CC BY
4
УДК 669.15:621.793 Астрант О.В. Биюус1 - УкрДЛТУ
ПЕРСПЕКТИВНЮТЬ ЗАСТОСУВАННЯ СУЧАСНИХ ТЕХНОЛОГШ
ДЛЯ ЗМ1ЦНЕННЯ ДЕРЕВОР13АЛЬНОГО 1НСТРУМЕНТУ
Розглядаються особливоcri шдвшцення CTîfiKOCTi дереиорпального шструменту шляхом комплексного електроюкрового легування i лазерио'1 обробки (Е1Л+ОКГ). Наведено структуру комплексного покриття, наявшсть xîmikhiix елемент>в у поверхневому ша-pi за результатами рентгенофазового аншпзу.
Doctorate О. V. Bilous - USUFWT
The perspective of application of modern technologies for strengthening the
woodcutting instrument
The study considers the peculiarities of increasing the steadiness of the woodcutting instrument by dint of complex electric-sparking treatment and laser processing. Exposed a structure of complex coverage, distribution of chemical elements in the upper layer and results of roentgen-phase analysis.
Сучасна деревообробна промислов!сть характеризуешься подальшим знач-ним зростанням швидкостей р1зання, гндвищенням вартост1 ¡нструменту, що при-зводить до збшьшення витрачання коптив на одиницю випущеноУ продукцп i де-фщитних MaTepianiB. У зв'язку з цим особливоУ гостроти набуло питания пщви-щення фпнко-мехашчиих властивостей ¡нструменту, насамперед, його твердости
ЗНОСОСТШКОСП, ТеПЛОСТ1НКОСт! i MÎUHOCTi.
Перспективним напрямом тдвищення знососгпйкосгп ¡нструментальних матер!ал!в е нанесения зносостшких покрить. Одним з ефективних методш нанесения зносостшких покрить е електроюкрове легування (EIJI). Основш переваги uieï технологи полягають у можливосп переносу на оброблювану поверхню будь-яких струмопровадних матер1ал!в, у високш мщносп, адгеза змщненого шару з основою, локальному нанесенш покрить без noMiTHo'i деформаци деталей, вщсут-HOCTi названия всього об'ему деталь
Однак подальше застосування El Л стримуеться рядом фaктopiв. Серед них - вщносно невисока продуктившсть процесу, мала товщина електроюкрових покрить електроюкрових покрить (Е1П), його значна шорстмсть. Обмежено викори-стання електродних MaTepianiB тугоплавких дефщитних сполук на ochobî карбадв вольфраму (тверд1 сплави груп ВК i ТК), осмльки вони характеризуются висо-кою крихк1стю i низьким коефвдентом переносу металу. Тому активно ведуться пошуки щодо створення безвольфрамових електродних матер1ал!в.
В ряд! дослщжень, виконаних у Ф1зико-мехашчному ¡нституп (ФМ1) НАН УкраУни |1, 2] i в УкрДЛТУ |3, 4| показано, що для вдосконалення технологи EIJ1 використовуються дешевил електродш материи на ochobî системи Fe-Mn-C-B з евтектичною структурою. Це дозволяе отримувати покриття з аналопчнимн, або кращими властивостями портняно з сершними твердосплавними електродами.
Дослщження, виконаш в 1нститут! проблем матер1алознавства (1ПМ) НАН УкраУни [5, 6], шдтверджують дошльшсть застосування подалыиоУ шсля EIJT ла-зерноУобробки (ОКГ) для покращення фпико-мехашчних властивостей зм1цнено-го поверхневого шару металу.
1 Наук. кер!вник: проф. В.М. Голубень, д-р техн. наук - УкрДЛТУ_
142 Чб1рннк н:1> кон о-1 схн ¡4 л п\ нраць
Науковий вкник, 2002, вип. 12.3
Однак бшышсть таких досгпджень проведено для металор1зального ¡н-струменту. Результата Ух не можуть бути адекватно перенесет на процеси рЬання деревини, яка е складным композицшннм матер1алом. Нсдослщженими залиша-ються питания впливу комплексного Е1Л евтектичннм електроднпм матер1алом спстемп Ре-Мп-С-В 1 подальшоУ обробки ОКГ на полшшення техшчних характеристик змщненого поверхневого шару деревор1зального ¡нструменту, на його зно-состшк1сть 1 ефективнють процесу р1зання дсревинних матер1ал1в.
