CC BY
31
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621 9 048 Д. Н. КОРОТЛЕВ
Ю. К. МАШКОВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОМ ЛЕГИРОВАНИИ
В настоящей работе приведены результаты исследований по управлению процессом электроискрового модифицирования путем создания оптимальных технологических условий обработки. Проанализирован процесс электроискрового легирования на базе функциональной модели ЮЕРО. Показано влияние газовой среды и материалов электродов на эксплуатационные свойства поверхностей трения.
В настоящее время наука и техника располагают значительным числом методов поверхностного упрочнения и модифицирования материалов, каждый из которых имеет свои оптимальные области применения. К их числу относится и метод электроискрового легирования (ЭИА), достоинством которого является высокая прочность сцепления легированного слоя и материала основы, возможность нанесения на упрочняемую поверхность любых токопроводящих материалов, в том числе тугоплавких металлов и соединений, низкая энергоемкость процесса, простота выполнения технологической операции [1].
Несмотря на неоспоримые достоинства ЭИЛ, широкое использование этого способа в машино-
строении сдерживается отсутствием справочных данных по оптимизации режимов упрочнения, выбору электродного материала, выбору межэлектродной среды и определения условий рациональной эксплуатации упрочненных поверхностей,
В настоящей работе проведен анализ степени управляемости процесса ЭИЛ с использованием методики функционального моделирования в нотации I ШЕБО [2]. Графическая функциональная ЮЕРО-мо- 2 дель представляет собой многоуровневую иерархи- | ческую структуру функций от ТОР-диаграммы к | диаграммам ее декомпозиции (рис. 1,2). Эта струк- | тура пронизана сетью разнохарактерных связей (стрелок) между составляющими ее функциями, в В1
AUTHOR. Кор о та ее
PROJECT. Модель упрочнен« поверхности ЭИЛ
NOTES: 12345678610
OATH 02 10.05 REV. 19.12 05
■ WORKING REAOER DATE CONTEXT:
DRAFT TOP
RECOMMENDED
PUBLICATION
Неупрооежые твердости
Вгеиме уел cam обрЛотки
Необходимые
экедлуэтацюжые
свойства
ОбрЛогка поверхности эпектрокжревым лвчфооансм
ДЬ,
Цепь: Моделировать тв*«по«>»о у npjy+i&ikR поаероостеиэлектроиарошм легфсважем (ЗИЛ)
Темка зрения Автора
Устэмвка ЭИЛ "Эгытрсн-22В'
Упремежые поверхности
Квалифицированный персонал
А-0
Обработка поверхности электроискровым легированием
Рис. 1. Функциональная модель ЭИЛ (ТОР-диаграмма)
USED AT AUTHOR Порогам DATE: 05.10 OS ■ WORKING READER DATE CONTEXT:
PROJECT: Модель упрлнения поверхности эил REV 1912.05 DRAFT I-1
RECOMMENDED mm
NOTES: 1 23456789 10 PUBLICATION AO
Электроискровое легирование
Рис. 2. Электроискровое легирование (диаграмма декомпозиции А2)
том числе обратными связями, а также между функциями системы и средой. Каждая функция (прямоугольный бокс) должна иметь стрелку входа INPUT (в функцию — слева), выхода OUTPUT (из функций — справа), управления CONTROL (функциями - сверху) и механизма MECHANISM (осуществления функций — снизу).
В соответствии с результатами анализа приведены экспериментальные результаты по управлению процессом электроискрового легирования с помощью технологических условий обработки, в том
числе влияние газовой среды и материалов электродов на эксплуатационные свойства поверхностей трения.
Методика и материалы
Метод электроискрового легирования основан на полярном переносе материала анода на катод (деталь) под действием электрического разряда [3].
