Разработка технологии электроискрового легирования быстрорежущей стали твердыми сплавами на основе фаз внедрения

УДК 621.9.048.4\

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ НА ОСНОВЕ ФАЗ ВНЕДРЕНИЯ

© 2010 С.Г. Купцов, М.В. Фоминых, Д.В. Мухинов, А.А. Вопнерук, Р.М. Валиев, ЮГ. Ведищев, А.В. Шак, А.В. Иванов

Уральский государственный технический университет, г. Екатеринбург

Поступила в редакцию 31.03.2010

В статье рассмотрено влияние параметров электроискрового легирования на установке ЭЛАН твердыми сплавами на технологические свойства электроискровых покрытий. Определены оптимальные параметры процесса металлообработки.

Ключевые слова: электроискровое легирование, твердые сплавы, частота, шероховатость, износ

Способ электроискрового легирования (ЭИЛ) позволяет получать покрытия на металлических поверхностях различными токо-проводящими материалами. Метод прост в техническом исполнении, обладает низкой энергоемкостью, однако отсутствие удовлетворительного понимания механизма процесса ЭИЛ не позволяет создавать покрытия с заранее заданными свойствами, тем более что электроискровые покрытия сложны по составу и структуре, их свойства зачастую в определенной степени непредсказуемы. Поэтому в данном способе не всегда удается получить покрытия (материалы) с заранее заданными свойствами. Для каждого конкретного случая целесообразно экспериментальное исследование процесса ЭИЛ для получения необходимого результата и определения оптимальных параметров.

Сущность метода состоит в следующем. Электроискровое упрочнение происходит при возникновении искрового разряда между обрабатывающим электродом (анодом) и упрочняемым инструментом (катодом). В результате образуется упрочненный слой, под которым

Купцов Сергей Гаврилович, кандидат технических наук, доцент, matu@mail.ru

Фоминых Максим Владимирович, старший преподаватель

Мухинов Дмитрий Владимирович, инженер Вопнерук Александр Александрович, аспирант Валиев Ривхат Мударисович, кандидат технических наук, доцент

Ведищев Юрий Геннадьевич, аспирант

Шак Андрей Васильевич кандидат технических наук,

доцент

Иванов Андрей Валерьевич, студент

расположен слой с понижающейся по глубине твердости и обладающий повышенной пластичностью. В процессе ЭИЛ происходит перенос материала анода, растворение его в основном материале и прочного сцепления поверхностного слоя с основой за счет их интенсивного смешивания в расплавленном состоянии в микрованне. Происходит изменение структуры, образование карбидов и карбонит-ридов, упрочнение поверхностного слоя, препятствующее перемещению дислокаций на поверхность, а также измельчение структурных составляющих, образование структур высокой гетерогенности. В результате перечисленных выше процессов при ЭИЛ происходит повышение твердости, прочности, износостойкости упрочняемого изделия. Наличие слоя повышенной пластичности под слоем с высокой твердостью обеспечивается упругость последнего, что снижает выкрашивание микрообъемов прикримочных зон инструмента. Метод не требует специальной подготовки обрабатываемых поверхностей, позволяет производить обработку инструментов различных размеров и конфигураций, изготовленных из различных инструментальных сталей, отличается простотой применяемого оборудования и достаточно высокой производительностью. В качестве электродов для ЭИЛ использованы как стандартные материалы: твердые сплавы Т15К6, КНТ16, ВК6; так и специально разработанный нами композиционный сплав ГЛВ-В4С-ГПМ Фазовый состав композиционных сплавов в зависимости от параметров получения приведен в таблице 1.

Таблица 1. Фазовый состав композиционного материала Т1В2-В4С-Т1№ при различных температурах спекания и времени изотермической выдержки

Состав элек- Режим спекания Фазовый состав Фазовый состав по-

трода Т спек., 0C t спек., мин. электрода крытия

(TiB2-TiNi10%) 1350 30 Т1В2; Т1№; Т1№3 TÍB2; a-Fe;

+B4C 5% следы №3В;В4С; Fe2B; следы Fe3Ni3B

1450 30 Т1В2; Т1№; №3В; следы Т1С TÍB2; a-Fe; TiNi; следы NiB

1550 30 Т1В2; №3В следы Т1С; Т1№; Т1№з TiB2; a-Fe; NiB; следы Fe2Ti BN

1450 90 Т1В2; №В; следы Т1№; Т1С; TiB2; a-Fe; NiB; следы Fe2B

(TiB2-TiNi20%) 1350 30 Т1В2; Т1№; Т1№з; В4С TiB2; a-Fe; TiNi; Ti2Ni;

