CC BY
44
УДК 621.9.087.2
Улучшение характеристик режущих инструментов из быстрорежущих сталей магнитно-абразивной и магнитной обработкой
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
Ю. М. Барон
Магнитно-абразивная и магнитная обработка перемагничиванием изменяют состояние поверхностного слоя лезвий режущих инструментов и таким образом улучшают эксплуатационные характеристики этих инструментов.
Изучению свойств тонкого поверхностного слоя, его влияния на объемные физико-механические свойства кристаллических тел были посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых: А. Ф. Иоффе, П. А. Ре-биндера, Н. Н. Давиденкова, И. Крамера и др. Установлен факт, что энергия свободной поверхности тела и состояние тонкого поверхностного слоя оказывают существенное влияние и на физико-механические свойства макротела, и на протекание процессов его разрушения. К настоящему времени сложилось понимание, что после любого вида обработки поверхность металла представляет собой многослойный композит [1]. Первый поверхностный слой в несколько межатомных расстояний обладает измененными упругими постоянными, ангармонизмом тепловых колебаний атомов, межатомными расстояниями и т. д. Второй слой (от 1000 А до нескольких микрометров) обычно отличается по химическому составу. Третий слой (20-400 мкм и более) может отличаться от основного материала дефектной структурой, фазовым составом, напряженным состоянием, текстурой и присутствием микротрещин.
N Щ ( Б
\ V к
"вфе
Рис. 1. Схемы МАО (а) и МО (б) образцов при проведении исследований
В ряде работ [2, 3 и др.] было показано, что магнитно-абразивная и магнитная обработка поверхностей стальных тел приводит к снижению коэффициента трения и повышению их износостойкости. В процессе обоих видов обработки на материал заготовки воздействует переменное магнитное поле. Если после магнитно-абразивной обработки (МАО), сопровождающейся абразивным удалением припуска, названные улучшения свойств поверхностей могут быть следствием изменения высоты микронеровностей и других характеристик микропрофиля поверхности, то на магнитную обработку (МО) эти объяснения не могут быть распространены, поскольку в этом случае припуск не удаляется и изменений микропрофиля поверхности не происходит. Для резания металлов коэффициент трения на поверхностях лезвий инструментов и износостойкость этих поверхностей имеют большое значение, и изучение природы названных изменений свойств поверхностей предполагает возможность совершенствования производства режущих инструментов и повышения эффективности резания.
Для объяснения названных изменений выполнены исследования поверхностного слоя на кольцевых образцах из закаленной стали Р6М5 (61-62ИКСэ) после их шлифования, шлифования и МАО, шлифования и МО. Термообработку образцов перед исследованиями производили по стандартной для этой стали технологии. Магнитно-абразивную и магнитную обработку наружной поверхности образцов осуществляли по схемам, изображенным на рис. 1. Образец, закрепленный на оправке, вращается с частотой п между полюсами постоянного магнита. В процессе МАО (рис. 1, а) зазоры между полюсами и наружной поверхностью образца заполнены порошком, обладающим магнитными и абразивными свойствами. Порошок прижат к поверхности образца и осуществляет абразивное удаление припуска. Одновременно каждый единичный объем материала образца, находясь напротив любого из полюсов, намагничивается и за каждый обо-
I лЁт^ЛЛ00БРАВО ТКА
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
рот дважды перемагничивается. В процессе МО (рис. 1, б) магнитно-абразивный порошок в зазорах отсутствовал, и образец претерпевает только многократное перемагничивание. Частота вращения п, магнитная индукция В и длительность обработки сохранялись такими же, как при МАО.
При исследовании химического состава поверхностного слоя использовали метод оже-спектроскопии. Поверхность каждого образца послойно стравливали бомбардировкой ионами серебра с энергией 3 кэВ при плотности тока 7 мкА/см2. При каждом единичном стравливании удаляли слой толщиной 350 А. Спектры оже-электронов после каждого стравливания получали на режиме: энергия первичных электронов 2,9 кэВ, давление в спектрометре 4 • 10-7 Па. Тарирование спектров производили по пикам спектров, полученных на таких же режимах с фольги из чистого вольфрама, хрома, молибдена, ванадия.
