CC BY
9ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
"Повышение износостойкости поверхностей стальных деталей машин и инструментов формированием покрытий из твердого сплава
На механико-технологическом факультете Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) разработаны основы технологии упрочнения поверхностных слоев стальных деталей машин и инструментов покрытиями на основе порошковых смесей «карбид вольфрама - кобальт»..Придание поверхностям стальных изделий комплекса свойств вольфрамокобальтовых твердых сплавов без ухудшения физико-механических характеристик основы - задача, которая в полной мере остается нерешенной. В отличие от спекания твердых сплавов процесс формирования покрытия сопровождается ззаимодей-ствием частиц упрочняющей фазы покрытия (\Л/С) с основным металлом (Ре), что вызывает проблемы, связанные с физико-химической совместимостью компонентов покрытия и основного металла. Технологические режимы жидкофазного спекания покрытий на поверхности стальных изделий обеспечивают высокую диффузионную подвижность химических элементов вблизи поверхности раздела и приводит к растворению упрочняющего компонента покрытия, или к образованию химических соединений, отрицательно влияющих на механические свойства поверхностных слоев. Кроме того, различие в коэффициентах термического линейного расширения материала покрытия и основы приводит к образованию напряжений в зоне соединения (термомеханический аспект проблемы совместимости материала покрытия и основы). Существующие технологии формирования твердосплавных покрытий (детонационно-газового напыления, плазменного напыления, электроискровой наплавки) не в полной мере обеспечивают одновременное решение проблем физико-химической и термомеханической совместимости.
Результаты термодинамического анализа показывают, что в системе \Л/С - Ре возможно взаимодействие частиц WC покрытия и железа основного металла с образованием карбида (Ре,\Л06С (от Ре2\Л/4С до Ре4\Л/2С) при температурах 870 и 1125 К (рис. 1): 2Ре + 4\Л/С <-» ?е2М4С + ЗС; 4Ре + 2\Л/С Fe4\N2C + С. При охлаждении обе реакции протекают в обратном направлении с распадом карбидов Ре2\Л/4С, Ре4У\/2С и образованием WC и Ре при наличии в зине реакции диы а точного количества углерода.
Экспериментально доказано, что в процессе спекания вольфрамокобальтовой порошковой смеси при температурах выше 870 К имеет место взаимодействие У\/С покрытия и Ре основы с образованием сложного карбида Ре3\Л/3С и углерода. Диффузия углерода из покрытия в основной металл приводит к обеднению зоны химического взаимодействия углеродом. Это способствует сохранению частиц сложных карбидов в переходном слое при охлаждении
22 N2 2 (27) 2005
В.Г.БУРОВ, профессор, канд. техн. наук, A.A. БАТАЕВ, профессор, доктор техн. наук, А.Г. ТЮРИН, ассистент, C.B. БУРОВ, ассистент, C.B. ВЕСЕЛОВ, магистрант, И.А. БАТАЕВ, студент, НГТУ, г. Новосибирск
AG, кДж/моль
80 40 0 -40 -80 -120 -160 -200
500 1000 1500 2000 Т, К
Рис. 1 Зависимость энергии ГибЬса реакций (1, 2) от температуры
материала до комнатных температур. Наличие частиц такого размера в переходном слое существенно снижает его твердость и отрицательно влияет на конструктивную прочность сформированных композиций.
Важный вывод, сделанный на основании термодинамического анализа и проведенных структурных исследований, заключается в том, что устранить процесс деградации частиц карбида вольфрама и образования карбидов Fe3W,C в переходном слое возможно посредством ограничения дисэфузии углерода из покрытия в основной металл. Проведены исследования по спе<анию покрытий на легированных сталях и на углеродистых сталях после химико-термической обработки. Наличие легирующих компонентов в материале основы позволяет снизить скорость диффузии углерода из формируемого покрытия. Химико-термическая обработка (цементация или борирование) является эффективной с позиций возможности управления фазовым составом поверхностного слоя и его структурой. Геометрия поверхностного слоя, состоящего из покрытия, переходной зоны и основы с измененной структурой, может регулироваться варьированием режимов химико-термической обработки и режимов жидкофазного спекания. Изменение температуры и времени борирования позволяет регулировать толщину переходной зоны, начиная от 20 до 200 мкм с условием полного решения проблемы физико-химической совместимости, то есть с обеспечением струн-
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
б
Pvc. 2 Фрактограмма излома композиции, полученной б результате спекания порошковой смеси ВК8 на борированчой стали 45 после закалки и отжига при 300 °С; а - покрытие вверху, б - переходная зона
туры спеченного твердого сплава в покрытии без образования сложных карбидов в поверхностном слое, резко снижающих его свойства.
