CC BY
18ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Р - усилие выглаживания (80 - 160 Н);
Ra„cx - исходная шеэоховатость поверхности (0,5 - 2,5 мкм);
Гв - радиус выглаживателя (2,5 мм);
Получение подобных зависимостей для других методов обработки в настоящее время достаточно перспективно и важно
Литература
1. Герасимов В.В. Прогнозирование коррозии металлов. - М.: Металлургия, 1989. 2. Защита от коррозии, старения и биоповреждения машин, оборудования и сооружений: Справочник. В 2 т. Т. 1 / Под ред. A.A. Герасименко. - М.: Машиностроение, 1987. 3. Исаев Н.И. Теория коррозион-
ных процессов. М.: Металлургия, 1997. '4. Федонин О.Н. Технологическсе обеспечение коррозионной стойкости деталей машин Ч Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века / Сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. в г. Севастополе 10-16 сентября 2001 г. В 3 т. - Донецк: Дон-ГТУ, 2001, Т. 2. - С. 267 - 272. 5. Федонин О.Н. Инженерия поверхности детали с позиции ее коррозионной стойкости // Инженерия поверхности. Машиностроение. Справочник. Инженерный журнал. Приложение № 10, 2001. - С. 2 - 5. 6. Федонин О.Н. l/нженерия поверхности детали с позиции накопленной внутренней энергии // Инженерия поверхности. Машиностроение. Справочник. Инженерный журнал. Приложение № 8, 2002. - С. 23 - 24. 7. Качество машин: Справочник. В 2 т. Т. 1 / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун, H.A. Вит-кевич и др. - М.: Машиностроение, 1995.
Применение электронно лучевой обработки для упрочнения режущего инструмента из быстрорежущих сталей
А. Н. ТАРАСОВ, с.н.с., канд. техн. наук, член-корр. Российской Академии космических исследований, В. Н. ТИЛИПАЛОВ, профессор, доктор техн. наук, КГТУ, П. Р. ШЕВЧЕНКО, инженер, ОКБ «Факел», г. Калининград
Применение ионного нагрева высокоэнергетическими источниками - лазерным, электронным лучом и плазмой после проведения объёмной термической обработки является эффективным способом упрочнения и повышения эксплуатационных характеристик конструкционных деталей и инструмента из сталей различных классов [1-3,5]. Перспективным направлением является также проведение аналогичных прогрессивных способов нагрева легированных сталей поппе проведения предварительной химико-терми-ческой обработки карбонитриэованием или нитроцемен-тации по различным технологическим схемам [2, 4, 6-7].
В ОКБ «Факел» на базе накопленного в последнее время опыта химико-термической обработки специального тонколезвийного инструмента для резания прецизионных сплавов, керамик и композитов [6-9] проведены совместно с КГТУ, в рамках конверсионных программ, исследованы и разработаны новые технологии повышения износостойкости инструмента из быстрорежущих сталей с ис-
пользованием электронно-лучевого нагрева.
При проведении исследований и производственных испытаний использованы прутки из сталей Р6М5 и Р12 серийного производства по ГОСТ 19265-73 с карбидной неоднородностью не выше 2 балла, диаметр прутков 24-30 мм. Образцы для металлографии, измерения микротвердости, рентгеноструктурного анализа и механических испытаний изготавливались и обрабатывались одновременно с опытными партиями тонколезвийного режущего инструмента - расточных, седельных, и канавочных резцов с круглыми державками диаметром 16-18 мм и квадратными 14x14x120 мм. В табл. 1 приведены режимы объёмной закалки резцов и образцов с одновременной нитроцементацией в процессе нагрева для закалки в активированных древесноугольных смесях с азотоуглеродо-содержащими компонентами [8-9].
