Пути повышения износостойкости металлических материалов, работающих в контакте с древесно-металлическими композитами

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, РАБОТАЮЩИХ В КОНТАКТЕ С ДРЕВЕСНО-МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ КОМПОЗИТАМИ

Прусс Б.Н.

Possible ways of increase of wear resistance of the metal materials working in pair of friction with wood-metal materials are considered.

Очень важным для обеспечения работоспособности подшипникового узла является повышение износостойкости обеих, входящих в него функциональных деталей - вала и вкладыша. Анализ имеющихся сведений об изнашивающем действии на стальные поверхности валов древесно-металлических материалов в условиях соответствующих режимам эксплуатации деревообрабатывающего оборудования показал, что механизм изнашивания стальных валов во многом аналогичен механизмам постепенного изнашивания режущих инструментов. Это позволяет выработать единые методы для обеспечения износостойкости поверхностей контробразцов, работающих в контакте с древесными материалами.

Рассматриваемые пути обеспечения износостойкости относятся к процессам трения сталей по поверхности древесно-металлических материалов и обработке их резанием.

Многие авторы полагают, что достижение благоприятного сочетания параметров качества поверхности режущих элементов может быть обеспечено при их последовательном направленном формировании на стадиях изготовления, упрочнения и подготовки к работе. При этом наиболее перспективными являются упрочняющие технологии, основанные на использовании концентрированных источников энергии.

Например, закалка с нагревом токами высокой частоты позволяет повысить износостойкость в 3-5 раз, а электроконтактная закалка зубьев пил приводит к повышению их износостойкость в 2-2,5 раза [1]. Это обусловлено созданием в вершине зуба структуры мелкоигольчатого мартенсита с мелкими карбидами, обладающей твердостью HRC 60-63.

Увеличения износостойкости стальных инструментов в 3-3,5 раза достигается наплавкой на рабочие поверхности зубьев сплава ВЗКР. Однако наплавка во многих случаях приводит к образованию трещин, которые значительно снижают работоспособность наплавленного слоя. Выполнение наплавки в среде аргона снижает уровень трещинообразования и обеспечивает повышение износостойкости в среднем в 2 раза [6].

Эффективна химико-термическая обработка (ХТО). При ее выполнении за счет диффузии образуются поверхностные слои, строение которых сильно отличается от исходной структуры инструментального материала.

Повышение износостойкости инструментальных сталей после ХТО составляет от 10-20% (сульфидирование, фасфатирование) до 2-4 раз (азотирование, цианирование) [2]. Диффузионное хромирование на глубину до 10 мкм повышает износостойкость в 1,3-3 раза.

Повышения стойкости дереворежущих инструментов можно достигнуть, используя способ, включающий холодную пластическую деформацию до и после азотирования.

Известен способ повышения износостойкости деревообрабатывающего инструмента из твердых сплавов посредством диффузионной обработки инструмента в порошке Сг3С2 в инертной или восстановительной среде.

Использование гальванических методов нанесения покрытий, обеспечивает повышение износостойкости зубьев круглых пил в 2-2,5 раза. Однако при этом снижается усталостная прочность инструмента на 25-40% [2], что неприемлемо для инструментов, работающих при динамических нагрузках.

Положительное влияние на износостойкость инструмента оказывает магнитное упрочнение [5]. Стойкость сверл после магнитного упрочнения возрастает в 1,4-2,5 раза, фрез и пил твердосплавных - в 1,3-2,0 раза. Однако воздействие магнитных полей на дереворежущий инструмент [5, 6 и др.] обеспечивает повышение износостойкости всего лишь на 15-20% в результате изменения структуры поверхностного слоя материала, повышения микротвердости и сопротивления ударным нагрузкам. Это явно недостаточно для рассматриваемых нами инструментов.

Упрочняющая фрикционная обработка позволяет повысить износостойкость в 1,8-2,5 раза за счет создания в поверхностном слое инструмента мелкодисперсной мартенситно-аустенитной структуры с карбидными включениями.

Нанесение ионно-плазменных покрытий из карбидов или нитридов хрома, титана и других металлов эффективно для повышения износостойкости твердосплавного инструмента [4], поскольку обеспечивает небольшую шероховатость (0,32-0,04 мкм), увеличение микротвердости до 23-35 ГПа и повышение износостойкости до 3-5 раз.

Для дереворежущих инструментов наиболее перспективен метод конденсации покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхностей инструмента (метод КИБ) [8]. Благоприятное влияние на износостойкость ионно-плазменного покрытия на дереворежущих инструментах обусловлено созданием в поверхностном слое высокого градиента сжимающих напряжений.

Скорость нагрева и охлаждения поверхности при плазменном воздействии достигает 103-104 К/с, что приводит к эффекту скоростной закалки стали с образованием мелкодисперсной структуры типа мартенсита, отличающейся повышенными микроискажениями и плотностью дислокаций. Под упрочненным поверхностным слоем располагается слой отпущенного металла. За счет наличия прочного поверхностного слоя и более вязкого нижележащего интенсивность изнашивания инструмента снижается, также уменьшается вероятность выкрашивания режущей кромки.

Перспективами в плане повышения стойкости инструмента обладают методы лазерного упрочнения. С его помощью можно производить упрочнение рабочих поверхностей с различными исходными характеристиками, различной конфигурации, а также в местах, недоступных или труднодоступных для других методов. Этот метод позволяет локально изменять характеристики поверхностных слоев.

