CC BY
3UDC 629. 175
DEVELOPMENT OF BINDING BASED ON B-N-Al-TI SYSTEM COMPOUNDS FOR CREATING A COMPOSITE INSTRUMENTAL MATERIAL FOR A FINAL RAINING OF RAILWAY PARTS
Fayzibaev, SH.S.*, DSc, Professor Samborskaya, N.A., Researcher Urazbaev, T.T., Senior Lecture Nafasov, J.H., assistant 1, Temiryulchilar st., Tashkent, Uzbekistan *Tel. 998 (90) 174-11-12 *E-mail: sherzod_fayzibaev@mail.ru
Summary. Studying methods for producing new composite materials based on compounds of the B-N-Al-Ti system using high pressure (up to 5 GPa) and temperatures (up to 1800 K), studying their physical characteristics to create tool materials based on them. Studying the prospects for the further development of research and the practical use of the results.
Key words: materials, formation, pressure, sintering, crushing, powders, properties, microstructure УУК 629.175
B-N-TI-AL ТИЗИМИ БОШЦАРИШИДАН РИВОЖЛАНИШ ТЕМИРЁЗ ЦИСМЛАРИНИ ТОШЦА УРИШ УЧУН ТАРКИБИЙ ВОСИТАЛАРНИ ЯРАТИШ УЧУН ^УШИЛИШ
Файзибоев Ш.С.*, т.ф.д., профессор
Самборская Н.А., илмий ходим
Уразбаев Т.Т., катта укитувчи
Нафасов Ж.Х., ассистент
Тошкент давлат транспорт университети
100167, Узбекистан, Тошкент, Темирйулчилар куч, 1
*Tel.:998 (90) 174-11-12
*E-mail: sherzod_fayzibaev@mail.ru
Аннотация. Юкори босим (5 ГПа гача) ва харорат (1800 К гача) дан фойдаланган холда B-N-Al-Ti тизимининг бирикмалари асосида янги композит материалларни олиш усулларини урганиш, уларнинг физик хусусиятларини урганиш асосида улар асосида инструментал материаллар яратиш. Тадкикотни янада ривожлантириш истикболларини урганиш ва натижалардан амалий фойдаланиш.
Калит сузлар: материаллар, шаклланишлар, босим, синтерлаш, майдалаш, чанглар, хоссалари, микрояпи. УДК 629.175
РАЗРАБОТКА СВЯЗКИ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ СИСТЕМЫ B-N-Al-Ti ДЛЯ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ЧИСТОВОЙ ОБТОЧКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Файзибаев Ш. С.*, д.т.н., профессор Самборская Н.А., научный сотрудник Уразбаев Т.Т., ст. преподаватель Нафасов Ж.Х., ассистент
Ташкентский государственный транспортный университет 100167, Узбекистан, Ташкент, ул. Темирйулчилар, 1 *Тел.: 998 (90) 174-11-12 *E-mail: sherzod_fayzibaev@mail.ru
Аннотация. Изучение способов получения новых композиционных материалов на основе соединений системы B-N-Al-Ti с использованием высокого давления (до 5 ГПа) и температур (до 1800 К), исследование их
физических характеристик для создания на их основе инструментальных материалов. Изучение перспектив дальнейшего развития исследований и практического использования полученных результатов. Ключевые слова: материалы, формирования, давления, спекания, дробления, порошки, свойства, микроструктура.
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время наиболее широкое распространение получили поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) на основе кубического нитрида бора (КНБ, cBN), используемые в качестве режущих элементов (неперетачиваемые и напайные пластины, резцы, сверла, фрезы и т.д.). В связи с этим появилась необходимость изучения характера взаимодействия в многокомпонентных металлических системах на основе титана и алюминия [1,2]. Теоретической основой для разработки и совершенствования технологии получения новых сверхтвёрдых сплавов инструментального назначения являются диаграммы состояния этих систем. При этом, материал должен отвечать требованиям современной науки и техники. Таким образом, актуальность темы обусловлена интересом к изучению влияния легирующих добавок на свойства титана и алюминия, а также влияние структуры получаемых пластин на характеристики конечного продукта [3,4].
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Исследование способов получения новых композиционных материалов на основе соединений системы B-N-Al-Ti с использованием высокого давления (до 5 ГПа) и температур (до 1800 К), исследование их физических характеристик для создания на их основе инструментальных материалов.
