Исследование стойкости безвольфрамового твердого сплава на основе карбида титана в условиях резания

Исследование стойкости безвольфрамового твердого сплава на основе

карбида титана в условиях резания.

А.А. Моховиков, Н.Н. Шамарин Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Аннотация: Представлены результаты, полученные при исследовании влияния электронно-пучковой обработки на стойкость безвольфрамового твердого сплава на основе TiC со связкой из сплава Ni-Cr-Al и процентным содержанием компонентов «основа - связующее» 50 - 50 об.% в условиях резания металла. Экспериментально выявлено влияние электронно-пучковой обработки поверхностного слоя образцов режущих пластин на технологические составляющие силы резания при точении металла. Ключевые слова: Поверхностный слой, твердый сплав, структурно-фазовая модификация, электронно-пучковая обработка, стойкость, резание металла, износ, технологические составляющие сила резания.

В настоящее время металлокерамические сплавы ввиду своих особых физико-механических свойств находят широкое применение в различных областях промышленного производства: режущий и измерительный инструмент; рабочие поверхности горнодобывающего оборудования, штампов, клейм, волок; для напыления в качестве износостойких покрытий и т. п. Высокий спрос и расход предприятиями твердосплавных изделий различного функционального назначения, а также сложность и значительная стоимость производства металлокерамики обуславливают необходимость разработки и исследования перспективных методов упрочнения [1,2,3].

Одним из возможных подходов в решении проблемы увеличения ресурса работы функциональных твердосплавных изделий является упрочнение их поверхностного слоя путем применения низкоэнергетических сильноточных электронных пучков субмиллисекундной длительности воздействия [4,5].

В данной работе представлены и проанализированы экспериментальные результаты, полученные при исследовании влияния электронно-пучковой обработки на стойкость и технологические составляющие контактного взаимодействия образцов режущих пластин из

безвольфрамового твердого сплава с обрабатываемым материалом в условиях резания металла.

Экспериментальные исследования были выполнены на металлокерамических пластинах размером 12*12*4 мм в условиях точения наружной цилиндрической поверхности на токарном станке. Материал пластин - безвольфрамовый твердый сплав на основе TiC со связкой из сплава Ni-Cr-Al и процентным содержанием компонентов «основа -связующее» 50 - 50 об.%.

При проведении исследований испытуемые образцы устанавливались в корпусе резца со сменной многогранной пластиной. Закрепление образцов режущих пластин осуществлялось по схеме «прихватом сверху». Режущий

5 о по

, а = 7,Ф =

45о, X = 5о, ф1 = 45о.

Электронно-пучковое облучение рабочей (передней) поверхности образцов выполнялось в Институте сильноточной электроники СО РАН (г. Томск) с помощью установки «SOLO» со следующими параметрами электронного пучка: плотностью энергии (Es) 20; 30; 40; 50 и 60 Дж/см , длительностью импульсов облучения (т) 100; 150; 200 мкс. Технологическая среда облучения - аргон [6].

Стойкостные испытания проводились при резании стали 45 (ГОСТ 1050-88) со следующими режимами: глубиной резания 1 мм, скоростью резания 80 м/мин., подачей инструмента 0,1 мм/об. Количество повторений 8 - 16 раз. Принятым критерием износа являлась - фаска износа по задней поверхности, равная 1 мм, которая фиксировалась с помощью микроскопа МИР-3, установленного на экспериментальной установке для измерения износа без снятия инструмента со станка.

Измерение технологических составляющих силы резания производилось с помощью трехкомпонентного тензометрического токарного

динамометра электрические сигналы с которого фиксировались с помощью аналого-цифрового преобразователя ШВ-3000.

В ходе проведения исследований было выявлено, что экспериментальные образцы с модифицированной путем электронно-пучковой обработки передней поверхностью обладали более высокой износостойкостью. Изучение фаски износа образцов путем визуального контроля с помощью микроскопа МИР-3 показало, что износ находился на главной и переходной задних поверхностях, а наибольшая его величина находилась по переходной задней поверхности. Характер износа всех опытных образцов не зависимо от режимов и технологической среды облучения был идентичен, сколы и выкрошивание режущей кромки отсутствовали.

Полученные экспериментальные данные, с целью установления средней величины стойкости для каждого рассматриваемого случая, были обработаны на предмет ошибочных значений по критерию Стьюдента [7]. Результаты, полученные при выполнении экспериментов продемонстрированы на рис. 1 и 2.

