CC BY
12при обработке на автоматизированном оборудовании, т.к. число замен инструментов сокращается, а размеры обрабатываемой детали выдерживаются без частого вмешательства оператора.
Композиты 01 и 02 применяют для тонкого и чистового точения, преимущественно без удара, деталей из черных металлов любой твердости; композит 03 - для предварительного и окончательного точения чугунов любой твердости; композиты 05 и 06 - для чистового и получистового точения без ударных нагрузок, закаленных сталей и чугунов любой твердости, для торцового фрезерования чугунов; композит 10 - для предварительного и окончательного точения (растачивания) с ударом и без удара сталей v чугунов любой твердости, для торцового фрезерования закаленных сталей и чугунов, твердых сплавов группы БК.
Рост производства и применения лезвийных инструментов из композитов объясняется расширением области использования таких инструментов за счет, следующих факторов:
1) автоматизации процессов и внедрения высокоскоростного и сверхскоростного резания;
2) увеличения объемов использования труднообрабатываемых материалов:
3) внедрения экологически чистых процессов обработки и применения смазочно-охлаждающих жидкостей.
Детали машиностроительного назначения обладают практически бесконечным разнообразием форм обрабаты ваемых поверхностей и, следовательно, технологических процессов их производства. Выполнение операций точения и торцового фрезерования сопровождается циклическими быстроменяющимися механическими и тепловыми нагрузками. Наблюдается интенсивное разрушение режущей части инструмента, причем наиболее слабым местом является вершина.
Вопрос повышения работоспособности инструмента засчет оптимального расположения относительно заготовки на примере торцового фрезерозания был впервые рассмотрен в отечественной технической литературе профессором Н.И. Резниковым в 1947 году.
В дальнейшем теория и практика оптимального контакта нашли свое отражение в трудах профессоров H.H. Зорева, М. Кроненберга, Б.А. Кравченко, В.А. Остафьева, В.Н. По-дураееа и др. для инструментов, оснащенных твердыми сплавами.
Эта проблема несомненнс актуальна и сейчас, когда отечественная металлообрабатывающая отрасль получи-
ла разнообразное инструментальное обеспечение.
Многое исследователи предлагают решить проблему повышения стойкости инструмента при обработке прерывистых поверхностей деталей относительно простым путем - применить у режущих композиционных элементов положительный /гол наклона главной режущей кромки и тогда врезание в обрабатываемую поверхность заготовки происходит не вершиной, а переферией режущей кромки с постепенным распространением усилий резания по всей ее длине.
Такое решение не всегда обеспечивает удовлетворительную работоспособность, и очень часто низкая стойкость различных марок композитов являлась причиной отказа от их использования в промышленности.
Нами, в рамках научного направления «Совершенствование технологии механической обработки композитами», разработан теоретический метод определения работоспособности инструментов, оснащенных различными марками композитов на операциях чистового точения, растачивания, нарезания резьб и торцового фрезерования поверхностей деталей различной конструктивной и технологической сложности (1-3).
Согласно теоретическим расчетам для нужд предприятий Забайкальского региона изготовлены инструменты с геометрическими параметрами, соответствующими режиму работы в оп'имальных условиях, когда первоначальный удар (врезание) смещается от самой слабой части инструмента - вершины, в точку или на плоскость (переднюю поверхность), максимально удаленную от нее.
Полученное условие контакта режущей части инструмента и обрабатываемой поверхности заготовки позволяет достигнуть заданной стойкости и гарантировано обеспечивает высокие качественные и производственные показатели технологического процесса.
Литература
1. Кудряшов Е.А. Технологическое обеспечение процессов обработки прерывистых поверхностей деталей инструментами из сверхтвердых материалов: Автореф. дис.... докт. техн. наук. - Самара, СамГТУ, 1997.
2. Кудряшов Е.А. Обработка деталей инструментом из композитов в осложненных технологических условиях. -Чита, ЧитГТУ, 2002. Том 1. - 257 с.
3. Кудряшов Е.А. Обработка деталей инструментом из композитов в осложненных технологических условиях. -Чита. ЧитГТУ. 2002. Том 2. - 290 с.
Структурообразование твердосплавных покрытий на
стальной поверхности
В основе технологии изготовления твердых сплавов лежит пропитка расплавом матричного материала каркаса из частиц карбида тугоплавкого металла, в частности карбида вольфрама. Механические и эксплуатационные свойства вольфрамокобальтовых твердых сплавов в боль-
В.Г. БУРОВ, профессор, канд. техн. наук, A.A. БАТАЕВ, профессор, доктор техн. наук, А.Г. ТЮРИН, ассистент, С.В.БУРОВ, ассистент, НГТУ, г. Новосибирск
шой степени зависят от их строения. При формировании твердого сплава важнейшую роль играет соотношение между кобальтом и углеродом (связанным и свободным). Недостаток углерода в спекаемой композиции приводит к образованию сложных карбидов, резко снижающих меха-
*
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УПРОЧНЯЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ
нические характеристики и эксплуатационные свойства твердого сплава. Избыток углерода приводит к выделению свободного графита, снижающего твердость материала и являющегося источником зарождения трещин. Не менее важны размеры частиц карбида вольфрама, а также равномерность толщины кобальтовых прослоек между частицами карбида.