Содержание остаточного аустенита в поверхностном слое после термообработки, шлифования, МАО и МО определяли рентгенографическими исследованиями. Напряженное состояние стали в поверхностном слое в виде тангенциальных напряжений 1-го рода измеряли по методике Н. Н. Давиденкова.
Рентгенографическими исследованиями поверхностей тех же образцов установлено, что после термообработки содержание остаточного аустенита (Аост) у поверхности составляло 3-5 %, после шлифования — 36 %. Пики аустенита на спектрах после шлифования имели размытую форму, что означает высокую неоднородность легирования аустени-та и напряженное состояние его отдельных микрообъемов. Это должно способствовать дестабилизации данной фазы при внешних воздействиях на поверхность. Зафиксированный здесь аустенит является вторичным, образовавшимся при шлифовании под действием высоких температур резания и быстрого охлаждения. Разговор об Аост поднят здесь потому, что его распад является причиной изменения химического состава в поверхностном слое.
В процессе МАО шлифованных образцов содержание Аост в поверхностном слое убывает до нуля по мере увеличения длительности полирования. Это может быть объяснено как удалением верхнего слоя, наиболее насыщенного Аост, так и распадом Аост в неудаленной части поверхностного слоя в результате циклического механического и магнитного воздействия на поверхность. Магнитное воздействие выражается в многократных магнито-
стрикционных деформациях микрообъемов поверхностного слоя. Зафиксирована связь распада Аост с частотой, длительностью пере-магничивания и магнитной индукцией в рабочем зазоре.
На рис. 2 показано содержание Аост на глубине 0,3 мкм от поверхности образца после шлифования, МАО и МО. Магнитная обработка снижает содержание Аост, образовавшегося при шлифовании. Еще большее снижение проявляется после магнитно-абразивной обработки. Увеличивая длительность МАО или МО, можно полностью устранить остаточный аустенит в поверхностном слое.
В процессе магнитной обработки образец подвергается только циклическому магнитному воздействию без удаления припуска. Поверхностный слой претерпевает многократное перемагничивание, во время которого каждый микрообъем из-за магнитострикции многократно деформируется в разных направлениях. Под воздействием деформаций Аост распадается с у ^ а-превращением кристаллической решетки железа и с выходом из нее избыточного углерода. Превращение у ^ а должно сопровождаться увеличением объема кристаллической решетки, но поскольку в холодном состоянии увеличение объема твердого тела невозможно, то это является причиной возникновения в поверхностном слое остаточных внутренних напряжений сжатия.
Химический состав поверхностного слоя образцов после всех трех видов обработки отличается по концентрации легирующих элементов (W, V, Мо, Сг) от исходного химического состава стали. В поверхностном слое на глубине 1 мкм содержание легирующих элементов в поверхностном слое изменяется по мере приближения к поверхности. На рис. 3 в качестве примера показаны графики изменения в поверхностном слое содержания вольфрама. Похожая картина (но в другом чис-
А
ост'
40
30 20 10
0
Рис. 2. Содержание остаточного аустенита у поверхности после шлифования, МАО и МО вслед за шлифованием
%
- Шлифование
МО
- МАО
й а
л
4 о п
CD
5 М Й Й а
CD
ч о
а
3
X
__10-anf __
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Глубина слоя от поверхности h, мкм
Рис. 3. Содержание вольфрама в стали Р6М5 по глубине поверхностного слоя:
1 — до шлифования; 2 — после шлифования; 3 — после МАО шлифованной поверхности; 4 — после МО шлифованной поверхности
ленном выражении) наблюдается для ванадия и молибдена. Минимумы концентрации W, Mo, V расположены на глубине 0,1-0,2 мкм от поверхности. На указанной глубине содержание вольфрама после шлифования составило лишь 30 % от нормы для данной марки стали (кривая 2 на рис. 3), молибдена — 40 %, ванадия — 30 %, хрома — 80 %.