При воздействии высоких давлений 5,5 ГПа и температуры 1750-1800 °С формируется монокристаллические порошковые сверхтвёрдые материалы с заданными характеристиками в зависимости от дальнейшего их использования (режущий, шлифовальный или полировальный инструмент).
Нано- и микроструктура кубического нитрида бора используется для создания композиционных материалов инструментального назначения, формированные при термобарическом воздействии.
Синтез проводился при давлении 5ГПа (с учетом термического прироста давления, равного ~0,8ГПа), и температурах 1670-1910 К в твердосплавных камерах высокого давления типа «наковальня с лункой» в контейнерах из литографского камня. При заданных параметрах синтеза проводили по 5 идентичных опытов.
Таблица 1
Механические свойства композиционных материалов на основе кубического нитрида бора._
№ Наименование Величина
1 Твёрдость 30-45 ГПа
2 Трещиностойкость 12-16 МПа-м1/2
3 Стойкость при точении закаленных сталей (HRC 52-54) 60 мин.
4 Размер зерна 5-30 мкм
5 Глубина резания до 0,5 мм
6 Подача 0,05 - 0,15 мм/об
7 Скорость резания 200 - 125 м/мин.
Рис.1. Полученные образцы синтеза высокого давления (без механической обработки)
3. РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ РЕЗЦОВ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ СИСТЕМЫ В-]]-АЬ-Т1
Процесс резания инструментом из новых композиционных материалов на основе соединений системы B-N-Al-Ti при обработке закаленных сталей твердостью до HRC60 изучен экспериментально. Рекомендуемые диапазоны режимных параметров точения в этих условиях составляют: подача резца 0,05 - 0,15 мм/об, глубина резания 0,1 - 0,5 мм, скорость резания 125 - 200 м/мин , работа без смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Шероховатость обработанной поверхности при выборе малых значений подач составляет Ra 0,63 - 0,16.
Рекомендуемые режимы резания для резцов из инструментальных материалов на основе соединений системы B-N-Al-Ti варьируются в широких пределах. Например, инструментальная фирма Seco для обработки заготовок из закаленной стали HRC 46 - 65 и инструментального материала CBN10 рекомендует: подачу резца 0,05 - 0,15 мм/об, глубину резания до 0,5 мм , скорость резания в пределах 125 - 200 м/мин.
Фирма Sandvik для обработки заготовок из закаленной стали HRC 60 и инструментального материала CB7015 определяет подачу резца 0,05 - 0,15 - 0,25 мм/об и скорость резания 250 - 190 - 160 м/мин.
Аналогичные рекомендации существуют и у других зарубежных инструментальных фирм. Количественные выражения для расчета режимов резания отсутствуют.
В работах [5,6] рекомендованы следующие выражения для расчета показателей, характеризующих обработку заготовок из закаленных сталей: - скорость резания, м/мин
V =
Cv К'
Tv
где = (90Т)т" поправочный коэффициент, зависящий от стойкости; Су = 273 , ту = 0.2, ху = 0.15, уу = 0.2. - справочные данные для стали марки 12ХН3А [7].
Рекомендуемые режимы резания для резцов из инструментальных материалов на основе соединений системы В-№Л1-Т^ Из (рис. 2-4) следует, что рекомендуемый режим при глубине резания t=0,1мм, подаче 0,05 - 0,1 - 0,15 мм/об и скорости резания со значениями 285,4 - 248,5 -229,1 м/мин при продолжительности рабочего времени инструмента 90 минут (совпадает с рекомендациями зарубежных фирм). А при глубине резания t=0,5мм, подаче 0,05 - 0,1 - 0,15 мм/об и скорости резания со значениями 224,2 - 195,2 - 180,0 м/мин продолжительности рабочего времени инструмента (стойкость) 90 минут (совпадает с рекомендациями зарубежных фирм). С использованием результатов расчетного анализа проводились экспериментальные исследования режущих свойств резцов на основе соединений системы В-№Л1-Т .