+B4C15% следы №В; №6Т12В Следы (BN)0,2óC0,74; Fe3Ni3B

1450 30 Т1В2; Т1№; ЩТ^В; В4С; следы №В TiB2; a-Fe; TiNi; следы (BN)0,2óC0,74; NiB

1550 30 Т1В2; Т1№; ЩТ^В; №В; следы В4С; Т1С TiB2; a-Fe; NiB; следы Ni6Ti2B; BN FeTi

1450 90 Т1В2; №В; Т1С следы Т1№ TiB2; a-Fe; NiB; оксиды Fe

Упрочнялись пластины из быстрорежущей стали Р6М5. Сравнительные испытания проводились при резании стали 40Х (закаленная) при скорости резанья 16 м/мин, в качестве эталона использовались такие же пластины из быстрорежущей стали Р6М5. Определялся износ пластин, шероховатость упрочненного слоя на пластинах, шероховатость обрабатываемой поверхности в зависимости от параметров напыления (частоты источника питания, емкости (энергии) разряда).

Работа выполнялась в три этапа. Режимы и материалы упрочнения приведены в таблице 2. На первом этапе было проведено предварительное определение области оптимальных параметров процесса ЭИЛ, внутри которых можно получить работоспособное покрытие. В качестве параметров оптимизации были выбраны частота источника питания, емкость (энергия) разряда, напряжение, состав композиционного материала. В результате работы на первом этапе была определена область оптимальных параметров (Ц=100 В, частота 1,37-22 кГц, емкость 1-6 мкФ, энергия 0,01-0,06 Дж). Композиционный материал: (Т1В2-Т1№20%)+В4С1515%, Тсп=1450оС, ^=90 мин, а также твердый сплав ВК6.

На втором этапе работы в качестве параметров оптимизации использовалось уже непосредственно технологические параметры процесса резанья (износ режущей пластины на передней и задней поверхностях, шероховатость пластины после ЭИЛ, шероховатость обрабатываемой поверхности после резания). Показано, что:

1) С ростом емкости (энергии) незначительно растет шероховатость как режущей пластины, так и обрабатываемой поверхности (см. рис. 3, 4), как для сплава Т15К6, так и для Т1В2-В4С15%-Т1№20%;

2) То же самое наблюдается при росте частоты (см. рис 1, 2);

3) Износ передней и задней поверхностей режущей пластины представлен в табл. 2 и рис 5-7; шероховатость детали после обработки представлена на рис.8.

По результатам, полученным на втором этапе, были определены оптимальные параметры и композиции с целью оптимизации технологических параметров процесса металлообработки, которые приведены в табл. 3 и на рис.5-7. Для эталона Р6М5 скорость износа не зависит от времени и составляет по задней поверхности ~0,8 мкм/с, по передней поверхности ~1 мкм/с.

Таблица 2. Режимы и материалы упрочнения

№ Материал С, мкФ 1ип, кГц Ярез, МКМ Ядет, мкм Износ, мкм

1 Т15К6 1 2,75 1,415 2,89 190

2 Т15К6 3 2,75 0,88 4,97 220

3 Т15К6 6 2,75 1,26 3,33 480

4 Т15К6 2 1,37 1,376 2,78 200

5 Т15К6 2 5,5 1,35 3,43 230

6 Т15К6 2 11 2,026 5,34 214

7 Т15К6 2 22 1,868 5,92 360

8 Т1В2-В4С15-N120 1 1,37 1,397 2,75 450

9 Т1В2-В4С15 3 1,37 1,507 2,9 243

10 Т1В2-В4С15 6 1,37 1,29 3,6 300

11 Т1В2-В4С15 1 2,75 1,379 2,9 234

12 Т1В2-В4С15 3 2,75 1,658 5,87 150

13 КНТ16 3 2,75 1,298 5,85 170

14 ВК6 3 2,75 1,437 3,04 500

га £

.0 I-

о

12 га ш о

X

о о.

О)

3

8 6

5 4

0 10 20 30

Частота импульсов разряда, кГц

Ра резца--Ра детали

Рис. 1. Влияние частоты импульсов разряда на шероховатость покрытия резца и детали

к 4 £

0,01

0,02 0,03 0,04 0,05

Энергия разряда, Дж

-резца--детали

Рис. 3. Влияние емкости

га £

.0 I-

о

12 га ш о

X

о о.

