CC BY
21
УДК 621.9.048.7:669.15’74
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ БОРИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ НА БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Р18 ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКЕ В ВАКУУМЕ
ДОРЖИЕВ А.Д., СМИРНЯГИНА Н.Н., *ГРЕШИЛОВ А.Д., СЕМЕНОВ А.П.
Отдел физических проблем Бурятского научного центра Сибирского отделения РАН, 670047, Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8 *Восточно-Сибирский государственный технологический университет,
670013, Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40в
АННОТАЦИЯ. Исследованы и обсуждены условия образования, структура и стойкостные свойства боридных слоев на поверхности режущих пластин из быстрорежущей стали Р18, сформированных при электроннолучевой обработке в вакууме.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: электронно-лучевое борирование; режущие пластины из быстрорежущей стали Р18, стойкостные испытания.
Долговечность и надежность деталей машин и механизмов во многом определяется свойствами поверхностного слоя, так как коррозия, износ, образование усталостных трещин начинается именно с поверхности.
В последнее время в инженерии поверхности все больше используют технологии обработки поверхности концентрированными потоками энергии (КПЭ), создаваемыми лазерным излучением, высокотемпературной плазмой, электронным и ионным пучками. Обработка КПЭ дает возможность целенаправленно изменять состояние поверхностного слоя деталей машин, инструмента и т.д. и, как следствие, улучшать их эксплуатационные свойства.
Одним из способов электронно-лучевой обработки (ЭЛО) является электронно-лучевая химико-термическая обработка (ЭЛХТО), заключающаяся в нагреве электронным пучком поверхности металла с нанесенной на нее насыщающей обмазкой. Изменяя состав насыщающей обмазки и параметры электронного пучка, можно получать различные свойства поверхности.
В настоящей работе исследована структура поверхностных слоев, полученных на инструментальной стали быстрорежущей Р18 в результате электронно-лучевого борирования.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Методика электронно-лучевого борирования. Насыщение поверхностных слоев металлов и сплавов бором проводят с целью повышения их поверхностной твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, жаропрочности и т.д. Борирование осуществляли путем обработки электронным пучком насыщающих обмазок на основе аморфного бора. Исследования проводили на образцах, изготовленных в форме режущих пластин размером 13x13 мм и толщиной 4 мм. Образцы готовили путем нанесения обмазки на предварительно подготовленную поверхность металла или сплава. Толщина обмазки была одинакова, не превышала 1 мм. В состав обмазки входили 1:1 по объему бор аморфный (с содержанием основного компонента не менее 95 мас. %) и органическое связующее - (раствор 1:10 клея БФ-6 в ацетоне). Обработку образцов проводили в течение 2-5 минут при мощности электронного пучка 150-300 Вт. Остаточное давления в вакуумной камере не превышало 2-10-3 Па.
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИИ БОРИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ НА БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Р18 _________________ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКЕ В ВАКУУМЕ______________________
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Рентгенофазовый анализ проведен на рентгеновском автодифрактометре D8 Advance фирмы Bruker (Cu Ka 1 -излучение). Для идентификации различных фаз использовали банк данных, прилагаемый к дифрактометру D8 Advance фирмы Bruker, который комплектуется банком международного центра порошковых дифрактограмм ICDD PDF-2 Data Base Card для идентификации различных фаз.
Микротвердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3. Нагрузка на алмазную пирамиду составляла 50 и 100 г.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Металлографическим анализом установлено, что структура поверхностных слоев, полученных в результате электронно-лучевого борирования, на быстрорежущих сталях отличается от структуры слоев на стали 45 (рис. 1 и 2).
Боридный слой, полученный на стали 45, состоит из округлых включений, располагающихся на поверхности слоя, и
эвтектики. Округлые включения являются
первичными кристаллами боридов, что соответствует энтропийному критерию устойчивости кристаллов ограниченной формы при кристаллизации в условиях, приближенных к равновесным. Согласно этому критерию, если значение энтропии плавления AS < 8,35 Дж/(моль-К), кристаллы имеют округлую форму [2]. Установленная в работе [3] для боридов железа Fe2B энтропия плавления AS = 8,35 Дж/(моль-К). В свою очередь, округлая форма боридов определяет такую же форму эвтектики.
