Электроискровое легирование и последующая лазерная обработка инструмента из быстрорежущих сталей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

полученных из составных катодов, показал, что все однофазные П типа TiN или TiCN имеют столбчатое строение. Причиной этого является отсутствие фазовых границ (микрослоистости) при конденсации П такого типа, т.е. отсутствует мощный структурный фактор торможения трещины. Это сразу отражается на характере излома, поскольку не наблюдается развитая рельефность поверхности излома и проявляется характерная столбчатая структура.

Все отмеченное выше отразилось, разумеется, на адгезионно-прочностных свойствах П: с увеличением твердости П растет коэффициент отслоения Ко, достигая для П типа (Ti-Fc)CN - 2,6, а для П типа (Ti-Fc)CN - 2,4-2,6, что связано с потерей пластичности материалом П.

Все это, в целом, отражается на износостойкости РИ с П, полученными из составных катодов. При точении заготовок из стали ЗОХГСА минимальная интенсивность износа П типа (Ti-Zr)CN наблюдалась при содержании (30-35 %) С2Н2 в газовой смеси (I = 0,21 мм/м), а у П типа (Ti-Fe)CN - при 25 % С2Н2 (I = 0,23 мм/м), что значительно ниже, чем у РИ с П TiN (I = 0,7 мм/м).

Таким образом, применение исследованных П, полученных из составных катодов, позволит повысить работоспособность РИ и снизить его стоимость, экономить дорогостоящие тугоплавкие материалы, используемые для нанесения П.

УДК 621.9.025.7

Ю.В.ПОЛЯНСКОВ, А.П. ТАМАРОВ

ЭЛЕКТРОИСКРОВОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ И ПОСЛЕДУЮЩАЯ ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ

Проблема разработки и широкого использования в производстве высокоэффективных технологических методов упрочнения инструмента, изготавливаемого из быстрорежущих сталей, весьма актуальна. Чтобы снизить расход быстрорежущей стали и повысить стойкость инструмента, целесообразно применять такие методы упрочнения, которые позволяют повышать твердость и

© Ю.В. Полянсков, A.n. Тачаров, 1998

износостойкость его поверхностных ело,» ностных свойств основы. К пеРспе^ив„ГРИ С°Хра1*"и« п„п тодам относится электроискровое™ поверхностей, однако покрытия, п^нныГ °ИЛ) имеют ряд существенных нсдос татковЭИл поверхности, малую глубину упрочненного ST^ наличие в нем дефектов [1]. Перечисленные Нел^ 50) МкмЬ, устранить, подвергнув ЭИЛ покрытая последуют ^ Мож«° работке [1,2]. Н п°следующеи лазерной об-

Авторы изучили влияние комплексного элекгооиг* легирования и лазерной обработки на физико-мэд^Т эксплуатационные свойства быстрорежущих стал™ " Р6М5К5. Электроискровые покрытия наносили на переднюю'íf' верхность режущих пластин электродами на основе WC "ПС HN. Легирование проводили на установке "Элитрон-22" при ра' бочем токе 1,5 А и удельном времени 3 мин/см*. Лазерную обработку покрытий осуществляли импульсным излучением на установке "Квант-15" при длительности импульса 4 мс и плотности мощности излучения Wp = (1-6) МВт/м2.

Зависимость микротвердости Нц зон лазерного воздействия от температуры отпуска в выявляли по методике, рекомендуемой ГОСТ 1962-73. После лазерной обработки образцы подвергали четырехчасовому отпуску в интервале температур от НЮ до 700 °С. который является рабочим для быстрорежущего инструмента. Период стойкости т упрочненного электроискровым легированием и лазерной обработкой режущего инструмента определяли по методике, описанной в работе [2]. Измерят износ по задней грани резца при обработке заготовок из стали 31 х - ■

Под воздействием лазерного импульса происходагс в ное плавление участка покрытия и стальной подложки ^^ результате термокапиллярной конвекции, к0^атурЫ „о по-вследствие неравномерности распределения тем ^Р легЩ)уюЩее верхности ванны расплава и отдачи потока „ трИ-пять

вещество переносится в объем ванны, что по раз увеличить глубину легированного слоя. ^ повер*носТ"

После лазерной обработки ЭИЛ-покрьгги 0_,50) мкм-» инструмента образуется зона оплавления ^ разм^

которой растворяются компоненты исходно, о ПУ^ лазер„оГО ЗОНЫ оплавления определяются плотностьЮлппабаТываеМ<>го м излучения и геплофизическими свойствами

териала [1]. Под легированным слоем находится зона термического влияния глубиной (50-75) мкм, которая характеризуем аусте-нитно-мартенситной структурой, образовавшейся в результате закалки из твердого состояния. Микротвердость легированного слоя составляет (10-13) ГПа. В зоне термического влияния она постепенно уменьшается до 5 ГПа, что соответствует микротвердости исходного материала.

Рентгенографический анализ показал, что после электроискрового легирования сплавами на основе карбида вольфрама "белый" слой состоит из образовавшегося в результате диссоциации W2C, тройного карбида Рез\УзС и небольшого количества аустенита у - Ре. После лазерной обработки в "белом" слое появляется а - Ре. Количество аустенита и Ре^зС при этом в несколько раз увеличивается. В результате лазерной обработки происходит диссоциация У/С и \УгС с образовать Ре^зС . Концентрация НС и в поверхностных слоях (глубиной до 50 мкм) сплавов на основе этих соединений в результате облучения не изменяется.