Для нагрева при закалке с одновременной нитроцементацией были использованы малоэнергоёмкие печи
Таблица 1
Вид инструмента, Условия нитроцементации в процессе нагрева для закалки Режим отпуска
сталь Состав среды ТН,°С Выдерж- Охлажде- Тотгь Время,
ка, ние °С ч
мин
Резцы расточные Уголь 960- Масло 220- 3,0-
левые и правые древесный 970 120-180 веретенное, 240 4,0
из стали Р12 активированныи
Резцы - 90%, 950- машинное 240- 1,5-
канавочные и карбамид и 960 120-150 20-70°С 250 2,0
седельные из трилон-Б по 5 %
Р6М5 каждого
СНОЛ-1,6.2,5.-10И2 и СНОЗ.6.4/9,5. Упаковка в древесноуголь-ные смеси с добавкой активаторов проводилась по схеме «контейнер в контейнере» (патент 2003107315, 8.06.2004). Резцы устанавливали на этажерочные приспособления, позволяющие переносить садку для охлаждения в масле, извлекая все детали и образцы из карбюризатора одновременно, путём переносом через воздух в охлаждающую среду. Отпуск проводили в электрошкафах СНОЛ-3.3.3/3,5 в вохдушной атмосфере. Электронно-лучевую обработку с оплавлением поверхностного слоя по режущим граням и кромкам осуществляли на установке ЭЛУ-5 в непрерывно-последовательном режиме при ускоряющем напряжении 60 кВ, силе тока до 10 мА и диаметре пучка 1-1,3 мм. Скорость перемещения инструмента по упрочняемым ЭЛУ оплавлением кромкам изменялась от 2,5 до 3,0 мм/мин. Фокусное расстояние составляло 150-190 мм, а скорость охлаждения в вакууме 5x10 3 Па от температур оплавления достигала 1200-1400*С/с.
В табл.2 приведены результаты измерения микротвердости и характеристика карбидов в поверхностной и переходной зонах ЭЛУ оплавления, на рис. 1 показана микроструктура сталей Р6М5 и Р12 после закалки с одновременной нитроцементацией перед электронно-лучевой обработкой.
Исследования микэоструктуры после объёмной закалки в активированных древесноугольных смесях показали, что на сталях Р6М5 и Р12 при температурах 940-960°С за 120-180 минут формируются карбидные слои толщиной 0,2-0,4 мм. Содержание углерода в диффузионных слоях
Таблица 2
Рис. 1. Микроструктура резцов из быстрорежущих сталей после закалки с одновременной нитроцементацией при 960°С в течение 150 мин, охл. масло
а) сталь Р6М5, диффузионный слой, х500;
б) основной металл, Р12, х800
достигает 1,6-1,8 % при содержании карбидов до 55-58 %. Повышение скорости диффузии углерода и азота достигается вследствие активной диссоциации компонентов смеси по реакциям: карбамид
(NH2)2CO->CO+0,5N2+2H2 трилон-Б
(Ci0H8O,0)Na2N2-^9CO+N2+Na2O+2H2+CH4 Высокий науглероживающий потенциал атмосферы поддерживается за счёт атомарного углерода из древесного угля и углерода, поставляемого окисью углерода. При этом в присутствии атомарного азота ускоряется образование в диффузионной зоне карбидов типа М7С3 и М23С6, содержащих хром и железо.
Одновременно в основном металле при выдержке в
Сталь, режимы упрочнения Вид и глубина зоны оплавления Твердость зак/отп, HRC3XX) Микротвердость в зоне ЭЛУ оплавления Но,5Н Тип карбидов
Ядро Карбиды, дендриты Переходная зона
Резцы и образцы из Р12, 960°С, 150 мин, масло, отп. 220°С, 3 ч, ЭЛУ оплавление 01,0 мм на длине 5 мм 5 лунок с перекрытием зон термического воздействия 30-40%, глубина переплава 0,5-0,6 мм 63-64 61-62 812-946 1080-1145 843-918 w6c VC (FeCr)7C3 Cr23C6
Резцы и образцы из Р6М5, 960°С, 120 минут, масло, отп.240°С 2 ч, ЭЛУ оплавление 1,2 мм на длине 3 мм 3 лунки, перекрытие 10-15%, глубина провара до 0,7мм по торцу режущей кромки 62-63 60-61 745-807 1095-1270 790-811 VC W6C (Fe, Cr)7C3 Cr23C6
х-состав смеси табл. 1, фокусное расстояние при ЭЛУ-опл. 180 мм; хх)-в числителе твердость поверхности, в знаменателе - основного металла.
261 Hi № 3 (24) 2004
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Рис. 2.
Внешний вид характера электронно-лучевого оплавления на плоской поверхности стали Р12 (а) и режущих кромках расточных резцов из стали Р6М5 (б) по карбидному слою, закалка с нитроцементацией 940°С, 180 мин., охл. масло, отпуск 220°С, 3 часа
Рис. 3. Макроструктура кратеров при ЭЛУ-оплавлении стали Р12 (а,б, :<50) и микроструктура в зоне ЭЛУ оплавления (в- сталь Р12. хЮОО, г - сталь Р6М5, хЮОО) при количестве карбидов в исходном состоянии 50-52 % вес. после закалки с нитроцементацией 960°С, 120 мин.