В случае использования твердых сплавов для упрочнения поверхностей стальных изделий сложность протекающих процессов возрастает. Эксплуатационные свойства изделий в значительной мере определяются структурой поверхностного слоя, состоящего из покрытия, переходной зоны и основного металла с измененной структурой. Структура материала поверхностного слоя характеризуется:
- на макроуровне толщиной покрытия переходной зоны и зоны измененного основного металла, наличием дефектов в виде пор и трещин;
- на мезоуровне формой и размерами фаз, геометрией их взаимного расположения, наличием дефектов на межфазных границах;
- на микроуровне внутризеренной структурой, дефектами кристаллического строения.
Проведены исследования влияния технологических режимов формирования на стальных поверхностях твердосплавных покрытий из вольфрамокобальтовых твердосплавных порошковых смесей на структуру и свойства формируемых поверхностных слоен Про1 *есс формирования твердосплавного покрытия из порошковой смеси можно рассматривать как совокупность процессов доставки частиц на покрываемую поверхность и процессов формирования поверхностного слоя. Имеются техногогии, позволяющие сочетать доставку частиц на по<рываемую поверхность с формированием физико-механ/неского состояния твердого сплава. К ним можно отнести: детонаци-онно-газовое напыление, плазменное напыление, электроискровое легирование, комбинированное электролитическое осаждение. Вторая группа технологий предусматривает спекание твердосплавной смеси на упрочняемой поверхности после предварительного формирования порошкового слоя, который должен иметь плотность и прочность, достаточные для последующей термической обработки.
Технологические процессы первой группы позволяют получать поверхностные слои с покрытиями, свойства которых соответствуют спеченным твердым сплавам. Однако имеются ограничения, которые не позволяет в полной мере управлять их составом и структурой. Так при детона-ционно-газовом напылении твердосплавных порошковых смесей на сталь переходный слой образуется засчет взаимодействия подплавленных частиц Со с поверхностью стали и имеет протяженность не более 20 - 25 мкм. При нанесении покрытий на стали с высокой температурой плавления переходный слой между покрытием и основным металлом уменьшается до 10 - 15 мкм. Химический и фазовый состав покрытия в значительной степени зависят от состава газовой смеси. Применяемые смеси приводят к увеличению содержания свободного углерода, с одной стороны, и, с другой - к его выгоранию, что приводит к появлению пористости в покрытиях до 5,3...10,7 %. В структуре покрытия кроме \/УС и Со фаз присутствуют Г}, (Со3\Л/3С) в количестве до 5 %, \Л/2С и ЧЧ. Наличие частиц двойного карбида Со3\/У3С и пористость приводят к снижению прочностных характеристик твердосплавного покрытия. Микротвердость покрытий находится в пределах 9000...12000 МПа. Плазменный метод характеризуется
возможностью процессов окисления и обезуглероживания частиц карбида вольфрама, что приводит к образованию частиц т^-фазы (Co3W3C) в структуре покрытия и появлению высокой пористости (до 20 %). Толщина получаемых покрытий - до 0,15 мм, прочность сцепления - от 6 до 21 МПа, твердость по Виккерсу 10000 - 18000 МПа. Электроискровое легирование твердыми сплавами типа ВК приводит к образованию покрытия толщиной 30 - 50 мкм, отличающегося по фазовому составу от материала анода. При электроискровом легировании фаза WC теряет часть углерода, в результате чего образуется фаза W2C, имеющая отгичные от WC свойства. Кроме W2C образуется сложный карбид Fe3W3C в результате взаимодействия WC с железом основного металла, что ухудшает свойства покрытия. Микротвердость покрытий находится в предегах 3800 - 20000 МПа в зависимос_и от химического состава стали. Комбинированное электролитическое осаждение твердых сплавов основано на одновременном осаждении металла-связки (гальванически) и частиц дисперсной фазы (электрофоретически, конвективно, седиментационнэ). Преимущество метода заключается в возможности управлять составом и структурой в процессе осаждения. Однако, метод не позволяет формировать покрытия с высокой объемной долей частиц карбидной фазы и покрытия не имеют переходной зоны к основному металлу.