Содержание хрома у поверхности уменьшается после шлифования на 30 % и после МАО на 20 %, но не восстанавливается магнитной обработкой.
Из-за пониженного содержания в поверхностном слое шлифованных образцов карби-дообразующих металлов W, Mo, V, Cr соответственно уменьшенным здесь должно быть и количество карбидов этих металлов. Это обстоятельство должно иметь следствием пониженные твердость и износостойкость поверхностей шлифованных лезвий инструментов.
Уменьшение содержания легирующих элементов в поверхностном слое является результатом диффузионных явлений. В работах [3, 4] показано, что причиной диффузии атомов в твердом теле может быть не только разница в концентрации того или иного элемента в смежных областях, но также наличие областей, отличающихся повышенной плотностью дефектов, повышенным напряженным состоянием, наличием областей с разным строением кристаллической решетки. Примесные атомы диффундируют в названные области.
В процессе шлифования в результате механического и теплового воздействия в поверхностном слое возникают высокие внутренние напряжения, возрастающие по мере приближения к поверхности и вызывающие диффузию к поверхности легирующих элементов из подслоя с глубиной более 0,1 мкм (кривая 2
на рис. 3). Ближайший к поверхности слой с притекающими легирующими элементами непрерывно удаляется абразивным путем. В результате поверхностный слой обработанной поверхности оказывается обедненным химическими элементами, более склонными к диффузии.
В процессе МО образец подвергается только циклическому магнитному воздействию без удаления припуска. В поверхностном слое происходит фазовое превращение у ^ а кристаллической решетки железа, сопровождающееся увеличением ее объема. В холодном состоянии увеличение объема невозможно, и это является причиной возникновения остаточных внутренних напряжений сжатия. Восходящая диффузия легирующих элементов к поверхности не только восстанавливает у поверхности содержание легирующих элементов, нарушенное шлифованием, но даже приводит в случае с вольфрамом к избыточной его концентрации (кривая 4 на рис. 3).
В процессе МАО механические и тепловые воздействия на обрабатываемую поверхность менее интенсивны, чем при шлифовании. Но каждый микрообъем поверхностного слоя дважды перемагничивается, проходя мимо полюсов магнитного индуктора. В результате циклических механических и магнитных воздействий здесь тоже происходят распад Аост и образование внутренних напряжений сжатия, приводящих к восходящей диффузии легирующих элементов. Легирующие элементы диффундируют к поверхности и по аналогии со шлифованием удаляются абразивным путем. В результате у поверхности содержание легирующих элементов тоже оказывается заниженным, но в меньшей степени, чем после шлифования. Здесь уместно заметить, что в процессе МАО дефектный слой от предшествующего шлифования удаляется (на закаленных сталях удаляемый припуск равен 3-5 мкм), и МАО не восстанавливает химический состав поверхностного слоя после шлифования, а создает собственный дефектный слой с меньшими искажениями химического состава (кривая 3 на рис. 3). Уровень концентрации карбидообразующих элементов у поверхности выше, чем после шлифования. Соответственно выше должен быть уровень содержания карбидов вольфрама. Похожие изменения происходят с концентрацией молибдена и ванадия.
В этом же исследовании отмечены появление после МО в тонком поверхностном слое 2-3 % кислорода, ранее отсутствовавшего
4
6
4
2
МЕТА^ ||РАОТКА
МЕТАЛЛ
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
°ост, МПа
400 200
0
-200 -400
Рис. 4. Остаточные напряжения в поверхностном слое стали Р6М5:
1 — после шлифования; 2 — после МАО; 3 — после МО
у шлифованных образцов, и увеличение концентрации углерода. Появление кислорода позволяет предположить образование оксидов, способных играть роль смазки в процессе резания. Повышенное содержание углерода в несвязанном виде тоже способствует снижению коэффициента трения на поверхностях лезвий инструментов, он же — строительный материал для новых карбидов.
