Анализ причин отказов деталей металлообрабатывающего инструмента

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 2 УДК 621.19:621.793

АНАЛИЗ ПРИЧИН ОТКАЗОВ ДЕТАЛЕЙ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Л.М. Нечаев, Н.Б. Фомичева, И.Ю. Канунникова

Анализировали причины отказа инструментов, работающих в тяжелых условиях трения и износа. Предложено создание термодиффузионных покрытий, для улучшения работы инструмента.

Ключевые слова: инструмент, износ, пластическая деформация, поверхность разрушения, твердость, термодиффузионное упрочнение.

В технологических процессах обработки материалов резанием чаще всего используется следующая номенклатура режущего инструмента: резцы и фрезы различных типов, сверла, развертки и зенкера, метчики, и в том числе весьма мелкие по размерам. В качестве обрабатываемых резанием материалов используются конструкционные стали, нержавеющие стали, а также пластические материалы.

Рабочие поверхности инструмента находятся в тяжелых условиях трения и износа: происходит относительное скольжение при повышенных температурах, скоростях и нормальных контактных нагрузках, достигающих иногда прочности обрабатываемого материала. Для контактных поверхностей инструмента характерны малые габариты, достаточно высокая ювенильность, неравномерность распределения действующих напряжений и температур, неидентичность температурно-силовых условий в рабочих зонах инструмента.

Анализ изношенных поверхностей показал, что инструмент выходит из строя чаще всего в результате износа или выкрашивания режущих кромок. На рабочих поверхностях появляются царапины, наблюдаются эффекты трещинообразования, трещины распространяются вглубь материала и смыкаются, способствуя выкрашиванию режущих фрагментов. На рабочих плоскостях отработанного инструмента отмечали следы регулярного износа, задиры и следы пластической деформации.

В ходе работы был выявлен следующий механизм изнашивания режущих элементов быстрорежущего инструмента. Изнашивание происходит в виде истирания кобальтовой фазы и выкрашивания зерен карбидов вольфрама. При этом увеличиваются технологические трещины, распространяются усталостные микротрещины в поверхностном слое. По мере изнашивания формируется новая шероховатость поверхностей режущего инструмента, которая представляет собой совокупность зерен карбида вольфрама, углублений, образованных после выкрашивания кобальтовой фазы и «обломанных» вершин микронеровностей поверхности.

Напряжение и деформированное состояние в различных зонах режущих кромок взаимосвязаны. Это предопределяет, кроме того, повышенное тепловыделение, диффузию, адгезию, наклеп, фазовые превращения и т. п.

Учитывая особенности изнашивания режущих элементов инструмента необходимо отметить, что достаточная прочность инструмента является необходимым, но недостаточным условием экономически эффективной его работы. Инструмент должен обладать достаточной износостойкостью, особенно при чистовой обработке материалов.

Для обеспечения износостойкости рекомендуются:

повышение твердости рабочих поверхностей;

формирование в поверхностных слоях остаточных напряжений сжатия;

снижение числа и протяженности исходных технологических микротрещин.

Не упрочненный, в частности методами термодиффузионного упрочнения, режущий инструмент работает непродолжительное время, например по инструментальной стали. Высокий уровень наклепа этой стали, развивающийся при резании, крайне затрудняет процесс снятия стружки. Понижение коэффициента трения, легкость скольжения стружки в результате поверхностного модифицирования способствует в значительной степени облегчению условий работы режущего инструмента [1, 2].

Для исследования влияния поверхностного упрочнения на свойства инструментальных сталей были проанализированы образцы из стали ХВГ после термодиффузионной обработки.

При исследовании структуры и прочностных свойств цементованной и нитроцементованной стали ХВГ было обнаружено различие в ее свойствах, особенно это было заметно при определении ударной вязкости, значения которой различались в несколько раз.

Для выяснения причины подобной дисперсии свойств было проведено электронно-микроскопическое исследование поверхности разрушения ударных образцов стали ХВГ. Исследование проводили на сканирующем электронном микроскопе «18М-35СЕ» при увеличениях от х900 до хЗ000. Ударную вязкость определяли на образцах размером 10х10х55 мм без надреза при нормальной температуре после испытаний на маятниковом копре МК-30.