Виходячп з1 сказаного вище, доошдження були присвячеш розробш техно-лопчних засад нанесення нових зносостшких комплексних (Е1Л+ОКГ) покрить з внкористанням евтектпчних електродних сплав1в. Базовою системою булаобрана система Ие - Мп - С - В. Оскшьки для отримання такого сплаву основними компонентами с СЧ - 20, В203, Ие Мп, РеСг, РеБ! та шип, тому у склад! евтектичного електроду завжди мютяться шюдлив1 домшки: арка, фосфор, кисснь, азот, во-день. Ц1 приховат домшки рвко знижують комплекс ф1зико-мехашчних власти-востей, тому що вони розмщуються по границях зерен, а це робить матер1ал кри-хким, менш пластичним. Отже, пщвищити комплекс ф1зико-мехашчних властиво-стей електродного матер1алу, а з ним 1 службов! власти восп р1жучого ¡нструменту можна шляхом введения в його склад нового елементу, який би мав велике спорн дненпя до фосфору, арки, кисню та шших компонентш 1 забезпечив бп очищения границь зерен вщ цих шкщпивих дом1шок.
Анал1з л1тературних даних показуе, що одним з найбгльш ефективних еле-мент!в у такт рол1 може виступати лтй. Введения у сплав лтю пщвищуе меха-шчш властивосгп \ корозшну стшкють, зокрема пщвищуеться межа текучосп I мь цносп, твердосп, покращуеться обробка р1занням. Лтй у сталях та сплавах, ма-ючи високу спорщнешсть до кисню, арки, азоту та фосфору, вживаеться для де-газацп, а також для зв'язування арки та фосфору. Введения лтю пщсилюе зага-льиу десульфурацно сплаву, ущшьнюе структуру поблизу зерен, очищуе вщ фосфору та оксидних видшень, що у сукупносп пщвищуе зносостшкють.
Таким чином, зроблено припущення, що вщомий 1 використаний нами у попередшх дослщжениях евтектичний сплав системи Ре-Мп-С-В-5ьСг для пщ-вищення стшкост1 резального ¡нструменту, при легуванш його лгпем, може дати додатковий позитивний ефект щодо спйкосп дереворЬального ¡нструменту.
3 лпературних даних, з анал1зу д1аграм стану |7] можна зробити висновок, що з основними компонентами, ям утворюють евтектичний матер1ал системи РеВ -Мп -С-ЗиСг, лтй практично не взаемодк, чого не можна сказати про шюдпив1 домшки, ям утворюються у цьому сплав1 при його синтезк Так, при взаемод1Тль тш з аркою утворюеться сульфщ лтю (и2Б) при температур! плавления 975 °С. Фосфор з лтем утворюе два фосфща ЫР \ У3Р, при чому У3Р мае гексагональну гратку типу МзАб (а=4,273А, с=7,594А). Лтй добре взаемодк з киснем, утворю-ючи оксиди Ы02 мае гранецентровану кубтну гратку типу СаР2 (а=4,602А). ЬьО; мае тетрагональну гратку (а=5,49А, с=7,7бА).
Тому був розроблений склад евтектичного матер1алу ¡з системи Ре-Мп-С-В-81-Сг, до якоУ добавили лтй у певшй юлькосп \ провели оптим1защю цього сплаву по зносостшкосп для випадку комплексноУ обробки (Е1Л+ОКГ). Результаты оптим1зацп складу по ¡нтснсивносп зношування показали оптимальный вмют легуючих елеметтв 1 граничне сшввщношення бору до лтю, як 3:1.
3. Тсхноло! ¡я тя устаткуваиия лерсвообробннх пйллригмс! в ] 43
Бшарш покриття, нанесен] на стал! У8 \ Р6М5 з використанням розробле-ного електродного матер1алу, волод!Ють кращими триботехшчними властивостя-ми пор1вняно з в1Домим сплавом системи Ре-Мп-С-В-БьСг. Склад нового евтек-тичного сплаву захищено Декларащйним патентом УкраТни на винахщ [8|. 3 вра-хуванням цього сплаву розроблена технолопя виготовлення електродних матер1а-л1в для електроюкрового легування.
Розроблена також технолопя нанесения зносостшких покритпв комплекс-ним електроюкровим легуванням та лазерного обробкою, яка включае у себе: пщ-готовку детал'|, нанесения електро1скрового покриття, пщготовку детал1 для обро-бки ОКГ, обробку ОКГ покриття шсля Е1Л, контроль якост1 отриманого комплексного бшарного покриття.