Исследовались образцы из стали Р6М5, упрочненные электродами из ВК6М, Р6М5 и Т15К6 при раз-
Т, мин
75
Т, мин
5 - 4,2 ы.ч'оо
1 ■ о.; мм
0.25
0,333
0,+16
0,50
V. м'с
0,25
0.333
0,416
0.50
а ) б )
Рис. 3. Влияние скорости резания на стойкость резцов из Р9К5 (а), Р6М5(б) при точении стали ЗОХНЗМФА(а),
12Х18Н10Т (6):
1 - обычный инструмент; 2 - электрод Р6М5; 3 - электрод ВЮ5М; 4 - электрод Т15К6
личных режимах легирования на установке «Элит-рон — 22В», в различных газовых средах.
Испытания на износостойкость (стойкость) проводились методом продольного и торцевого точения заготовок из стали 40Х, стали 12Х18Н1 ОТ и сложно-легированного сплава ЗОХНМФАна режимах чистового и получистового резания всухую. При этом упрочнению подвергались резцы из быстрорежущих сталей Р6М5, Р9К5 с геометрическими параметрами ф = ф, = 45°; а = 12°; у = 1 = 0°. Принятый критерий стойкости — продолжительность резания до получения фаски износа по задней поверхности г|7 = 0,8 мм.
Результаты и обсуждение
Анализ функциональной модели (рис. 1,2) позволил выявить следующее. Весь процесс обработки поверхности электроискровым легированием состоит из четырех этапов:
— закрепление обрабатываемой заготовки;
— подвод легирующего электрода к поверхности, которую необходимо упрочнить ЭИЛ;
— легирование(обработка) поверхности;
— отвод легирующего электрода после окончания обработки.
Согласно стандарту ГОЕРО наиболее значимой функцией является та, которая обладает наибольшим количеством внутридиаграммных связей (стрелок). В нашем случае это функция «Легирование поверхности». Она имеет две стрелки входа (II и 12), стрелку выхода (01), две стрелки механизма осуществления данной функции (М1 и М2) и два канала управления (С1 иС2). Рассмотрим возможности управления процессом ЭИЛ, формированием различных условий обработки (газовой среды и электродного материала) с целью повышения износостойкости поверхностных слоев на примере режущего инструмента.
Изнашивание твердых тел представляет сложную комбинацию различных механизмов адаптации и разрушения, поэтому рассмотрение крайних низко-и высокотемпературных вариантов потери работоспособности инструмента облегчает анализ процессов, за счет которых реализуется сопротивляемость контактной структуры внешним воздействиям. Учитывая изложенное, исследование износостойкости (стойкости) инструмента, упрочненного электроискровым легированием, осуществлялось путем испытаний в условиях резания на режимах с превалирующим адгезионным износом, а также в условиях разрушения в области температуры красностойкости.
На рис. 3 представлены графики зависимости стойкости быстрорежущих резцов из Р9К6 и Р6М5, упрочненных ЭИЛ различными материалами, оцениваемой продолжительностью резания до критерия затупления. Из полученных графиков следует, что упрочнение быстрорежущим электродом Р6М5 дало минимальный эффект повышения стойкости (- 50 %), который проявляется лишь на малых скоростях резания до 0,5 м/с. С повышением скорости резания стойкость упрочненного инструмента снижается и на скоростях выше 0,4...0,5 м/с принимает значения меньше исходной. Модифицирование твердосплавным электродом обеспечило стабильное повышение стойкости во всем рассмотренном диапазоне режимов резания, при этом с повышением скорости резания относительное увеличение стойкости возрастает. Больший эффект повышения износостойкости показало модифицирование твердым сплавом Т15К6 по сравнению с ВКбМ, особенно в области скоростей резания 0,4...0,45 м/с, где кривая износа принимает слабый горбообразный характер. Представленные результаты позволяют заключить, что упрочнение твердосплавными электродами является более эффективным по сравнению с легированными сплавами. Полученные результаты согласуются с представлениями о том, что с повышением твердости материала анода упрочнение поверхности катода возрастает [3].
