CC BY
4
УДК 621.791.72
Колина Т.П., к.т.н.
доцент
кафедра автоматизированного машиностроения
Колин А.Д. аспирант
кафедра систем управления и вычислительной техники ФГБОУВО «Калининградский государственный
технический университет» Россия, г. Калининград
ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРОЧНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА И ОСНАСТКИ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ НАГРЕВА - ЛАЗЕРОМ, ПЛАЗМОЙ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ КАРБОНИТРИРОВАНИЕМ В АКТИВИРОВАННЫХ ДРЕВЕСНОУГОЛЬНЫХ СМЕСЯХ Проведены исследования и обобщен опыт применения лазерной обработка, или поверхностного воздействия ионно-плазменных потоков высокой удельной мощности на предварительно закаленные и карбонитрированные быстрорежущие стали, позволяющий формировать структуру с повышенной энергетической устойчивостью при контактно-абразивном воздействии.
Ключевые слова: лазерное упрочнение, вакуумный нагрев, карбонитрирование, быстрорежущие стали.
Kolina T. P., PhD in Technological Sciences the associate professor of the automated mechanical engineering FGBOOU WAUGH "The Kaliningrad state technical university"
Russia, Kaliningrad
Kolin A.D., graduate student of department of control systems and
computer facilities
FGBOOU WAUGH "The Kaliningrad state technical university"
Russia, Kaliningrad TECHNICAL CAPABILITIES OF HARDENING OF THE TOOL AND EQUIPMENT THE CONCENTRATED HEATING SOURCES - THE LASER, PLASMA WITH PRELIMINARY KARBONITRIROVANY IN THE ACTIVATED CHARCOAL MIXES The experience of laser treatment or the surface treatnant by iono-plasma streams of hinh specific power on the prehardened or carbonitrided high-speed steels, allowing to form structure with the increased energetical resistance at contact-abrasive impact has bean investigated and generalized.
Key words: laser strengthening, vacuum heating, carbonitriding, high-speed
steels.
При проведении зонной термической обработки тонких режущих кромок инструмента, поверхностей контактного износа оснастки и конструкционных деталей вакуумный нагрев и химико-термическая обработка открывают новые возможности повышения эксплуатационных характеристик.
Вакуумная термическая и химико-термическая обработка перед лазерным упрочнением существенно влияет на свойства высоколегированных сталей, например порошковых быстрорежущих, в зависимости от проведения лазерного нагрева с оплавлением или без оплавления поверхности при удельных подводимых мощностях 104... 108вт/см2.
Разработанная технология лазерного упрочнения деталей технологических источников плазмы (ТИП), катодных деталей электрических реактивных двигателей малой тяги (ЭРД МТ) и технологии лазерной обработки мелкоразмерного специального инструмента и оснастки из порошковых быстрорежущих сталей применительно к приборному экспериментальному производству.
В таблице 1 приведён химический состав, размеры заготовок при изготовлении мелкоразмерных резцовых вставок, режущих элементов ротационного резания термостойкой керамики, а также некоторых деталей ЭРД МТ.
Таблица 1- Химический состав заготовок для изготовления режущих элементов ротационного резания_
Сталь Изготовляемая деталь Содержание элементов, %
С Мо W & V Mп Si
Пластины Р6М5-МП Резцовые вставки, электроды 0,81 5,33 6,09 4,22 1,70 0,28 0,23
Р6М5-П, серебрянка 06 Микрорезцы и вставки 0,78 5,41 5,89 3,94 1,82 0,19 0,21
Примечание - сера и фосфор менее 0,014%
Одновременно с инструментом, деталями катодов изготовляли и обрабатывали образцы для металлографического анализа, механических испытаний и рентгеноструктурного анализа.