Дослщжено структуру та окрем1 фпико-мехашчш властивосп електродного евтектичного сплаву 1 комплексного покриття. Загальний вигляд структуры електроккрового покриття (рис. 1), нанесеного електроюкровим легуванням, за-свщчуе наявнють ерозшних ямок, як1 утворюються пщ д!ею на металооснову оди-ничних розряд1в. 1х форма запежить вщ д!аметру електроду 1 кута його нахилу до площини основи. Д1аметр ямок становив 0,5—0,8 мм, глибина проникнення в основу 80-120 мкм, ширина зони терм!чного впливу (ЗТВ) 70-100 мкм. У межах ЗТВ спостер1гаеться подр1бнення зерна пщ Д1ею ¡скрового розряду. Цим же, а також мимовшьним викддом матер¡алу за меж1 ямки, пояснюеться наявшеть м!кротр1щин на дш ямки 1IX надто нер1вном1рний м1крорельсф. Загальний вигляд електро¡скрового покриття шсля обробки лазером заевщчуе чггку щшьникову структуру поверхш, яка утворюеться у результат! ¡мпульсноУ да лазерного впливу (рис. 2).
При дп лазерного ¡мпульсу вщбуваеться локальне плавления дшянки покриття. У результат! термокапшярно'У конвекщУ, яка виникае внаслщок нер!вном1р-ност1 розпод1лу температуры на поверхш ванни розплаву, та впливу тиску вщдач1 потоку плазми вщбуваеться перенесения легуючоУ речовини в об'ем ванни. Шсля обробки ОКГ у покриттях зникають пори I м!кротр1щини, що позитивно впливае на експлуатацшш власти восп покритпв. На рис. 3 показано границю перекриття.
Видно др1бн1 пори розмфом 2—5 мкм, як1 малы мюце на покритп шсля Е1Л. Пщ впливом лазерного »мпульсу ! тиску ударноУ хвшп вони виткняються до меж плями, газ з деякоУ частини пор виходить на поверхню ! сприяе утворенню крате-р1в. Металограф1чш дослщження стал1 У8 1 Р6М5 з нанесеними покриттями евщ-чать, що на поверхш утворюеться шар др1бнозернистоУ структури, який форму-еться з рщкого стану ! при дП' на нього травниюв його структура не виявляеться.
{44 Зб1рник науково-технгшнх ираць
Рис. 1. Загальний вигляд елекро¡скривого покриття, нанесеного ЕШ (х 70)
Рис. 2. Загальний вигляд електроккрового покриття теля обробки ОКГ (х 70)
Науковий вкиик. 2002, вип. 12.3
На поверхш дослщжуваних сталей дютаемо "бший шар" певноУ товщини 1 твердо-сп [9]. У загальному комплексне покриття на сташ (рис. 4) представляе собою др1бноголковий мартенсит з невеликою кшьюстю залишкового аустешту 1 чисе-льних карбщв.
Рис. 3. Макроструктура гранищ перекриття теля ОКГ (х 450)
У даному випадку покриття теля Е1Л обробляли лазером з1 щшьшетю по-тужносп 1,5 Дж/мм2. Оброблена поверхня складасться з оплавлених дшянок, кра-терт. Це пов'язано з неоднорщним ступенем оплавления покриття та д!ею ударноУ хвши генерованоУ плазми.
У бшарному покритп дшянки високоУ твердосп (12000-13000 МПа) ме-жують з зонами меншоУ твердости (10000-11000 МПа). Д1лянки високоУ твердое^ видшяються свалим кольором внаслщок меншого протравления на Ырому фош оплавленого шару, який бьльше протравлюеться травниками.
| "о,- .
те"'
Т мст;и100см0иа (сталь Р6М5)
Рис. 4. Шкроструктура комплексного покриття (Е1Л+ ОКГ) (х 1000): 1 - покриття теля Е1Л; 2 - покриття теля Е1Л+ОКГ
Дифрактограма зразка з1 стал1 Р6М5 шеля Е1Л з застосуванням описаного вище електродного матер1алу характеризусться наявшетю в1дбитк1в вщ таких фаз: а- Ре, у - Ие, Ре3(В,С), Ре2В, Ре3(81, В). Лазерна обробка покриття призводить до зменшення вмюту аустешту 1 появи на дифрактограм! тюв вщ Рез04. Рееструють-ся також слабм розмит1 пжи цементиту шеля зняття поверхневого шару покриття, шки вказаного оксиду не рееструються. На дифрактограмах иипфованих зразюв
3. Технология та устагкування деревообробних пщлрисмств 145
спостер1гаються три фазов! складов!: альфа- та гамма - Fe i Fej(B, С). Причому Ki-льк!сть аустешту становить ~ 5 %.
