CC BY
59
УДК 681.325.5:621.9 Т. В. Ларина СГГА, Новосибирск
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
T. V. Larina SSGA, Novosibirsk
DURABILITY OF HARD METALS
The paper investigates behaviour of the main groups of tool materials versus their structure, properties and composition. Recommendations on choosing tool materials are given.
Между качеством инструмента и некоторыми свойствами инструментальных материалов, как, например, твердость или износостойкость, не существует простой зависимости. Износостойкость не является исключительным свойством инструментального материала, а характеризует сложное взаимодействие инструмента и материала заготовки, зависящее в значительной степени от режимов резания. Вопрос качества инструмента не может быть простым, однако поведение основных групп инструментальных материалов в зависимости от структуры, свойств и состава исследуются с целью дать рекомендации по выбору инструментальных материалов и их дальнейшему совершенствованию.
В природе не существует материалов, обладающих одинаково высокой прочностью, твердостью и проявляющих одинаковую степень инертности ко всем обрабатываемым материалам. Поэтому понятие оптимальный (эффективный) инструментальный материал является относительным, т. е. зависит от свойств обрабатываемого материала, условий обработки и определяется конкретными характеристиками обрабатываемого материала и видом заданной операции обработки. Выбор материала инструмента при заданном обрабатываемом материале необходимо проводить с учетом возможного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов в процессе резания.
Полученный инструментальный материал можно охарактеризовать и оценить его готовность к применению в качестве режущего инструмента после проведения специальных испытаний по адгезии, диффузии, термостойкости, износостойкости при резании металлов.
Экспериментально установлено что, температура начала схватывания для сплавов КНТ-16 и Т15К6 - 1023 К, для ТН-20 - 1073 К, для TiC - NiTi -1123 К. При 1273 К трудно однозначно сказать об адгезии, так как имеют место интенсивные диффузионные процессы.
Из результатов по оценке адгезии сплавов, представленных на рис. 1 видно, что разрушающее напряжение наибольшее у сплава Т15К6, а наименьшее у TiC - NiTi. Сплавы ТН-20 и КНТ-16 занимают промежуточное
положение. Результаты показывают, что адгезионные процессы при резании сталей будут проходить с меньшей интенсивностью у сплава ТЮ - МП Следовательно, наиболее стойкий к адгезии, по результатам теста, сплав ТЮ -ЫШ, так как этот сплав имеет наименьшее разрушающее напряжение.
Рис. 1. Результаты адгезионного теста для твердых сплавов
Для правильного выбора режимов резания необходимо определить зону наростообразования. Использование в качестве связующей фазы никелида титана должно привести за счет снижения адгезионного взаимодействия твердого сплава ТЮ - МТ с обрабатываемым материалом к уменьшению скоростных границ зоны наростообразования. Установить границы интенсивного взаимодействия стружки с инструментальным материалом можно путем построения зависимостей длины контакта стружки с резцом и усадки стружки от скорости резания и подачи.
Отклонения у сплавов ТН-20, Т15К6, КНТ-16 в значениях длины контакта незначительны, но длина контакта стружки с резцом у этих сплавов значительно превышает длину контакта сплава ТЮ-№П в диапазоне скоростей 0,25-1,91 м/с и подач от 0,07 до 0,57 мм/об.
Величина длины контакта у сплава ТЮ-МТ на 30-40 % ниже, чем у сплавов ТН-20, Т15К6, КНТ-16. Зона схватывания у сплавов ТН-20, Т15К6, КНТ-16 составляет 0,25-1,66 м/с, у сплава ТЮ-МТ ограничена 1,16 м/с.
Схватывание материала заготовки и инструмента является определяющим условием адгезионного изнашивания и является характерной особенностью процесса резания при использовании в качестве связующей фазы в безвольфрамовом твердом сплаве интерметаллического соединения. Однако скоростные пределы и величина длины контакта в данном случае снижаются по сравнению со значениями, которые имеют сплавы ТН-20, Т15К6, КНТ-16. Длина контакта стружки с резцом при использовании в качестве связующей фазы в БВТС никелида титана уменьшается.