Измерения внутренних остаточных напряжений методом Н. Н. Давиденкова на образцах из закаленной стали Р6М5 подтвердили
высказанные выше предположения о механизме диффузионных явлений в процессах МАО и МО. У шлифованных образцов внутренние напряжения у поверхности были растягивающими, достигая максимума на глубине до 5 мкм (рис. 4). После МАО внутренние напряжения в поверхностном слое стали сжимающими и варьировались в пределах -300...-800 МПа (в зависимости от режима и длительности обработки) на глубине 0,5 мкм. Перемагничивание шлифованных образцов привело к изменению растягивающих напряжений (после шлифования) на сжимающие с вариацией в пределах -300... .«-700 МПа. Значения напряжений зависят от режима обработки.
Результатами измененного химического состава, фазовых превращений и образования благоприятных внутренних остаточных напряжений в поверхностном слое после МАО и МО явились: снижение начального коэффициента трения при сухом и граничном трении, повышение прочности смазочных пленок при граничном трении, повышение износостойкости поверхности, повышение циклической долговечности инструментальной стали. Следует отметить, что магнитно-абразивная обработка инструментов кроме уже названных изменений в поверхностном слое позволяет
Таблица 1
Результаты производственных испытаний метчиков, подвергнутых магнитно-абразивной обработке
Предприятие Размеры отверстия Обрабатываемый материал Материал метчика Коэффициент повышения стойкости Кт
М12 х 1 1Х17Н2 Р9К5 1,5
Северный завод М12 х 1 35ХГСЛ Р6М5 2,0
М12 х 1,5 12Х2Н2ВФА Р6М5К5 3,0
М22 х 1,5 12Х2Н2ВФА Р9К5 1,9
Машиностроительный завод М20 х 2 Высокопрочная сталь Р6М5 МАО — 8,0; МАО и МО — 9,7
М20 х 2,5 Высокопрочная сталь ИЗБ, фирма Уег^папо 2,3
Сестрорецкий завод им. Вос- М10 Р6М5 Р6М5 4,2
кова в плашках
ИАЭ им. Курчатова М16 х 3 12Х18Н10Т Р6М5 2,1
Завод «Фрезер» М12 Сталь 45 Р6М5 1,5
Завод «Пирометр» М2 14Х17Н2 Р6М5 1,8
М2 ВТ3 Р6М5 6,5
ГАЗ М10 х 1 — Р6М5 2,5
ВАЗ М8 х 1,25 08кп Заводское изготовление 1,4
Рославльский автоагрегатный М30 х 1,5 15кп Р6М5 1,33
завод
ЛМЗ М20 х 2,5 10Х18Н10Т Р6М5 1,5
Таблица 2
Результаты производственных испытаний спиральных сверл и разверток, подвергнутых магнитно-абразивной обработке
Предприятие Инструмент Дополнительная финишная обработка Обрабатываемый материал Коэффициент Кт
Mitsui & Co. Ltd. (Япония) Зенкер-развертка, 08, сталь НЕБ МАО SUS 304 L 2,0...3,0
ЗИЛ Сверло, 04,3, Р6М5 Сверло, 05,7, Р6М5 Сверло, 09,3, Р6М5 МАО ШХ15, 190НВ 1,15 1,20 1,80
Сестрорецкий завод им. Воскова Сверло, 011, Р6М5 МАО + шлифование ленточек Сталь 45, 185НВ 1,4
Сверло, 011, Р6М5 Дробеструйная + МАО 1,8
Калининградский завод Сверло, 04, Р6М5, цианированное МАО Сталь 5ХНМ 2,5
Таблица 3
Результаты производственных испытаний фрез, подвергнутых магнитно-абразивной или магнитной обработке
Предприятие Инструмент Дополнительная финишная обработка Обрабатываемый материал Коэффициент Кт
Завод «Пирометр» Фреза концевая, 08, Р6М5 МАО Сталь 14Х17Н2 3,75
МАО + TiN 4.38
Машиностроительный завод Фреза концевая, 012, Р6М5 МАО Сплав ИВМ-2 1,5
Лаборатория ЛПИ Фреза концевая, 030, Р6М5, Р18 МО Сталь 45ХН 1,7
Кировский завод Фреза червячная, 0125, т = 6 мм, Р6М5 МО Сталь 45ХН 1,4-1,8
снижать шероховатость поверхностей лезвий до параметра Яа = 0,04 ^ 0,02 мкм и управляемо производить округление режущих кромок. Эти свойства МАО также имеют существенное значение для повышения стойкости режущих инструментов.