Чтобы оценить способность инструмента сохранять режу-щие свойства в процессе эксплуатации, исследовали микротвердость поверхностных слоев инструмента, упрочненных электроискровым легированием и последующей лазерной обработкой, при рабочих температурах резания. На рис. 1 показано, как изменяется микротвердость Нц поверхностного слоя тугоплавких покрытий и исходной быстрорежущей стали в зависимости от температуры отпуска 9. Микротвердость зон лазерного легирования при нагреве снижается в меньшей степени, чем микротвердость исходного неупрочненного инструмента. Одно и то же значение микротвердости, например, 7 ГПа, для исходною инструмента отмечается при 6 = 500 °С, а для легированных - при 0 = (650-680) °С. Связано это с тем, что тугоплавкие компоненты, не растворяясь в стальной матрице, блокируют рост зерна, а также коагуляцию карбидов в стали при нагреве.

Таким образом, лазерное легирование способствует сохранению режущих свойств инструмента при более высоких температурах и, следовательно, дает возможность увеличить скорость резания. После ЗИЛ период стойкости режущего инструмента из стали Р6М5 возрастает в 1,3-1,4 раза (рис. 2). Лазерная обработка позволяет увеличить период стойкости ЭИЛ-покрытий по сравнению с неупрочненным материалом в два-три раза. Самая

ш ж оии с пи в--

Рис. 2. Влияние плотности мощности лазерного излучения на период стойкости 1 режущего инструмента из стали Р6М5 при точении заготовок из стали ЗОХГСА: У= 30 м/мин, 8= 0,3 мм/об, 1 мм

Рис. 1. Зависимость микротвердости поверхностных слоев инструмента из стали Р6М5 от температуры отпуска 0: 1- исходное состояние стали (без упрочнения); 2,3-инструмент после лазерной обработки ЭИЛ-покрытия на основе соответственно и ТУМ

высокая стойкость режущего инструмента достигается при плотности мощности лазерного излучения >Ур(3-5) МВт/м*. В случае неполного оплавления ЭИЛ-покрытий при \УР = до 3 МВт/м* поверхность состоит из оплавленных участков исходного покрытия и имеет шероховатость до 50 мкм. При плотности мощности излучения (3-5) МВт/м* высота микронеровностей составляет всего (5-8) мкм. Дальнейшее повышение приводит к увеличению высоты микронеровностей, что связано с образованием "кратеров' от ударного и теплового действия лазерного импульса.

Испытания показали, что после лазерного легирования линейный характер зависимости периода стойкости от скорости ре зания V (до 60 м/мин) сохраняется. Кривые т = для легирован ных инструментов смещаются в сторону больших значений ско рости резания (рис. 3). Особенно это заметно при высоких скоро стях резания, что связано с более высокими температурами про иесса. Во всем диапазоне скоростей резания ((10-60) м/мин) период стойкости инструментов, легированных тугоплавкими соединениями превышает период стойкости неупрочненного инструмента в 1,7-2,3 раза.

** ^ДУет из рис. 4, а, при использовании инструмента, ле-ированного карбидом вольфрама, Рг снижается по сравнению с

неупрочненным инструментом на (12-15) %, а в случае применения инструмента, легированного нитридом титана, - на (15-18) %. Легирование сплавами на основе \УС снижает коэффициент укорочения стружки К на 14 %, а сплавами на основе Т1Ы - на 22 % (рис 4, б). Следовательно, процесс резания упрочненным инструментом протекает при меньшем силовом нагружении режущего клина инструмента. Легирование передней поверхности инструмента тугоплавкими соединениями способствует снижению интенсивности адгезионного взаимодействия на контакте, что находит отражение в уменьшении силы резания и коэффициента укорочения стружки, а также в увеличении угла сдвига р (рис. 4, в).

ч

> А \ ^ 5

_ \

> А

10 30

^— ]

—^ ---. р

/ П /

г й-ч ■ —

а)

б)

в)

Я То ЩтЛ

Рис. 3. Влияние скорости резания V на период стойкости х инструмента из стали Р6М5 при точении заготовок из стали ЗОХГСА: 0,3 мм/об, х= 1 мм

Рис. 4. Влияние скорости резания V на составляющую силы резания Р2 (а), коэффициент укорочения стружки К (б), угол сдвига (3 (в) при точении заготовок из стали ЗОХГСА: Б= 0,3 мм/об, г= 1 мм

Анализ теплового состояния режущего клина в процессе резания, проведенный методом нанесения на инструмент легкоплавких покры тий, показал, что нагрев рабочих поверхностей инструмента, легированного ТлЫ, на 30 % меньше по сравнению с исходным и на 20 % - по сравнению с легированным WC (рис. 5).

Рис. 5. Нагрев рабочих поверхностей инструмента из стали Р6М5 при точении заготовок из стали ЗОХГСА: V— 30 м/мин, S= 0,3 мм/об, t= 1 мм; 1,2,3 -см. рис. 1

Производственные испытания свидетельствуют, что комплексное электроискровое легирование и лазерная обработка концевых фрез, изготовленных из стали Р6М5К5, позволяет увеличить их период стойкости при обработке заготовок из титанового сплава ВТ-22 в 2-2,6 раза.

Таким образом, комплексное электроискровое легирование тугоплавкими соединениями и последующая лазерная обработка способствуют увеличению твердости и теплостойкости поверхностных слоев инструментальных материалов, улучшают контактные характеристики режущего инструмента при взаимодействии со стружкой, что в итоге повышает его износостойкость. Оптимальная плотность мощности излучения при импульсной лазерной обработке электроискровых покрытий составляет (3-5) МВт/м2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Паустовский A.B., Ботвинко В.П. Влияние импульсного лазерного излучения на структуру и свойства ЭИЛ-покрытий из сплавов типа В К и ТК // Порошковая металлургия. 1991. N 2. С.55-57.

2. Ботвинко В.П., Паустовский A.B., Полянсков Ю.В. и др-Повышение работоспособности режущего инструмента // Станки и инструмент . 1991. N 4. С.22-24.