Т, МКС

Рис. 1. - Влияние длительности импульсов при электронно-пучковом облучении на стойкость экспериментальных образцов

Es, Дж/см'

Рис. 2. - Влияние плотности энергии при электронно-пучковом облучении на

стойкость экспериментальных образцов

Результаты экспериментов демонстрируют, что эффективность влияния электронно-пучковой обработки на период стойкости образцов определяется технологическими режимами облучения. Длительность импульса электронного пучка в исследованном диапазоне значений 100, 150 и 200 мкс в зависимости от принимаемой плотности мощности оказывает влияние на экспериментальное значение стойкости образцов в пределах от 7 до 26%. Плотность энергии в электронном пучке показывает значительно большее влияние на исследуемый параметр - 83-87%. При этом период стойкости экспериментальных пластин с модифицированной электронно-пучковым облучением поверхностью в сравнении с образцами с исходным состоянием поверхностного слоя увеличился в 1,03-8,6 раз в зависимости от технологических параметров обработки. Таким образом, можно констатировать факт кратного увеличения ресурса работы экспериментальных образцов твердосплавных пластин с модифицированной электронно-пучковым облучением рабочей поверхностью в условиях теплового и силового воздействия при резании металла, изготовленных из

безвольфрамового твердого сплава на основе НС и сплава №-Сг-А1 с содержанием компонентов «основа - связующее» 50 - 50 об.%.

Представленные экспериментальные результаты могут в достаточно полной мере быть объяснены данными исследования закономерностей формирования фазового состава и дефектной субструктуры поверхностного слоя, получаемого на рассматриваемом «модельном» твердом сплаве путем электронно-пучковой обработки [8,9]. Сверхвысокие скорости нагрева до температуры плавления и последующее высокоскоростное охлаждение поверхностного слоя, обрабатываемого электронным пучком материала, позволяют создать в нем условия для глубокой структурно-фазовой модификации, степень которой определяется технологическими режимами, задаваемыми при электронно-пучковой обработке, и сопровождается видоизменением кристаллитов карбидной фазы и связующего материала. Весь исследуемый диапазон технологических режимов облучения можно условно разбить на три части. Первый диапазон - Е8=20...30 Дж/см , т=100...200 мкс. При таких условиях происходит разрушение наиболее крупных кристаллитов и последующее заполнение микротрещин находящимся в расплавленном состоянии связующим материалом. Наиболее интенсивно этот процесс протекает на втором диапазоне параметров облучения с Е8=30...35 Дж/см2 при этом средний размер кристаллитов карбидной фазы уменьшается с 2,7 мкм

ТЮ. По мере удаления от не растворившихся кристаллитов карбидной фазы происходит дисперсное твердение связующего материала с выделением наноразмерных частиц алюминида титана Л12Т и вторичных карбидов ТЮ2, имеющих размеры 60...75нм, т.е. происходит наноструктуризация карбидной составляющей и связующего материала. Таким образом, с помощью электронно-пучковой обработки обеспечивается повышение физико-механических свойств поверхностного слоя, рассматриваемого в данной работе металлокерамического сплава [10].

Исследование технологических составляющих контактного взаимодействия образцов режущих пластин из безвольфрамового твердого сплава с обрабатываемым материалом в условиях резания металла показало, что модификация передней поверхности экспериментальных образцов с помощью электронного пучка позволяет при токарной обработке снизить значения осевой Рх и радиальной Ру технологических составляющих силы резания до 44%. Экспериментальные значения тангенциальной составляющей Pz незначительно отличаются от замеренных значений Pz при точении исходной (необлученной) пластины.

В целом результаты измерений силы резания позволяют обозначить наличие еще одного механизма увеличения ресурса работы металлокерамического сплава в условиях резания металла. Поскольку, геометрические параметры режущего инструмента оставались неизменными, то наиболее вероятной причиной снижения осевой и радиальной составляющих силы резания является уменьшение коэффициента трения стружки по передней поверхности инструмента вследствие электронно-пучковой полировки при облучении [5,10]. При этом увеличение режимов электронно-пучкового облучения ведет к более масштабному оплавлению обрабатываемой поверхности экспериментального образца и соответственно значительному снижению микронеровностей.

Заключение

Выполнено исследование влияния электронно-пучковой обработки на стойкость и технологические составляющие контактного взаимодействия образцов режущих пластин из безвольфрамового твердого сплава TiC - Ni-Cr-Al (50 об.%ТЮ - 50 об.% Ni-Cr-Al) с обрабатываемым материалом в условиях резания металла в результате которого установлено:

1) Электронно-пучковая обработка передней поверхности экспериментальных образцов режущих пластин позволила за счет глубокой модификации поверхностного слоя металлокерамического сплава увеличить их стойкость в условиях резания металла до 8,6 раз.

2) Плотность энергии в электронном пучке является основным фактором, оказывающим влияние на полученные результаты при исследовании износостойкости экспериментальных образцов в условиях резания металла. Повышение значений Es в диапазоне от 20 до 60 Дж/см при электронно-пучковой обработке поверхностного слоя исследуемого металлокерамического сплава приводит к значительному увеличению периода стойкости опытных образцов. Максимальная стойкость наблюдается в области режимов облучения, при которых происходит наноструктуризация карбидной компоненты и связующего материала.