На рис. 2 представлены снимки металла, налипшего на инструмент, изготовленного из ТЮ-№П, где видно характерное сглаживание в направлении схода стружки.
Существенных отличий при изменении подачи от 0,07 мм/ об до 0,57 мм/об в форме налипшего материала не обнаружено, но размеры имеют существенные отличия.
Рис. 2. Налипшая на инструмент из TiC-NiTi стружка: a) V = 15 м/мин, s = 0,07 мм/об, t = 3 мм; б) V = 15 м/мин, s = 0,57 мм/об, t = 3 мм
Диффузионные процессы, происходящие на контактных поверхностях, очень сложны. Оценку склонности к диффузионному износу инструмента из сплава TiC-NiTi при точении стали в сравнении со сплавом ТН-20 проводили по диффузионному тесту, результаты которого показывают что, в переходной зоне сталь - ТН-20 увеличивается содержание никеля, о чем свидетельствует четкий пик характеристического спектра никеля, но на глубине 3,5 мкм он исчезает. Характеристический спектр Ti пропадает на глубине 2,5 мкм. Характеристический спектр Fe практически реально различим на глубине 8,6 мкм. Снимок зоны контакта (рис. 3 а) показывает, что ярко выраженной переходной зоны нет, но поверхности стали и ТН-20 образуют прочный контакт.
Результаты исследования зоны контакта сталь - TiC-NiTi указывают на то, что характеристический спектр железа в сплаве практически отсутствует. Также нет характеристического спектра никеля в стали, Ti исчезает на глубине 1,5 мкм. Это свидетельствует о низкой склонности диффузии сплава TiC-NiTi к низколегированной стали. Снимок зоны контакта сплава TiC-NiTi со сталью показывает, что в отличие от сплава ТН-20 нет плотного контакта по всей поверхности соприкосновения (рис. 3, б).
Термостойкость твердого сплава показывает возможность его использования при прерывистой обработке, в процессе которой материал подвергается многократному нагреванию - охлаждению. В результате такого воздействия в инструментальном материале возникают термические трещины. Результаты испытаний показали, что наибольшее число циклов без
разрушения выдержали сплавы ТЮ-МТ и КНТ-16, наихудший результат показал сплав Т15К6 (рис. 6). Не на много более стоек сплав ТН-20. Иначе говоря наибольшей термоустойчивостью обладают сплавы КНТ-16 и ТЮ-МТ!
а) б)
Рис. 3. Зона контакта по диффузионному спаю: а) ТН-20-Сталь35; б) Т1С-МТ1
- Сталь35
Рис. 4. Результаты оценки термостойкости твердых сплавов по циклу нагревание- охлаждение до разрушения у четырехгранных пластин типа
БКиК
Интенсивность адгезионного изнашивания у сплава ТЮ-МТ меньше, чем у сплава ТН-20. К тому же связующая фаза в сплаве ТЮ-МТ1 -интерметаллическое соединение, которое не стремится, в отличие от никеля в
сплаве ТН-20, образовать соединение с железом обрабатываемого материала. Этот факт способствует тому, что адгезионное взаимодействие инструментального и обрабатываемого материалов снижается.
Результаты диффузионного теста свидетельствуют о малой склонности сплава ТЮ-МТ к взаимодействию с обрабатываемым материалом. Если глубина проникновения железа в сплав ТН-20 составляет 8,6 мкм, то в аналогичных условиях рефлексы железа в сплаве ТЮ-МТ не обнаруживаются.
Из выше сказанного следует, что сплав ТЮ-МТ обладает пониженной склонностью ко всем основным видам изнашивания, как при непрерывном, так и при прерывистом точении, что нашло свое отражение в результатах испытаний на склонность к адгезии, диффузии и термостойкости, определяющих механизм изнашивания твердого сплава.
© Т.В. Ларина, 2009