течение 120-180 мин. протекает более полное растворение в аустените мелких вторичных карбидов и легирующих элементов хрома, молибдена, вольфрама основы. Это позволяет при закалке достичь максимальной твердости как карбидного слоя, так и сердцевины. Ударная вязкость основы достигает 14-15 Дж/см2 в сравнении с 5-6 Дж/см2 при закалке сталей Р6М5, Р12 от температуры 1220°С с последующим отпуском при 560°С.
При проведении последующей электронно-лучевой обработки с оплавлением происходит образование на гладких поверхностях кратеров неправильной формы с перекрывающимися зонами термического влияния различной протяженности. Степень перекрытия зависит от диаметра пучка, подводимой мощности (рис. 2-а) и скорости сканирования. На острых заточенных кромках резцов наблюдается формирование зон избыточного расплава, переходящих в зогнутые кратерообразные зоны на передних режущих гранях (рис. 2-6). Микроструктура, характер и сте-
пень оплавления, форма карбидов и дендритов также изменяется в зависимости от исходного содержания карбидов и мощности ЭЛУ излучения (рис. 3). Вследствие дополнительного высокотемпературного воздействия электронным лучём, существенно повышается микротвердость мартенситной матрицы и легированного аустенита до Н05н=790-946 и карбидной фазы до Н0,5м= 1080-1270. Это обеспэчивает повышенную износостойкость при контактно-абразивном износе, при резании вязких, высокопрочных легированных сталей. В табл. 3 приведены сравнительные эксплуатационные характеристики инструмента из сталей Р6М5 и Р12 после комплексной обработки по различным режимам.
В процессе испытания резцов сложной конфигурации с нитроцементацией и электронно-лучевой обработки было установлено, что после алмазной доводки износостойкость при чистовом трении возросла в 1,8-2 раза в сравнении с обычной термической обработкой сталей Р6М5 и Р12с нагревом в хлорис~обариевых ваннах. При этом на радиусных и седельных резцах донная часть кратеров ЭЛУ оплавления определяла фактически передний угол резания, при глубине окончательной алмазной доводки 0,05-0,1 мм. Одновременно, несмотря на структуру ледебуритно-карбидного характера, наблюдаемую обычно в литьх быстрорежущих сталях, режущие кромки после ЭЛУ нагрева с точечным оплавлением были не склонны к преждевременному выкрашиванию и износ/. Это особенно важно при чистовом резании прецизионных вязких сплавов типа 29 НК, и нержавеющих сталей аустенитного и аустенитно-ферритного класса типа 12Х18Н10Т, 15Х18Н12С4ТЮ, а также улучшенных коррозионно-стойких сталей 14X17Н2 и 20X13 с твердостью НРСЭ=28-32.
Таким образом, на основании полученных результатов опытов и производственных испытаний, была установлена возможность и целесообразность обработки непрерывным электронным лучэм быстрорежущих сталей Р6М5, Р12 после их объемной закалки от температур нитроцементации в активированных древесноугольных смесях. Технология изготовления и упрочнения тонколезвийных резцов из названных быстрорежущих сталей должна предусматривать следующие основные операции:
- механическую обработку с формированием геометрии державки и режущей части резцов с припусками на доводку режущих граней 0,1-0,2 мм;
- объёмную закалку с одновременной нитроцементацией в герметичных контейнерах в смеси активированного древесного угля или отработанного карбюризатора с добавкой карбамида и трилона-Б, а также, возможно, соды и карбида бора при суммарном количестве добавок 10-12%. Тем-
Таблица 3
Инструмент, сталь, геометрия Термическая обработка Обрабатываемый материал Износостойкость, характер износаХ)
Расточные резцы левые из Р12, рабочая часть угол 60°, 1,5x2,5 мм, вылет 40 мм, 08мм, державка 024 мм Закалка с нитроцементацией 960°С, 120 мин, отп. 240°С, ЭЛУ 0П 0,8мм, по контуру Сталь ЭИ-654-15Х18Н12С4ТЮ, ав=850 МПа, Vp= 10-12 м/мин, s=0,05-0,1 мм/ об, t=0,6 мм 370 мин, ленточка износа 0,3 мм
280 мин, выкрашивание кромки
Резцы стальные, сталь Р6М5, радиус седла 0,8 мм, ширина рабочей части 6 мм, вылет 30 мм, державка 12x12 мм Закалка с нитроцементацией 950°С, 150 мин, отп. 250°С, ЭЛУ по седлу 0п=О,4 мм Сплав ковар 29НК, а=600 МПа, ур=10-15м/мин, s=0,10-0,15 мм/об, t=l,5 мм 420 мин, ленточка износа 0,2 мм
350 мин, ленточка 0,3 мм
х) - в числителе износостойкость нитроцементация и ЭЛУ оплавление, в знаменателе закалка от 1220°С и отпуск 560°С.