Вакуумную термическую и химико-термическую закалки перед лазерной обработкой проводили в колпаковых печах СГВ-2.4/15-И2 с расположением инструмента на этажерочных приспособлениях и на пластинах из алюмооксидной керамики ВК-94-1, а вакуумное карбонитрирование вели в твердых активизированных карбюризаторах в модернизированных печах СШОЛ-ВНЦ. Режимы предварительной вакуумной термической и химико-термической обработки приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Режимы предварительной вакуумной термической и химико-термической обработки__
Режимы вакуумной химико- Свойства поверхности
термической обработки
Сталь 1зак.,0С твыд., мин. Уохл.0С/с Твердость, Оптические
НРС3 А Е
РОМ6Ф3-МП 1180 4,0-4,5 1,3-1,5 61-62 0,61 0,55
Р6М5-МП 1200 4,0-4,5 1,5-1,8 60-61 0,62 0,57
Р6М5-П 1200 4,0-4,5 1,5-1,8 59-61 0,60 0,51
РОМ6Ф3-МП 940 3,5-4,0 20-25 63-64 0,74 0,69
Р6М5-МП 940 3,5-4,0 20-25 61-64 0,77 0,64
Р6М5-П 940 3,5-4,0 130-150 62-64 0,79 0,70
Примечание - закалка 1180-12000С в колпаковой печи СГВ, закалка 9400С после окончания карбонитрирования в печи СШОЛ-ВНЦ, охлаждение в реторте и переносом в масло;
- отпуск в печи СГВ без разгерметизации 5200С, а для карбонитрированных 350-3700С в шкафах СНОЛ-3.3.3./3,5,1,5 часа
- отпуск в печи СГВ без разгерметизации 5200С, а для карбонитрированных 350-3700С в шкафах СНОЛ-3.3.3./3,5,1,5 часа
Для лазерной обработки использовали установку "Квант-16" с приспособлениями для вращения и линейного перемещения с различной скоростью обрабатываемых образцов и деталей. На рисунке 1 а показаны схемы обработки лазером кольцевых деталей и инструмента, на рисунке 1 б приведен внешний вид зон лазерного воздействия и оплавления при различных условиях обработки.
2
Рис. 1 а - - схемы обработки лазером кольцевых деталей и инструмента
Рис. 1б, в б) - приведен внешний вид зон лазерного воздействия и оплавления при различных условиях обработки, в) - количество аустенита в слоях 0,12-0,18 мм после охлаждения на воздухе или в токе аргона составляет 35-40%, четкой границы и подслоя повышенной травимости при переходе к основному металлу не наблюдаются
В таблице 3 приведены свойства порошковых сталей при лазерной обработке с оплавлением поверхностного слоя.
Таблица 3 - Свойства порошковых сталей при лазерной обработке с оплавлением поверхностного слоя____
Сталь Лазерная обработка Микротвер Тип карбидов, аизг., Аб.н,
дость, структура Н/мм2 Дж/см2
РОМ6Ф3-МП Диаметр пятна 970-990 М6С, 3300 25
Р6М5-МП 0,4мм оплавление 1080-1100 МС,М2С 3400 28
Р6М5-П при скорости 1002-1045 мартенсит, 3600 29
Вакуумная сканирования аустенит
закалка 5мм/с, аргон
РОМ6Ф3-МП Два прохода с 890-920 М6С, 2900 18
Р6М5-МП перекрытием 0,6мм, 870-900 МС, М7С3, 3000 20
Р6М5-П скорость
карбонитриро сканирования 845-870 М23С6, 3100 22
вание, закалка 3мм/с, воздух мартенсит,
из вакуумной аустенит
реторты
Металлографическим анализом установлено наличие светлотравящихся слоев различной конфигурации при лазерной обработке всех испытанных порошковых быстрорежущих сталей. Микроструктура зон лазерного упрочнения приведена на рисунке 1в количество аустенита в слоях 0,12-0,18 мм после охлаждения на воздухе или в токе аргона составляет 35-40%, четкой границы и подслоя повышенной травимости при переходе к основному металлу не наблюдаются как до отпуска, так и после отпуска при температурах 350-5200С. На рисунке 1 г показано изменение твердости по толщине слоя лазерной обработки непосредственно после охлаждения от температур оплавления и после отпуска.