Вторая группа технологий в отличие от первой получила более ограниченное распространение вследствие наличия технологических затруднений, связанных с активным взаимодействием частиц карбида вольфрама с железом основного металла в присутствии жидкой фазы и сложностью управления составом и структурой формируемых поверхностных слоев. В качестве способов доставки частиц твердосплавной порошковой смеси на упрочняемую поверхность могут использоваться электрофоретическое осаждение и шликерное литье с последующим выпариванием материала-посредника. Спекание можно проводить как в защитной газовой атмосфере, тки и вакууме.
Преимущество формирования твердосплавных покрытий жидкофазным спеканием заключается в том же, в чем и недостаток - в возможности растворения частиц упрочняющей фазы в расплавленной матрице с образованием новых химических соединений. Важнейший вопрос - это возможность протекания обратной реакции выделения карбида вольфрама из расплава при затвердевании матричного материала.
При спекании вольфрамокобальтовой порошковой смеси на сталях жидкая фаза начинает образовываться в местах контакта частиц карбида вольфрама со сталью при температуре 1150 °С. Затем диффузия кобальта в жидкую фазу приводит к уменьшению ее количества, так как для системы Co-WC и Fe-Co ее существование соответствует более высоким температурам. Дальнейшее повышение температуры приводит к увеличению скорости диффузионных процессов и стабильному появлению жидкой фазы при температуре 1300... 1310 °С, что значительно ниже температуры спекания твердых сплавов. Структура покрытия и переходного слоя позволяют сделать заключение, что происходит растворение карбидов вольфрама с образованием эвтектических фаз. При спекании тонких порошковых слоев (до 200 мкм) на поверхности углеродистых сталей не удается сформировать покрытие ввиду высоких скоростей взаимодействия компонентов покрытия и железа основного металла. Образовавшийся проплавленный слой содержит хрупкие эвтектики, в которых обнаружен сложный карбид W3Fe3C, образующий дендритный скелет.
Обратного распада двойного карбида не происходит вследствие недостатка углерода в зоне взаимодействия.
Это предположение, сделанное в результате термодинамического анализа, было подтверждено введением дополнительного углерода в зону спекания путем предварительной цементации поверхностного слоя основного металла. Экспериментально было установлено, что в процессе спекания вольфрамокобальтовой порошковой смеси на углеродистых сталях после высокотемпературного насыщения их поверхности углеродом (при Т = 1100°С в течение 1, 2, 4 и 6 часов), жидкая фаза появляется при температуре 1250 °С. Металлографические и дифрактомет-рические исследования полученных покрытий показали, что увеличение продолжительности предварительной цементации до 6 часов приводит к уменьшению количества частиц Ре3\№3С в переходном слое, вплоть до полного их исчезновения (рис.1). Матричный материал содержит железо, кобальт и вольфрам.
Доставка углерода в зону существования жидкой фазы требует знания его необходимого количества с учетом химического состава твердосплавной смеси, скорости взаимодиффузии компонентов покрытия и основного металла в присутствии жидкой фазы, температуры и времени спекания (времени существования жидкой фазы).
Другим способом управления структурой поверхностного слоя со спеченным твердосплавным покрытием является уменьшение скорости протекания химического взаимодействия компонентов покрытия и основного металла засчет снижения температуры появления жидкой фазы. Этого можно добиться изменением химического состава матричного материала посредством легирования бором. Учитыеэя, что спекание твердосплавного слоя проводится в присутствии жидкой фазы, достаточно введения бора в виде порошка в состав твердосплавной смеси. Диффузи-
онное взаимодействие компонентов покрытия и основного металла сохраняется, но протекает с меньшей скоростью, так как жидкая фаза начинает появляться при температуре 1102 °С засчет образования эвтектики Со-Со2В. При минимизации времени присутствия жидкой фазы в переходном слое отсутствуют сложные карбиды, покрытие имеет свойства близкие к свойствам спеченных твердых сплавов. Оптимизация режимов спекания не позволяет управлять толщиной переходной зоны, которая соизмерима с толщиной сформированного покрытия (рис.2). Матрица покрытия содержит эвтектики Со-Со23 и Fe-Fe2B.
Управление толщиной переходной зоны может быть обеспечено предварительным введением бора в поверхностный слой основного металла. В этом случае жидкая фаза появляется на границе раздела «порошковая смесь -основной металл», после чего протекание диффузионных процессов обеспечивает взаимодействие частиц кобальта с жидкой фазой и смачивание ею частиц упрочняющей фазы. Толщина переходной зоны определяется режимами предварительного борирования и последующего спекания, ее минимальное значение может составлять единицы микрометров. Структура покрытия представлена на рис. 3. Время борирования стальной основь не оказывает существенного влияния на твердость и износостойкость покрытия. В то время как с повышением температуры предварительного борирования от 850°С до 1000°С растет толщина переходного слол между покрытием и основным металлом от 25 до 150 мкм, повышается значение микротвердости покрытий от 11700 до 15500 МПа, увеличивается износостойкость покрытий о закрепленные частицы абразива, составляя 80...90 % от износостойкости твердого сплава ВК 20, и резко снижается ударная вязкость разрушения композиции «сталь-покрытие» от 39 до 6 Дж/см2.