пература нагрева в пэеделах 950-970°С, время выдержки 120-180 мин., с закагкой в масле и последующим низким отпуском в течение 1,5-4,0 часов при температурах 220-250°С. Для отдельных видов резцов с удлиненным вылетом переходной части отпуск необходимо пэоводить при 270-320°С;
- абразивно-струйную обработку поверхностей подвергаемых электронно-лучевой обработке мелкодисперсным карбидом кремния фракций 40-80 мкм для создания равномерной шероховатости;
- электронно-лучевую обработку поверхности оплавление по контуру режущих кромок непрерывным электронным пучком и доводк/ алмазными кругами из синтетических алмазов.
В процессе исследований и испытаний было установлено, что режущий инструмент из сталей Р6М5 и Р12 эффективен также для резания менее высокопрочных сталей магни-томягких 16Х-ВИ и 10880 при изготовления деталей магнитных систем в приборных производствах и изготовлении электрических реактивных двигателей малой тяги. При этом резцы могут быть использованы вначале, непосредственно после закалки от температур нитроцементации, а затем повторно, после износа электронно-лучевой обработке по режущим кромкам с целью восстановления и дополнительного упрочнения. При этом осноЕные технологические операции остаются прежними, но после отпуска проводится тонкая доводка алмазными кругами для снятия микронного слоя поверхностного «внутреннего окисления» вместо абразивно-струй-ной обработки, если далее не следу61 ЭЛУ унричнение.
Разработанная технология комплексной химико-термической и электронно-лучевой обработки осуществима в условиях приборных производств, электронно-технических предприятий, молозатратна малоэнергоёмка и эффективна при упрочнении специального инструмент для обработки прецизионных деталей из высоколегированных сталей и сплавов.
Литература
1. Крапошин В. С. термическая обработка стали и сплавов с применением лазеэного луча и прочих гро-грессиЕных видов нагрева. Итоги науки и техники. Сер. МиТОМ/ВИНИТИ, 1987, №21, С. 144-206.
2. Тарасов А. Н., Томашевская В. В., Колина Т. П. плазменное и лазерное упрочнение режущего инструмента для обработки конструкционных керамик // Перспективные материалы., 2000., № 6., С.81-85.
3. Сафонов А. М. Основные направления эффективного использования лазерной техники для термической обработки сплавов // МиТОМ., 1997, № 7, С. 2-7.
4. Zenker R., Zenker U., Kombination Karbonitrieren // Laserstraneh(rten-ein neue Varianteder Randsichtw(rmebehandlung // Neue H(tte, 31 Jg., Hf 11, 1986, s.407-413.
5. Keitel S. Anwendungen des punktweisen Elektronenstahlubehandelns//ZIS-Mitteilungen, Hf. 31,1989, № 1, s. 75-83.
6. Тарасов А. H. Лазерная обработка порошковой быстрорежущей стали с предварительной вакуумной закалкой и химико-термической обработкой // МиТОМ., 2000. №2. С. 30-32.
7. Тарасов А. Н., Евсина Е. Н., Колина Т. П. Опыт эгек-тронно-лучевой, лазерной, плазменной обработки инструмента из высокохромистых сталей 4Х5МФС и 20X13 // Технология металлов, 2002., № 12 с. 27-32.
8. Пат. РФ № 2 205 892., Способ упрочнения режущего и формообразующего инструмента из теплостойких хромистых сталей., М. К. И. С 8/76., Б И № 16. 203 г. (авт. А. Н. Тарасов и др.)
9. Тарасов А. Н., Панфилов 3. А., Гончаренко в. Л. Термическая обработка тяжелонагруженного формообразующего инструмента из быстрорежущих сталей // Материалы XXIV Росс. Школы по науке и технологиям., г. Миасс, РАН 2004, С. 283-284.
28 № 3 (24)2004
«