О)

а

0 10 20 30

Частота импульсов разряда, кГц

га £

£

с

Р 5 ак ш 5 о

X

о р

О)

3

8 6 4 2 0

0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Энергия разряда, Дж

6

5

3

2

2

0

0

0

0,06

0,07

0

Ра резца--Ра детали

Рис. 2. Влияние частоты импульсов разряда на шероховатость покрытия резца и детали

Ра резца--Ра детали

Рис. 4. Влияние емкости

Таблица 3. Износ режущей пластины, мкм

Материал с ип*9 кГц С, мкФ Износ, мкм Яа, мкм

3 минуты 6 минут 1 минут

ЗП ППН ППК З.П. ППН ППК З.П. ППН ППК

Т15К6 1,37 2 95 159 229 4,022

Т15К6 11 2 182 250 200 274 200 287 5,258

+Т№20% 2,75 2 105 150 162 280 165 212 285 2,94

^2^405% +Т№20% 5,5 1 119 187 135 218 154 167 220 225 3,178

ВК6 11 2 61 128 97 154 105 230 205 4,042

Показано, что во всех случаях износ и по передней поверхности и по задней поверхности не превышает 300 мкм за 11 минут. Обращает на себя внимание тот факт, что за первые 3 минуты износ составляет почти 2/3 от износа за 11 минут, т. е. с увеличением времени

резания скорость износа уменьшается почти в 10 раз, что можно объяснить известным фактом разупрочнением поверхностного слоя в процессе ЭИЛ. Шероховатость обрабатываемой детали только в одном случае превысила 5 мкм (Т15К6).

20015010050-

Т15К6

Т15К6

"ЛБ2*

"ЛБ2*

ВК 6

3 минуты

6 минут

11 минут

Рис. 5. Износ задней поверхности режущей пластины, мкм

250 и

200-

150-

100-

50-

0 _

3 минуты

6 минут

11 минут

Т15К6 Т15К6 ПБ2* ПБ2*

ВК 6

Рис. 6. Износ передней поверхности режущей пластины по радиусу, мкм

300-, 250 200 150 100 50 0

ттнп

3 минуты

6 минут

11 минут

Т15К6 Т15К6 ПБ2*

"ЛБ2*

ВК 6

Рис. 7. Износ передней поверхности режущей пластины по канавке, мкм

6-. 4

2

/ /I

У—71

_L

Ü

¿L

J^L

Т15К6

Т15К6

TiB2*

TiB2*

У /I

ВК 6

0

Ra дет.,мкм

Рис. 8. Шероховатость детали после обработки, мкм, * - TiB2-B4C15%+TiNi20%

Выводы:

1. Определена область оптимальных параметров ЭИЛ пластин из быстрорежущей стали Р6М5.

2. Износостойкость упрочненных пластин по разработанному режиму намного превысила в разы износостойкость эталонных (не упрочненных) пластин.

3. Шероховатость упрочненных пластин не превышает 2 мкм, обрабатываемых поверхностей не превышает 6 мкм, что является удовлетворительным результатом.

4. Необходима дальнейшая оптимизация процесса ЭИЛ, как с целью уменьшения шероховатости поверхности режущего инструмента и обрабатываемой детали, так и увеличения износостойкости покрытия, а также исследовать влияние режимов резания и геометрии режущего инструмента. Можно с уверенностью ожидать повышения работоспособности режущего инструмента по завершении всего комплекса исследований в десятки раз при хорошей чистоте обрабатываемой поверхности.

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY OF ELECTROSPARK ALLOYING THE FAST-CUTTING STEEL WITH HARD ALLOYS ON THE BASIS OF INTRUSION PHASES

© 2010 S.G. Kuptsov, M.V. Fominyh, D.V. Muhinov, A.A. Vopneruk, R.M. Valiev, Yu.G. Vedishchev, A.V. Shak, A.V. Ivanov

Ural State Technical University, Ekaterinburg

In article the influence of electrospark alloying parameters on ELAN-unit by hard alloys on technological properties of electrospark coverings is considered. Optimum parameters of metal working process are certain.

Key words: electrospark alloying, hard alloys, frequency, roughness, wearing

Sergey Kuptsov, Candidate of Technical Sciences, Associate

Professor. E-mail: matu@mail.ru

Maksim Fominyh, Senior Teacher

Dmitriy Muhinov, Engineer

Alexander Bopneruk, Post-graduate Student

Rivhat Valiev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Yuriy Vedishchev, Post-graduate Student

Andrey Shak, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Andrey Ivanov, Student