Рис. 1 г - график изменения микротвердости по толщине слоя лазерной обработки непосредственно после охлаждения от температур оплавления и после отпуска стали Р6М5-МП 1- после отпуска при 5200С, 30мин; 2 -после обработки лазером; 3 - после определения теплостойкости при 6200С.
Как показали результаты испытаний, при лазерной обработке предварительно закаленных и карбонитрированных в вакууме сталей Р6М5-МП, Р6М5-П формируются слои толщиной 100-250 мкм с повышенной твердостью, износостойкостью и эрозионной стойкостью. При этом прочностные характеристики при статических и динамических испытаниях не снижаются в сравнении с обычно закаленными и отпущенными сталями. Стабильность распределения зоны повышенной твердости по всей протяженности лазерного сканирования, а также глубины слоев структурных превращений повышается за счет лучших оптических свойств поверхности деталей и инструмента после вакуумной термической обработки.
При практической оценке износостойкости упрочненных лазером сталей Р6М5-МП, Р6М5-П проводили механическую обработку тонкостенных керамических изоляторов из боркремнийнитридной керамики БГП, БГП-10 при скоростях резания до 40 м/мин, глубинах резания 0,3-0,5 мм и при поперечных подачах 0,02-0,03 мм-ход. Сравнительная износостойкость резцовых вставок из предварительно закаленных в вакууме и упрочненных лазером сталей приведена в таблица 4, здесь же показаны данные по стойкости аналогично обработанных пусковых электродов ЭРД МТ при работе в ионной плазме.
Таблица 4 - Сравнительная износостойкость резцовых вставок
Время работы до ленточки Удельное изменение веса
износа 0,2 мм по передней при воздействии потока
Сталь, обработка * режущей грани, мин ** плазмы 4-103 Вт/м2, 10мг/см2
Р0М6Ф3-МП, вакуумная 410-430 0,75-0,76
закалка, оплавление лазером, 500-520 1,20-1,30
отпуск
Р6М5-МП, вакуумное 570-580 0,56-0,62
карбонитрирование, закалка, 500-520 1,20-130
оплавление лазером, отпуск
Р6М5-П, вакуумная закалка, 440-460 0,60-0,70
оплавление лазером, отпуск 500-520 1,20-1,30
Таким образом, полученные результаты исследований и опытов позволяют сделать выводы об эффективности и целесообразности лазерной обработки порошковых быстрорежущих сталей для существенного повышения износостойкости при различных условиях эксплуатации. Износостойкость мелкоразмерного инструмента чистовой обработки мягких керамик и прецизионных сплавов после вакуумной термической обработки и лазерного упрочнения достигает уровня вольфрамокобальтовых твердых сплавов, а эрозионная стойкость в ионно-плазменных потоках ЭРД МТ и ТИП испытанных порошковых сталей выше, чем ранее использованных в конструкциях коваров и титановых сплавов.
ВЫВОД: лазерная обработка, или поверхностное воздействии ионно-плазменных потоков высокой удельной мощности на предварительно закаленные и карбонитрированные стали Р6М5-МП, Р6М5-П позволяет формировать структуру с повышенной энергетической устойчивостью при контактно-абразивном воздействии, например при резании керамических и огнеупорных термостойких материалов.
Использованные источники:
1. Бабул Т.Д., Кучариева Т.Г., Наконечный А. Влияние исходной структуры инструментальных сталей на толщину и твердость слоев, полученных в результате карбонитрирования // МиТОМ. 2004,, №7, С. 7-20.
2. Патент РФ №2 205 892. Способ упрочнения режущего и формообразующего инструмента из теплостойких хромистых сталей., С 23С 8/76, БИ№16., 2003., (авт. А.Н. Тарасов и др.).