На расстоянии 0,01 ...0,015 мм от поверхностной зоны покрытия наблюдали разрушение по границам зерен. Такой характер разрушения можно объяснить тем, что эта зона соответствует зоне внутреннего окисления, где по границам зерен располагаются мелкодисперсные карбиды и оксиды, которые и вызывают их охрупчивание.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 2

На большем расстоянии от поверхности в цементованном слое наблюдается смешанный характер разрушения: на фоне вязкого «ямочного» излома встречаются участки межзеренного разрушения, вызванного выделением карбидной фазы по границам зерен. Сердцевина образца имеет вязкое «ямочное» строение.

Строение излома поверхностного слоя нитроцементованного образца с максимальной ударной вязкостью — 80 Дж/см показало, что в тонком поверхностном слое отсутствует дефектная зона, характерная для цементованного образца, и по всему слою наблюдается вязкий характер разрушения. Разрушение происходит по мелкодисперсным выделениям карбонитридной фазы, равномерно расположенным в вязком (ямочном) изломе.

В нитроцементованных образцах с ударной вязкостью 51 Дж/см вязкое разрушение наблюдается только в поверхностном слое. На расстоянии 0,3...0,4 мм от поверхности вязкое разрушение сменяется преимущественным разрушением по границам зерен. При уменьшении ударной вязкости до 37 Дж/см2 в образцах увеличивается количество межзеренного разрушения.

В этом случае наряду с вязким разрушением в слое в большом количестве наблюдается разрушение по границам зерен, по которым происходит выделение карбонитридной фазы.

Для объяснения причины подобного вида разрушения было проведено металлографическое исследование, которое показало, что в поверхностном слое цементованных и нитроцементованных образцов имеется дефект в виде трооститной сетки по границам зерен, распространяющейся на всю толщину упрочненного слоя. Образование этого дефекта можно объяснить тем, что в поверхностном слое по границам зерен при охлаждении образуется мелкодисперсная карбидная фаза, что приводит к снижению прокаливаемости этих зон слоя вследствие уменьшения легированности твердого раствора и появления в них продуктов немартенситного превращения [3,4]. Таким образом, при микрофрактографическом исследовании поверхности изломов цементованных и нитроцементованных образцов выявлена определенная связь между строением их поверхности разрушения и ударной вязкостью.

Высокой ударной вязкости соответствует получение в упрочненном слое мелко ямочного излома с большим количеством мелкодисперсной карбонитридной фазы и вязкого излома в сердцевине.

Снижение ударной вязкости сопровождается появлением разрушения по границам зерен, что вызвано наличием дефектов в поверхностном слое: зоны внутреннего окисления, расположением участков карбидной и карбонитридной фазы по границам зерен, наличием микропор в слое.

Список литературы

1. Власов В.М., Нечаев Л.М. Работоспособность высокопрочных термодиффузионных покрытий в узлах трения машин. Тула: Приокск. кн. изд-во, 1994. 235 с.

2. Нечаев Л.М., Фомичева Н.Б., Иванькин И.С. Определение параметров трещиностойкости никотрированных сталей // Современные наукоемкие технологии. 2007. № 5. С. 89-92.

3. Власов В.М., Нечаев Л.М., Фомичева Н.Б. Влияние технологических параметров на триботехнические свойства многофазных термохимических покрытий // Трение и износ. 2001. Т. 22. № 5. С. 592-596.

4. Технологические процессы цементации и нитроцементации / В.М. Зинченко, Б.В. Георгиевская, В.А. Оловянишников, В.В. Кузнецов. М.: НИИТавтопроч, 1982. 122 с.

Нечаев Леонид Михайлович, канд. физ.-мат. наук, проф., tmsa t.su.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Фомичева Наталия Борисовна, канд. техн. наук, доц., tmsatsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Канунникова Ирина Юрьевна, канд. техн. наук, доц., tmsatsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF THE CAUSES OF REFUSALS OF METAL-WORKING INSTRUMENT L.M. Nechaev, N.B. Fomicheva, I.Y. Kanynnikova

Performed root cause analysis of failure of tools, heavy duty friction and wear. The proposed thermal-diffusion coatings to improve the tool.

Key words: tool wear, plastic deformation, fracture surface, hardness, thermal diffusion hardening.

Nechaev Leonid Michailovich, candidate of phisico-matematical science, professor, tmsatsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Fomicheva Natalia Borisovna, candidate of technical science, docent, tmsa tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kanynnikova Irina Yurievna, candidate of technical science, docent, tmsatsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University