При электроннолучевом борировании стали Р18 с плотностью мощности электронного пучка J = 2,8-104 Вт/см2 слой образовывался в результате глубокого
проплавления, что определило его строение. Из рис. 2, а видно, что при направленной
кристаллизации главная ось линейчатых дендритов ориентирована в направлении отвода тепла. Строение дендритов (цепочка отдельных глобулей) говорит о прерывистом характере их образования. При плотности мощности электронного пучка J = 2,5^104 Вт/см2 слой состоит преимущественно из звездчатых дендритов (рис. 2, б). При уменьшении плотности мощности до пучка J = 2,2-104 Вт/см2 поверхностный слой также содержит звездчатые дендриты, однако их количество не является доминирующем (рис. 2, в, г). Микротвердость слоя составляет 1100-1860 кг/мм2. Толщина слоя 25-100 мкм.
Полученные результаты электронно-лучевого борирования были использованы для обработки сменных пластин, изготовленных из быстрорежущей стали Р18. Электроннолучевое борирование проводилось по технологии, описанной выше. Отличие заключалось в выборе температуры обработки. Все пластины предварительно были подвергнуты стандартной термообработке: закалке (Т = 1280 °С для стали Р18) и трехкратному отпуску (Т = 560 °С для Р18). Поэтому с целью предотвращения разупорядочения стали, параметры электронно-лучевого нагрева (мощность электронного пучка и время обработки) выбирались таким образом, чтобы температура нагрева режущих пластин не превышала 550-600 °С. Окончательный контроль осуществляли измерением твердости по Роквеллу вблизи обрабатываемой поверхности.
Рис. 1. Структура поверхностного слоя на стали 45 после электронно-лучевого борирования, х500
Рис. 2. Структура поверхностного слоя на стали Р18 после электроннолучевого борирования, х500
После обработки электронным пучком режущих пластин, с нанесенными на них боросодержащих обмазок, на поверхности образуется слой, толщиной 8-10 мкм (рис. 3). Полученный слой имеет указанную толщину практически по всей своей длине.
Рис. 3. Микроструктура резца из стали Р18 после электронно-лучевой обработки
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ БОРИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ НА БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Р18 __________________ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКЕ В ВАКУУМЕ_________________________
При увеличении х500 видно, что в слое присутствуют частицы, которые располагаются не только внутри слоя, но и на границе слой - основа. Это позволяет сделать вывод о том, что эти частицы являются карбидами легирующих элементов (вольфрама, хрома, молибдена и ванадия). Слой прочно удерживается на металлической основе. Микротвердость слоя несколько выше микротвердости основы и составляет 550 НУ и 410 НУ, соответственно.
Для оценки трибологических свойств полученного слоя проводились стойкостные испытания резцов. Испытания проводили на токарно-винторезном станке 1А616 на следующих режимах: подача - 0,1 мм/об, частота вращения - 224 об/мин, глубина резания -1,0 мм. Обрабатываемый материал - стали 45 и 12Х18Н10Т. Износ резцов определяли по задней поверхности с помощью лупы Бринеля. Геометрические параметры резцов: передний угол у = 15°, главный задний угол а= 8°, главный угол в плане (р= 45°. За критерий стойкости резцов принято время достижения предельного износа по задней поверхности равного 0,6 мм.
Результаты испытаний приведены на рис. 4. Из рисунка видно, что образование боридного слоя толщиной 8-10 мкм на передней поверхности, позволяет увеличить стойкость резцов почти в 1,5 раза (для обрабатываемой стали 12Х18Н10Т).