Оптимизация температуры борирования основы и жид-
I- • . *•■
'St X'
\
I
I шш
чг Щ jf ^
в г
Рис. 1. Структура поверхностного слоя после жидкофазного спекания покрытия из вольфрамокобальтовой порошковой смеси на углеродистой стали после предварительной цементации при температуре 1100 °С в течение: а - 1 часа, 6-2 часов, в - 4 часов,
г - 6 часов. Покрытие вверху, темная фаза - сложный карбид \Л/3Ре3С
»
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
Рис. 2. Поперечный шлиф покрытия на основе порошковой смеси \МС-Со(ВК15)+2%В после жидкофазного спекания на подложке из стали У10
кофазного спекания псрошковой смеси в соче~ании с последующей термической обработкой позволяют достичь высоких показателей конструктивной прочности композиции.
Выводы
1. Цементация основного металла до жидкофазного спекания вольфрамокобальтовой порошковой смеси на углеродистых сталях обеспечивает протекание реакций распада сложных карбидов при затвердевании. Поверхностный слой имеет структуру твердого сплава с развитой переходной зоной и без макродефектов.
2. Введение легирующего порошкового боэа в состав спекаемой вольфрамокобальтовой порошковой смеси создает условия для:
Рис. 3. Поперечный шлиф покрьгия на основе порошковой смеси ^С-Со(ВК8) после жидкофазного спекания на подложке
из стали 45 после борирования при температуре 900 °С в течение 6 часов
- формирования развитой переходной зоны,
- исключения образования сложных карбидов, ухудшающих свойства сформированного поверхностного слоя,
- исключения образования макродефектов в виде пор и трещин.
3. Химико-термическое борирование углеродистой стали позволяет управлять структурой покрытия и переходной зонь с исключением образования макродефектов.
4. Результаты проведенных исследований можно использовать для разработки технологии улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств твердосплавных покрытий, полученных детонационно-га-зовым, плазменным, электроискровым и комбинированным электролитическим методами.
Методы комбинированной обработки резьбовых деталей
А.Н.ПРОКОФЬЕВ, доцент, канд.техн.наук, БГТУ, г.Брянск
Надежность выполнения резьбовым соединением своего функционального назначения зависит от ряда эксплуатационных свойств, все многообразие которых можно выразить посредством двух основных качественных показателей - прочности соединения для неподвижных резьбовых соединений и износостойкости для подвижных резьбовых соединений, которые обеспечиваются различными конструкторскими и технологическими методами. Данные показатели в значительной степени определяются точностью соединения, шероховатостью боковых сторон профиля, физико-механическими свойствами поверхностного слоя, формируемыми на стадии изготовления резьбы. Обеспечение качественных параметров резьбы при изготовлении зависит как от свойств материала, так и от ряда технологических факторов, таких как метод и схема формообразования, конструкция и геометрия инструмента, режимы обработки. Исходя из этого, применяемая технология изготовления резьбовой детали, должна стабильно обеспечивать комплекс ее геометрических параметров и параметров состояния поверхностного слоя, определяющих эксплуатационные показатели соединения исходя из его функционального назначения.
Анализ методов обработки внутренних резьб показы-
12 № 1 (26) 2005
вает, что широко распространенные методы обработки не всегда дают необходимые результаты, особенно при получении точных внутренних резьб (4 степени точности и выше) с шероховатостью поверхности витков Ра < 2,5 мкм. Данная проблема является достаточно острой, т.к. в настоящее время возрастает объем применения резьб указанной точности, которые используются в конструкциях, подверженных вибрациям, в которых по условиям компоновки не удается установка стопорящих элементов, в соединениях шпилька-корпус, в тонкостенных деталях, подвергающихся термической обработке и т.п.
С учётом вышеизложенного, опираясь на теоритичес-кие основы технологии машиностроения и исходя из функционального назначения точных резьбовых соединений [1], разработана новая структурная схема проектирования оптимального варианта технологического процесса изготовления резьбовых отверстий, в которой выбор чистового метода формообразования резьбы производится с учетом сформированного комплекса эксплуатационных показателей резьбового соединения и типа производства. При этом было установлено, что для крепежных резьб основополагающими следует считать такие эксплуатационные свойства, как статическая и усталостная прочность, отсутствие
«