3) Модификация поверхностного слоя твердого сплава при электронно-пучковой обработке позволяет снизить до 44% радиальную и осевую составляющие силы резания при точении конструкционной стали 45.

Литература

1. Баканов А. А. Методика проектирования сборных сверл со сменными многогранными пластинами // Инженерный вестник Дона, 2013, №. 2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1733

2. Моховиков А. А., Корчуганов С.В. Применение критерия равнопрочности при проектировании сменных режущих пластин для

отрезных и канавочных резцов // Инженерный вестник Дона, 2G13, № 2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2G13/1619.

3. Овчаренко В.Е., Моховиков А.А., Корчуганов С.В. Новый путь создания высокоресурсного горного и металлорежущего инструмента за счет формирования многомасштабной структуры в поверхностном слое металлокерамического сплава // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2G12. № S3. С. 95-1G4.

4. Пат. 2457261 Российская Федерация, МПК C 21 D 9 22,B 22 F 3 24,C 21 D 1 G9. Способ электронно-пучкового упрочнения твердосплавного инструмента или изделия / Овчаренко В.Е., Иванов Ю.Ф., Моховиков А.А., Коваль Н.Н., Тересов А.Д.; заявитель и патентообладатель ИФПМ СО РАН, ИСЭ СО РАН, ГОУ ВПО НИ ТПУ - № 2G11124G98/G2; заявл. 14.06.2011; опубл. 2V.GV.12, Бюл. № 21.

5. Psakhie S., Ovcharenko V., Shilko E., Astafurov S., Yu B., Ivanov Y., Byeli A., Mokhovikov A. Influence of Features of Interphase Boundaries on Mechanical Properties and Fracture Pattern in Metal-Ceramic Composites // Journal of Materials Science and Technology. 2G13. V. 29. № 11. pp. 1G25-1G34.

6. Овчаренко В.Е., Моховиков А.А., Игнатьев А.С. Некоторые особенности формирования приповерхностного слоя металлокерамического сплава при электронно-пучковом облучении в среде газов с различной энергией ионизации // Современные проблемы науки и образования. 2G13. № 5. С. 1G2.

V. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1968.

8. Иванов Ю.Ф., Колубаева Ю.А., Григорьев С.В., Овчаренко В.Е., Коваль Н.Н. Наноструктуризация поверхности твердого сплава TiC-NiCrAl электронно-пучковой обработкой // Известия Томского политехнического университета. 2GG8. т. 313. № 2. С 11G-113.

9. Овчаренко В.Е., Иванов Ю.Ф. Влияние электронно-импульсного облучения на микроструктуру поверхностного слоя металлокерамического сплава // Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. №7(637). С.48-52.

10. Ovcharenko V.E., Mokhovikov A.A., Ignatev A.S. Influence of surface nanostructure on the life of cermet in metal cutting // Steel in translation. 2013. №6. pp. 348-350.

References

1. Bakanov A.A. Inzhenernyj vestnik Dona, (Rus), 2013, №. 2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1733

2. Mohovikov A.A., Korchuganov S.V. Inzhenernyj vestnik Dona, (Rus), 2013, № 2 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1619.

3. Ovcharenko V.E., Mohovikov A.A., Korchuganov S.V. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). 2012. № S3. pp. 95-104.

4. Pat. 2457261 Rossijskaja Federacija, MPK C 21 D 9 22,B 22 F 3 24,C 21 D 1 09. Sposob jelektronno-puchkovogo uprochnenija tverdosplavnogo instrumenta ili izdelija. Ovcharenko V.E., Ivanov Ju.F., Mohovikov A.A., Koval' N.N., Teresov A.D.; zajavitel' i patentoobladatel' IFPM SO RAN, ISJe SO RAN, GOU VPO NI TPU - № 2011124098/02; zajavl. 14.06.2011; opubl. 27.07.12, Bjul. № 21.

5. Psakhie S., Ovcharenko V., Shilko E., Astafurov S., Yu B., Ivanov Y., Byeli A., Mokhovikov A. Journal of Materials Science and Technology. 2013. V. 29. № 11. pp. 1025-1034.

6. Ovcharenko V.E., Mohovikov A.A., Ignat'ev A.S. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2013. № 5. p. 102.

7. Kacev P.G. Statisticheskie metody issledovanija rezhushhego instrumenta. [Statistical research techniques of cutting tools]. M.: Mashinostroenie, 1968.

8. Ivanov Ju.F., Kolubaeva Ju.A., Grigor'ev S.V., Ovcharenko V.E., Koval' N.N. Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. 2008. t. 313. № 2. pp.110-113.

9. Ovcharenko V.E., Ivanov Ju.F. Metallovedenie i termicheskaja obrabotka metallov. 2008. №7(637). pp.48-52.

10. Ovcharenko V.E., Mokhovikov A.A., Ignatev A.S. Steel in translation. 2013. №6. pp. 348-350.