360,0
220,0
30
45
60
75
t=0,1 мм t=0,2 мм t=0,3 мм t=0,4 мм t=0,5 мм
90
Стойкость,Т, мин
Рис.2. Зависимость стойкости от расчетных значений скорости резания при одинаковой подаче 0,05 мм/об и изменении глубины резания от 0,1 до 0,5 мм
310,0
180,0
30
45 60 75
Стойкость,Т, мин
1=0,1 мм 1=0,2 мм 1=0,3 мм 1=0,4 мм 1=0,5 мм
90
Рис.3. Зависимость стойкости от расчетных значений скорости резания при одинаковой подаче 0,1 мм/об и изменении глубины резания от 0,1 до 0,5 мм
290,0
170,0
1=0,1 мм 1=0,2 мм 1=0,3 мм 1=0,4 мм 1=0,5 мм
30
45
60
75
90
Стойкость,Т, мин
Рис.4. Зависимость стойкости от расчетных значений скорости резания при одинаковой подаче 0,15 мм/об и изменении глубины резания от 0,1 до 0,5 мм
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ РЕЗЦОВ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ СИСТЕМЫ B-N-AL-TI
Экспериментальные исследования режущих свойств резцов на основе соединений системы B-N-Al-Ti проводились на «Ташкентском тепловозоремонтном заводе» и ДП «Ташкентском литейно-механическом заводе». Исследования выполнялись путем замены параметров режима работы режущего инструмента при чистовой обработке деталей.
На «Ташкентском тепловозоремонтном заводе» выполнялась обточка вала 0 57 мм воздуходувки, изготовленной из стали марки 12ХН3А с твердостью 56 HRC, с параметрами режима работы резца : подача
резца 0,05 мм/об, глубина резания 0,1 мм , скорость резания 285 м/мин . Продолжительность рабочего времени резца составила 88 минут (рис. 5).
Рис.5. Обточка вала 0 57мм из стали марки 12ХН3А при подаче резца 0,05мм/об и скорости резания 285 м/мин.
Наружное продольное точение вала 0 57мм выполнялось с параметрами режима : подача резца 0,15 мм/об, глубина резания 0,1 мм, скорость резания 229,1 м/мин. Продолжительность рабочего времени резца составила 82 минуты (рис. 6).
Рис.6. Наружное продольное точение вала 0 57мм из стали марки 12ХН3А подаче резца 0,15мм/об и скорости резания 229,1 м/мин.
Так же были проведены испытания ударным воздействием на вал 0 60 мм воздуходувки с длиной обтачиваемой поверхности 70 мм из стали марки 12ХН3А , с твердостью 56 HRC. Параметры режима обточки вала: подача резца 0,05 - 0,1 - 0,15 мм/об, глубина резания до 0,5 мм, скорость резания 125 - 200 м/мин. Продолжительность рабочего времени резца до полного износа составила 15 - 30 минут (рис. 7). Согласно полученным результатам проведенных испытаний по обработке зубчатых поверхностей рекомендуется следующий режим обточки: подача резца 0,05 мм/об , глубина резания до 0,1 мм, скорость резания 125 м/мин.
Рис.7. Обработка ударным воздействием на вал 0 60 с длиной обтачиваемой зубчатой поверхности 70 мм из стали марки 12ХН3А
На ДП «Ташкентском литейно-механическом заводе» при обточке деталей из стали марки 5ХНМ с твёрдостью > 52 HRC с параметрами режима работы резцов : подачи резцов 0,05 - 0,1 - 0,15 мм/об , глубина резания до 0,5 мм , скорости резания 242,1 - 210,7 - 194,3м/мин.
Рис.8. Обточка вала 0 100 мм из стали марки 5ХНМ
Проведенные эксперименты показали, что при соблюдении режимов резания, продолжительность рабочего времени резцов составила 78 - 88 минут (рис.8).
Полученные результаты проведенных исследований показали, что, во-первых, износ резцовой вставки, изготовленной из описываемого композита, был минимальным. Во-вторых, подбором специальных связок можно создать большое количество композиций с широким спектром эксплуатационных свойств. В-третьих, при этом процессе достигается экономия твердого сплава и рациональное использование поликристаллических сверхтвердых материалов на основе кубического нитрида бора.
5. ВЫВОДЫ
1. Полученные композиционные соединения являются предпосылкой для создания связки на основе системы Ti-Al под конкретные задачи использования в промышленности.