В результате лазерного воздействия на рабочие поверхности твердого сплава ВК8 происходит измельчение структуры карбида вольфрама и тем самым достигается увеличение микротвердости в центре пятна закалки от 12,7 до 24,5 ГПа [7].

Значительное снижение износа и трещинообразования инструментов, подвергнутых лазерной обработке, обусловлено помимо получаемой высокой твердости упрочненного поверхностного слоя, высокой дисперсностью структуры, уменьшением коэффициента трения, созданием остаточных напряжений сжатия и т.д. [1, 2].

Анализ метода лазерного упрочнения инструмента позволяет заключит, что при соответствующем назначении режимов обработки (плотности подводимой энергии, частоте следования импульсов, коэффициенте перекрытия пятен закалки, диаметре лазерного пятна) можно управлять характеристиками качества поверхностного слоя, изменяя структуру, стабилизируя параметры шероховатости.

Применение электроискрового легирования приводит к повышению износостойкости дереворежущего инструмента из различных марок инструментальной стали в 1,5-3,2 раза [9].

В процессе электроискрового легирования можно управлять многими эксплуатационными характеристиками режущего инструмента - твердостью, прочностью, износостойкостью, коррозионной и эрозионной стойкостью. В стали при электроискровой обработке наблюдается упрочнение поверхностного слоя в результате образования вторичных фаз. Действие точечных источников тепла приводит к сложным эффектам закалки, отпуска и другим процессам, изменяющим структуру и свойства поверхностных слоев. В результате упрочнения на поверхности образуется белый высокопрочный слой, под которым располагается слой с понижающейся по глубине твердостью. Наличие под белым слоем слоя с более высокой пластичностью затрудняет выкрашивание режущих кромок и прилегающих к ним поверхностей, повышая их износостойкость и трещиностойкость [1].

Износостойкость инструмента во многом определяется химическим составом материала применяемых электродов. Использование комплексного легирования [2] в существенной степени повышает его эффективность.

Вместе с тем электроискровое легирование отличается рядом недостатков, главными из которых являются формирование во многих случаях недопустимого уровня остаточных напряжений растяжения и неприемлемой шероховатости обработанных поверхностей. Кроме того, твердость упрочненных слоев до глубины 10-15 мкм оказывается меньше исходной и составляет в верхней части формируемого покрытия 2,2 ГПа и ниже, что объясняется высокой дефектностью поверхностных слоев и их термическим разупрочнением.

Снизить недостатки электроискрового легирования позволяет последующая финишная обработка методами эластичного шлифования, например, лепестковыми кругами или использование алмазного выглаживания, в результате которого удаляется поверхностный дефектный слой, уменьшаются высотные параметры шероховатости в 2-6 раз, увеличивается опорная площадь в 2-4 раза. Микротвердость повышается на 15-20%, остаточные напряжения сжатия увеличиваются на 15-20% [2, 6].

Однако в целом, на основании анализа литературных источников, посвященным изучению вопросов изнашивания дереворежущих инструментов, установлено, что наиболее перспективным для инструментов, используемых для обработки древесно-металлических композиционных материалов, являются электроискровое легирование и лазерная обработка.

В тоже время следует учитывать сложности, возникающие при оптимизации процессов обработки древесно-металлических композиционных материалов. Это связано с тем, что обработке резанием подвергаются одновременно и металлическая, и древесная составляющая материала. Эти составляющие значительно различаются по свойствам, и для обеспечения работоспособности режущих инструментов необходимо задание отличающихся физико-химических характеристик материала в прикромочных зонах используемых инструментов. То же касается и выработки рекомендаций по заданию угловых параметров их режущей части.

Важным в этом плане является и обеспечение целостности и сплошности обрабатываемого композиционного материала, поэтому важна и необходима оптимизация режимов обработки.

Литература

1. Демьяновский К.И. Термическая обработка дереворежущего инструмента. -М.: Лесн. пром-сть, 1972. -104 с.

2. Зотов Г.А., Памфилов Е.А. Повышение стойкости дереворежущего инструмента. -М.: Экология, 1991.- 304 с.

3. Памфилов Е.А., Борзенкова Т.Г. Обеспечение износостойкости твердых сплавов лазерным излучением// Вестник машиностроения.- 1982. -№ 3.- с. 61-63.

4. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента.- М.: Машиностроение, 1982.- 320 с.

5. Малыгин Б.В. Магнитное упрочнение режущего инструмента и деталей деревообрабатывающих машин// Деревообрабатывающая промышленность. -1990. -№ 6.- с. 7-8.

6. Кашкинов В.С., Пирогов В.А. Повышение износостойкости дереворежущего инстру-мента//Лесная и деревообрабатывающая промышленность. Информац. сб. 1990. -№1.- С.24-25.

7. Лещинский Л.К., Самотугин С.С., Пири И.И., Пуйко А.В., Солоник Н.Х. Комплексное объемно-поверхностное упрочнение материалов с использованием высококонцентрированного источника нагрева//МиТОМ. -1988. -№5. -С.3-5.

8. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов.- М.: Радио и связь, 1986.- 232 с.

9. Тимощенко В.А., Иванов В.И. Упрочнение зубьев дисковых и рамных пил// Деревообрабатывающая пром-сть. -1992. -№1.- С.19-20.