Стойкость Т, мин
—■— Р18 зак (сталь 12Х18Н10Т) -Д-Р18 ЭЛБ (сталь 12Х18Н10Т)
-А-Р18 ХТО (сталь 45) —•— Р18 зак. (сталь 45)
Рис. 4. Кинетика износа резцов из стали Р18
Более значительное повышение стойкости резцов связано с увеличением толщины боридного слоя. При электронно-лучевом борировании толщина борированного слоя может достигать 300 мкм, однако температура обработки при этом составляет 1100-1200 °С. Время обработки 2-3 мин. Исходя из этого, электронно-лучевое борирование может быть рекомендовано не как заключительная, а как промежуточная операция обработки режущего инструмента, например, перед закалкой. Необходимо отметить, что для получения аналогичного по толщине слоя при традиционном борировании (например, при борировании в герметичных контейнерах с плавким затвором) требуется не менее 3 часов [4].
Исследование стойкостных свойств режущих пластин из углеродистой стали У8А наглядно демонстрирует влияние толщины боридного слоя на ее износостойкость. Режимы резания: V = 20 м/мин, S = 0,1 мм/об, глубина резания 0,4 мм. Обрабатываемый материал -сталь 45, закаленная от 850 °С [5].
На рис. 5 представлены результаты стойкостных испытаний режущих пластин из стали У8А. Из рисунка видно, что образование боридного слоя толщиной 100-150 мкм на передней поверхности, позволяет увеличить стойкость резцов почти в 2 раза.
Время испытаний, мин
1 - термообработка; 2 - электроннолучевое борировании;, 3 - традиционное борирование Рис. 5. Кинетика износа резцов из стали У8А
ВЫВОДЫ
Структура поверхностных слоев, полученных на быстрорежущей стали Р18 в результате электроннолучевого борирования, отличается от структуры слоев, полученных на стали 45.
Строение и толщина слоя определяется параметрами электроннолучевого нагрева.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ, грант 10-08-00918а.
Материалы статьи обсуждались на научной конференции «Байкальские чтения: наноструктурированные системы и актуальные проблемы механики сплошной среды (теория и эксперимент)» (г. Улан-Удэ, 19-22 июля 2010 г.) и рекомендованы к публикации в журнале «Химическая физика и мезоскопия».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сизов И.Г., Смирнягина Н.Н., Семёнов А.П. Особенности электронно-лучевого борирования сталей // МиТОМ. 1999. №12. С.8-11.
2. Таран Ю.Н., Мазур В.И. Структура эвтектических сплавов. М. : Металлургия, 1978. 312 с.
3. Тавадзе Ф.Н., Горибашвили В.И., Накаидзе Ш.Г. Форма растущих кристаллов первичных фаз в эвтектических сплавах систем Fe-Fe2B и №-№3В // МиТОМ. 1983. №1. С.2-3.
4. Химико-термическая обработка металлов и сплавов : справочник / под ред. Л.С. Ляховича. М. : Металлургия, 1981. 424 с.
5. Марочник сталей и сплавов : справочник / под ред. В.Г. Сорокина. М. : Машиностроение, 1989. 640 с.
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ БОРИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ НА БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Р18 ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКЕ В ВАКУУМЕ
FORMATION FEATURES OF NANOCOMPOSITE STRENGTHENING LAYERS ON FAST-CUTTING STEEL F18 AT ELECTRON BEAM PROCESSING IN VACUUM
Dorzhiev A.D., Smirnjagina N.N., *Greshilov A.D., Semenov A.P.
Department of Physical Problems of Buryat Scientific Centre, Siberian Department of RAS, Ulan-Ude, Russia *East Siberian state technological university, Ulan-Ude, Russia
SUMMARY. In the report results of formation conditions, structure and properties of the layers received on tool fast-cutting steel R18 at electron beam boriding are resulted.
KEYWORDS: electron beam boriding, cutting plates from high speed steels R18, strengths test.
Доржиев Алексей Дмитриевич, аспирант Отдела физических проблем БНЦ СО РАН
Смирнягина Наталья Назаровна, доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории электрофизики ОФП БНЦ СО РАН
Грешилов Анатолий Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент, декан машиностроительного факультета ВС ГТУ, тел. (3012) 41-05-35
Семенов Александр Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий ОФП БНЦ СО РАН, заместитель председателя Президиума БНЦ СО РАН по научной работе, тел. (3012)43-33-24, е-mail: semenov@pres.bscnet.ru