Высокие температуры в процессе формирования покрытия приводят к росту зерна в основном металле и в пере-
ходном слое, что снижает физико-механические характеристики материала. Разработаны технологические приемы и режимы термической обработки издепий с покрытиями, позволяющие обеспечить высокие показатели конструктивной прочности взей композиции «основа - переходный слой - покрытие». На рис. 2 представлены фрактограммы излома образца, упрочненного твердосплавным покрытием и подвергнутого дополнительной термической обработке. На снимках четко видно, что переходный слой, который является наиболее ответственным за разрушение композиции, имеет достаточно энергоемкий характер разрушения.
Выводы
1. Эффективным методом воздействия на структуру твердосплавных покрытий, получаемых по технологии жид-кофазного спекания, является предварительное боририро-вание основного металла. Минимальная толщина переходного слоя, полученного между покрытием и сталью 45, после предварительного борирования при 900 °С, составляет 20 мкм. При этом микротвердость сформированных покрытий достигает 15000 МПа.
2. Выявлены зависимости структуры и свойств формируемых покрытий от параметров предварительного борирования основного металла. Установлено, что увеличение температуры предварительного борирования стали 45 от 850 до 1000 °С приводит к увеличению толщины переходного слон между мокры тем и основным металлом oi 25 до 150 мкм, повышению значений микротвердости покрытий от 11700 до 15500 МПа, относительной износостойкости покрытия от 4,9 до 7,6. Износостойкость формируемых покрытий в условиях трения о закрепленные частицы абразива составляет 80..90 % от износостойкости металло-керамического твердого сплава ВК20.
'Математическое описание процесса формообразования поверхностей при мнпгопроходной токарной обработке
на станках с ЧПУ
Главной целью анализа и математического моделирования процессов формирования точностных параметров деталей на станках с ЧПУ является разработка новых технологических и технических решений, с последующей оценкой их эффективности и оптимизацией.
При моделировании достаточно часто технологическую систему рассматривают как линейную динамическую (термин "динамическая" предполагает рассмотрение процессов, изменяющихся во времени). Текущее значение радиус-вектора обрабатываемой поверхности в цилиндрической системе координат (cp,z) после любого i - го прохода (рис.1) может быть представлено в виде выражения:
ra(9.z) = r0(9,z)-èAr1((pfz)i (1)
1=1
где r0((p,z) - исходный профиль заготовки с учетом погрешности ее установки в приспособлении станка;
И.А. НЕКРАСОВ, ст. преп., БТИ АлгпГТУ, г.Бийск, Е.Ю.ТАТАРКИН, профессор, доктор техн. наук, АлтГТУ им. И.И.Ползунова, г. Барнаул
п
£дГ|(ф,г) - суммарный съем материала за п проходов.
Начальное значение радиус- вектора заготовки с учетом погрешности установки в радиальном направление £у определяется по формуле:
г0 (ф,г) =фм(Ч>,г) + еу2 - 2г03 • еу • со8(ф-\№03), (2) где г03 (ф,г)- радиус - вектор детали после предшествующей операции технологического процесса; \Л/03 - угол между горизонтальной осью, проходящей через центр вращения заготовки на выполняемой операции, и отрезком, соединяющим данный центр с центром средней окружности поперечного сечения заготовки до установки ее в приспособление.
(Продолжение на 26 стр.) №2(27)2005 23
