклепом, фазовыми превращениями и диффузией.

Ключевые слова: микротвердость, режущие кромки, напряженное состояние, трещины, механизмы изнашивания.

Повышение качества машиностроительной продукции неразрывно связано с совершенствованием режущего инструмента. Для его изготовления используют стали с особыми свойствами, что гарантирует сохранение работоспособности инструмента в течение длительной эксплуатации. В качестве обрабатываемых резанием материалов используются стали обычного назначения, а также нержавеющие материалы.

При тяжелых условиях трения и износа, в которых находятся рабочие поверхности инструмента, происходит относительное скольжение, определяемое повышенной температурой, скоростями и нормальными контактными нагрузками, которые достигают иногда предельной прочности обрабатываемого материала. Контактные поверхности инструмента имеют, как правило, малые габариты, достаточно высокую ювенильность и неравномерное распределение как напряжений, так и температурно-силовых условий в контактных зонах инструмента.

Причиной выхода из строя различного инструмента являются износ и выкрашивание режущих кромок. Условия контактирования двух тел, приводящие к поверхностному разрушению, многообразны. Нагружающие воздействия на контактирующие поверхности различны по величине, масштабу и времени, поэтому один и тот же материал может иметь высокую работоспособность в одних условиях и активно разрушаться в других. Кроме того, стойкость материала сильно меняется при изменении даже одного параметра, например, нагрузки. Поэтому большое значение имеет представление взаимодействия двух твердых тел, микрогеометрия их поверхностей, распределение напряжений в телах при контакте. Интенсивность энергетического воздействия на поверхность (например разогрев режущих кромок) определяет структурные изменения в материале, которые могут привести к последующему его разрушению.

125

_Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 8. Ч. 2_

Изучение поверхностей износа режущего инструмента показало, что в процессе эксплуатации образуются различные следы задира, пластической деформации, царапины, трещины, которые распространяются по режущей части инструмента и, смыкаясь, способствуют выкрашиванию поверхности режущих кромок.

Существует четыре основных типа изнашивания инструмента: абразивный (при трении двух поверхностей друг о друга, при котором твердые частицы действуют на материал инструмента как при шлифовании абразивным кругом); диффузионный (химический процесс взаимодействия при высоких температурах и давлении в зоне резания); усталостный (образование трещин при колебаниях температур в режущем пространстве); адгезионный (при низкой скорости резания образуется нарост на режущей кромке, который влияет на ее геометрию).

Процесс изнашивания быстрорежущего инструмента относится к абразивному типу. Изнашивание происходит в виде истирания кобальтовой фазы и выкрашивания зерен карбидов вольфрама. В ходе изнашивания возникают микротрещины в поверхностном слое инструмента, что ведет к изменению шероховатости режущей кромки вследствие выкрашивания кобальтовой фазы и образования углублений и микронеровностей поверхности.

В различных зонах режущих кромок существуют свои напряжения и деформации, которые определяются различными адгезионными процессами, наклепом, фазовыми превращениями и диффузией.

Для формирования комплекса свойств, влияющих на работоспособность материалов, разработаны термодиффузионные технологии нанесения упрочняющих покрытий. Одним из способов упрочняющей технологии поверхности является никотрирование - низкотемпературное насыщение поверхности углеродом и азотом.

Для исследований было проведено никотрирование (температура процесса 580 оС, выдержка - 6 ч, состав насыщающей газовой смеси - аммиак и эндогаз в пропорции 50/50) на ряде инструментальных и конструкционных сталей.

Способ диффузионного насыщения поверхности углеродом и азотом (никотрирование) предопределяет формирование в карбонитридном слое и диффузионной зоне термических и фазовых остаточных макронапряжений. Анализ напряжений, проведенный рентгеноструктурными методами для ряда конструкционных никотрированных сталей, показал следующее (рисунок). На поверхности,

как правило, формируется макронапряжения сжатия ъСосш (или <зост), которые усиливаются по мере заглубления в никотрированный слой.

126

Резание материалов и проектирование специального инструмента

Начиная с некоторой толщины никотрированного слоя, сжимающие остаточные напряжения начинают нивелироваться и переходят в

растягивающее воет™ (и™ +ст )•

30 60 90

Характер распределения остаточных микронапряжений вост по толщине никотрированного слоя на стали 30ХН2МДА

Исследование особенностей изнашивания режущих элементов показало, что прочность инструмента является необходимым условием при высокой износостойкости поверхности резания. Проведение никотрирова-ния на различных сталях способствовало повышению микротвердости и, как следствие, износостойкости режущих кромок (таблица).

Влияние процесса никотрирования на микротвердость поверхности

Марка стали Толщина никотрированного слоя, мкм Микротвердость, ГПа

И "слоя Идиф зоны

Р9 7-10 200 8,6

Р6М5 5 100-150 6,7

30ХН2МДА 15-20 300 4,3

Повышение твердости рабочих поверхностей, формирование в поверхностных слоях остаточных напряжений сжатия, снижение числа и протяженности начальных технологических микротрещин приводит к обеспечению необходимых значений износостойкости режущих поверхностей.

Сравнительные исследования работоспособности режущего инструмента по нержавеющей стали показали, что не упрочненный никотриро-ванием инструмент работает очень короткое время, поскольку высокий

127

_Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 8. Ч. 2_

уровень наклепа этой стали при резании крайне затрудняет процесс снятия стружки. В результате поверхностного упрочнения происходит понижение коэффициента трения, улучшение скольжения стружки при резании, что облегчает условия работы режущего инструмента.

Список литературы

1. Власов В.М., Нечаев Л.М. Работоспособность высокопрочных термодиффузионных покрытий в узлах трения машин. Тула.: Приок. книжн. изд-во, 1994. 237с.

2. Анализ эпюр макронапряжений в поверхностных слоях сталей после проведения борирования / Л.М. Нечаев, Н.Б. Фомичева, Е.В. Маркова [и др.] // Фундаментальные исследования. 2009. №1. С. 56 - 59.

3. Нечаев Л.М., Фомичева Н.Б., Иванькин И.С. Определение параметров трещиностойкости никотрированных сталей // Современные наукоемкие технологии. 2007. №5. С. 78 - 82.

Маркова Екатерина Витальевна, канд. техн. наук, доц., marta06@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Чечуга Ольга Владимировна, канд. техн. наук, доц., sourie laimail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE INFL UENCE OF HARD COA TINGS ON THE PROCESS OF WEAR OF HIGH SPEED

TOOLS

E. V. Markov, O. V. Chechuga

Investigated peculiarities of wear of the cutting elements after the thermal diffusion hardening surface treatment. Received that in different zones of the cutting edges has its own stress and strain, which are determined by various adhesion processes, work hardening, phase transformations and diffusion.

Key words: microhardness, cutting edges, stress state, tremity, wear mechanisms.

Markova Ekaterina Vitalievna, candidate technical sciences, docent, mar-ta06ayandex. ru, Russia, Tula, Tula state University

Chechuga, Olga Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, sourie l a mail.rn, Russia, Tula, Tula state University