Влияние состава газовой межэлектродной среды на стойкость резца из Р6М5, подвергнутого электроискровому модифицированию материалами ВК6М (а) и Р6М5 (б), показано на рис. 4. Модифицирование с использованием различных газовых сред показало, что по степени эффективности, независимо от материала анода, газовые среды располагаются в следующем порядке. Наибольшее повышение стойкости инструмента достигается при модифицировании в кислороде, затем в воздухе, азоте и в углекислом газе. При точении стали 12Х18Н1 ОТ различие последних трех газовых сред проявляется четко на скоростях резания, не превышающих У»0,45 м/с, при обработке же стали 40Х различие в стойкости инструмента проявляется только до У®0,7 м/с. С повышением скорости резания износостойкость контактной поверхности, сформированной в углекислом газе, возрастает, принимая наибольшее значение по сравнению с остальными вариантами упрочнения (Т»25 мин), а эффективность кислородной среды падает до исходного состояния (Т= 10 — 15 мин). В аргоне получено минимальное повышение стойкости при легировании материалом ВК.6М, а при обработке Р6М5 одноименным электродом получен отрицательный эффект.
Выполненные исследования убедительно показали, что межэлектродная среда является активной компонентой процесса электроискрового легирования, правильный выбор которой может обеспечивать более чем двукратное повышение стойкости (например, применение кислорода) режущего инструмента.
Выводы
1. Установлены пути повышения эффективности электроискрового легирования путем целенаправленного выбора материала обрабатывающего электрода и газовой межэлектродной среды.
2. Экспериментальными исследованиями показано, что, изменяя состав газовой среды при электроискровом легировании, можно в широком диапазоне управлять износостойкостью режущего инструмента. При этом установлено, что материалы, упрочненные в среде углекислого газа и в среде азота, характеризуются лучшей износостойкостью на высоких скоростях резания, а поверхности, образованные в среде воздуха и кислорода, — на низких.
3. Результаты исследований рекомендуется использовать на машиностроительных предприятиях, применяющих обработку резанием, а также в ремон-
те для восстановления и упрочнения изнашиваемых поверхностей трения.
Библиографический список
1. Машков Ю.К., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н., Орлов П.В. Трение и модифицирование материалов трибосис-тем. - М.: Наука, 2000. - 280 с.
2. Р 50.1.028 - 2001. Рекомендации по стандартизации. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Методология функционального моделирования.
3. Верхотуров А.Д. Формирование поверхностного слоя металлов при электроискровом легировании. — Владивосток: Дальнаука, 1995. - 323 с.
4. В.А. Ким, Д.Н. Коротаев. Газовая среда - фактор упрочнения при электроискровом легировании // Электронная обработка материалов, Кишинев. - 1998. — С. 37-43.
КОРОТАЕВ Дмитрий Николаевич, аспирант кафедры физики.
МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики.
Статья поступила в редакцию 28.04.06 г. © Коротаев Д. Н., Машков Ю. К.
УДК 669.046:621.762 В. В. АКИМОВ
М. В. АКИМОВ С. Н. КУЛЬКОВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
г. Омск
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск
ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПС-Ш С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФРАКТОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Проанализирован на основе фрактографичёских исследований характер разрушения твердых сплавов на основе карбида титана со структурно-неустойчивой связующей матрицей
В машиностроении широко применяются инструментальные композиционные материалы на основе неметаллических тугоплавких соединений. Сочетание высокой механической прочности и твердости, износостойкости, теплоемкости с достаточно низкими плотностью и стабильностью свойств в широком интервале температур позволяет использовать композиционные материалы в узлах деталей, подвергающихся статическому и динамическому нагру-жению при достаточно высоких температурах. Однако известно, что при температурах до 1000 °С безвольфрамовые твердые сплавы имеют хрупкий характер разрушения и невысокие значения вязкости разрушения [1].
Механизм разрушения твердых сплавов определяется особенностями их структуры, химическим составом, начальными очагами разрушения в виде пор и поровых каналов, несплошностями в межчастичных исходных границах и режимами спекания. В зависимости от соотношения пределов прочности металла матрицы, границ зерен, межчастичных границ, а также предела текучести материала в основном наблюдается три типа разрушения: внутризе-ренное, межзеренное и межчастичное. Эти типы разрушений могут протекать как по хрупкому, так и по вязко-пластическому механизмам,
Исследование характера разрушения сплавов Т1С-Т1№ определило роль связующей фазы и вли-