1з основных ф1зико - мехатчних властивостей визначали: товщину покрит-тя, яка становить 50-60 мкм, мжротвердють «12800 МПа, шорстюсть noeepxni 2,5—2,8 мкм. Завершальним етапом дослщжень була перев1рка зносостшкост! роз-робленого покриття при точшш деревини в умовах роботи верстатного обладнан-ня [10].
Проведено точшня деревини дуба рпцем на токарно-гвинтоворпному вер-стат! 1К62 при pi3Hnx швидкостях, р1зних глибинах р1зання i pi3Hnx подачах. Шлях р1зання як i початковий диаметр деревини у Bcix випадках випробувань були однаковими i становили вщповщно 36000 м i 150 мм. Визначено основш законо-MipHOCTi змти величини сили р1зання та ¡нтенсивносгп зношення рпця ¡з стал! Р6М5 та з комплексним покриттям на основ! системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Li вщ швидкост1 р1зання, глибини рЬання i подачк Пщтверджено вищу зносостшюсть i зменшення сили р1зання комплексного покриття на ochobi системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr-Li пор1вняно з аналопчним покриттям системи Fe-Mn-C-B-Si-Cr вщповщно у 1,5 рази i на 10 %, а пор1вняно ¡з сталлю Р6М5 без покриття вщповщно у 5 pa3iB i на 15 %.
JliTepaTypa
l.IIauic'iKO M.II., Голубец B.M., Чернец И.В. Формирование и феикционная стойкость эвтектических покрытий. - К.: I !аук. думка, 1993. -344 с.
2. Голубец В.М., Пашечко М.И. Приншты создания и особенности формирования эвтектических покрытий из жидкой фазы// ФХММ. - 1984, №6. - С. 25-29.
3. Вили в виду нанесеного покриття па гриботехшчш властивосп р1жучого ¡нсгрументу / О.В., Голубець В.М., Юга О.Й., Гасш О.Б.// Науковий Bicnnx: Проблеми деревообробкн на рубелю XXI столптя: наука, оевгга, технологи. - Льв1в: Престиж, шформ. - 1999, вин. 9.5. -С. 239-245.
4. Голубец В.М., Билоус A.B. Импульсное упрочнение быстрорежущей стали и его роль у триботехнических процессах пары "сталь - древесина"// XIII Konferencja Naukovva Wydzialu Technologii Drewna SGGW Drewno — Material о wszechstronnym przeznaczeniu i zastosowaniu. Warszawa, 16-18 Listopada, 1999.-C. 345-352.
5. Паустовский A.B., Ботвинко B.II. Влияние импульсного лазерного излучения на структуру н свойства ГИЛ-покрытий из сплавов тина ВК и ТК// Порошковая металлургия. - 1991, №2. - С. 55-57.
6. Структура электроискровых покрытий состава TiN-Ni после лазерной обработки / Паустовский A.B., Мельникова В.А., Егоров Ф.Ф., Новикова В.И.// Порошковая металлургия. - 1994, №7/8. - С. 77-82.
7. Эллиот P.II. Структуры двойных сплавов - М.: Металлургия, 1970. - 642 с.
8. Евтектичний сплав на ocHoei зал!за для нанесения покритпв: Декларашйний патент на винахщ 39481 А. Укра1на, МКИ С22С38/32 / Голубець В.М., Гасш О.В., Юга О.Й., О.В. -№2000095163; Заявлено 05.09.2000; Опубл. 15.06.2001, Бюл. №5. -2 с.
9. Голубець В.М., О.В. Розробка нового евтектичного електродного сплаву для нанесения знососгшких покритв на р1жучин шегрумент комплексним електрогскроним ле1уванням i лазе-рною обробкою// Проблеми трибологп. - 2001, №2. - С. 56-61.
10. Вплнв режнм1в^гзання на стншсть шетрументу при точ1шц деревини / О.В., Голубець В.М., Гасш ОБ., Юга О.И.// Науковий вкиик.-Льв!в: УкрДЛТУ. - 2000, №11.1.-С. 88-89.
{46 $6i|>nnK наукоьо-техшчних ираць