2. Опираясь на несколько соединений системы, изменяя состав и не существенно корректируя технологический процесс, можно оперативно получать инструментальные композиционные материалы различного направления.
3. Было проведено несколько механических испытаний на различных марках стали. При этом продолжительность рабочего времени резцов (стойкости) составила 78 - 88 минут.
4. Проведенный расчетный анализ режущих свойств резцов на основе соединений системы B-N-Al-Ti показал, что режущие свойства инструментов с использованием в качестве режущих элементов данных композиционных материалов, изучены недостаточно и недостаточно отражены в научных публикациях.
5. Проведены экспериментальные исследования режущих свойств резцов на основе соединений системы B-N-Al-Ti. Разработаны рекомендации по рациональным условиям и режимам резания инструментов с использованием сверхтвердых композиционных инструментальных материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Либенсон Г.А. Процессы порошковой металлургии / Г.А. Либенсон, В.Ю. Лопатин, Г.В. Комарницкий// Формирование и спекание. - М. : МИСИС, 2002. - 503 с. [In Russian: Libenson, G.A. Powder metallurgy processes / G.A. Libenson, V.Yu. Lopatin, G.V. Komarnitsky // Formation and sintering. Moscow: MISIS, 2002].
2. Поварова К.Б. К вопросу о формировании оксидных пленок на поверхности y-Ti-Al на воздухе и при воздействии кислот / К.Б. Поварова, И.Д. Марчукова, Г.С. Браславская// Металлы. - 1994. - №5. - С. 148151. [In Russian: Povarova K.B. /To the question of the formation of oxide films on the surface of ?-Ti-Al in air and under the action of acids / K.B. Povarova, I. D. Marchukova, G.S. Braslavskaya // Metals, 1994].
3. Панькин Н.А. Исследование структуры (Ti-Al) композитов, полученных холодным прессованием порошков и твердофазным спеканием / Н.А. Панькин, А.Ф. Сигачев, Ю.С. Носов, М.А. Окин, В.А. Юдин //Тугоплавкие, керамические и композиционные материалы. - 2015. - №1. - С. 27-31. [In Russian: Pankin N.A. Investigation of the structure of (Ti-Al) composites obtained by cold pressing of powders and solid-phase sintering / N.A. Pankin, A.F. Sigachev, Yu.S. Nosov, M.A. Okin, V.A. Yudin // Refractory, ceramic and composite materials. Saransk: MGU, 2015].
4. Панькин Н.А. (Ti-Al) композиционные материалы, полученные прессованием с последующим спеканием на воздухе. Структура и свойства / Н.А. Панькин В.П. Мишкин, М.А. Окин, А.Ф. Сигачев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2015. - №1 (33). - С. 156-167. [In
Russian: Pankin N.A. (Ti-Al) composites obtained by pressing followed by sintering in air. Structure and properties / N.A. V.P. Pankin Mishkin, M.A. Okin, A.F. Sigachev // News of higher educational institutions. Volga region. Physics and mathematics. Samara, 2015].
5. Высокопроизводительные инструменты из гексанита-Р / Карюк Г.Г., Бочко А.В., Мойсеенко О.И., Сидоренко В.К. - Киев: Наукова думка, 1985. - 136 с. [In Ukrain: High-performance tools from hexanite-R / Karyuk G.G, Bochko A.V, Moiseenko O.I, Sidorenko V.K.// Naukova Dumka. Kiev: 1985 ].
6. Эльбор в машиностроении / Лысанов В.С., Букин В.А., Глаговский Б.А., Боровский Г.В., Ипполитов Г.М., Каменкович А.О., Кремень З.И., Попов С.А., Шилоненко-Бородич Н.Е.- Л.: Машиностроение, 1978. - 280 с. [In Russian: Elbor in mechanical engineering / Lysanov V.S., Bukin V.A., Glagovsky B.A., Borovsky G.V., Ippolitov G.M., Kamenkovich A.O., Kremen Z.I., Popov S. .A., Shilonenko-Borodich N.E. //Mashinostroenie. Leningrad, 1978].
7. Абразивная и алмазная обработка материалов. Справочник / Под ред. А.Н. Резникова. - М.: Машиностроение, 1977. - 391 с. [In Russian: Abrasive and diamond processing of materials. Directory / A.N. Reznikov //Mechanical Engineering. Moscow: 1977].