Выполненные исследования положены в основу разработки условий МАО для упрочнения метчиков и концевых фрез и условий МО для повышения стойкости червячных фрез и бритвенных лезвий. Обработанные названными методами инструменты испытаны на многих заводах страны (табл. 1). На ряде заводов технологии МАО и МО были использованы для повышения периода стойкости инструментов, замены комплектов метчиков одинарными метчиками или для повышения качества нарезаемой резьбы. В каждом испытании участвовали и подлежали сравнению метчики одинаковой конструкции, с одинаковой предысторией, но с дополнительной операцией МАО или без нее на финишной стадии изготовления метчиков. Более высокие результаты по стойкости в испытаниях
получены при нарезании резьбы в труднообрабатываемых материалах.
Результаты производственных испытаний спиральных сверл, разверток, концевых и червячных фрез, подвергнутых МАО и МО, отражены в табл. 2 и 3 [5, 6]. Важно отметить, что выполнение операции МАО перед нанесением на инструмент износостойких покрытий Т1К повышает прочность покрытий и период стойкости инструмента с покрытием. Коэффициенты повышения стойкости получены сравнением периодов стойкости одноименных инструментов, изготовленных по технологии предприятия и подвергнутых МАО (МО).
Выводы
1. Магнитно-абразивная обработка и магнитная обработка, выполненные на финишной стадии изготовления инструментов, повышают период стойкости инструментов из быстрорежущих сталей. Коэффициент повышения стойкости зависит от условий резания и качества термической обработки инструмен-
ПШАЛЛООБРАБОТКА
та. Упрочняющее действие этих видов обработки подтверждено многочисленными производственными испытаниями инструментов.
2. Причинами повышенной стойкости являются изменения химического и фазового состава поверхностного слоя лезвий инструментов, а также снижение шероховатости поверхностей и округление режущих кромок (в случае магнитно-абразивной обработки).
Литература
1. Физика и технология обработки поверхности металлов / Под ред. В. И. Владимирова, А. Е. Романова. Л.: ФТИ АН СССР, 1984. 202 с.
2. Барон Ю. М., Сенчило И. А. Изменение эксплуатационных характеристик поверхностей инструментов
из быстрорежущих сталей в результате их перемагни-чивания // Тр. ЛПИ. 1980. № 368. С. 88-90.
3. Гаев И. О. Диффузия элементов в железе и стали. М.: Металлургия, 1965. 57 с.
4. Бокштейн В. С., Бокштейн С. 3., Луховицкий А. А. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах. М.: Металлургия, 1977. 280 с.
5. Барон Ю. М., Фоминичева Н. М., Иванов С. Ю. Отделочно-упрочняющая обработка металлорежущего инструмента методом магнитно-абразивного полирования // Тез. докл. науч.-техн. конф. «Интенсификация и автоматизация отделочно-зачистной обработки деталей машин и приборов». Ростов-на-Дону: РИСХМ, 1988. С. 110-112.
6. Барон Ю. М. Повышение долговечности пар трения магнитной обработкой: сб. докл. Междунар. конф. «Методы отделочно-упрочняющей и стабилизирующей обработки ППД...». Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2010. С. 154-158.
<г
Издательство «Политехника» предлагает:
Лк
Интеллектуальный капитал. Материализация интеллектуальных ресурсов в глобальной экономике / В. В. Макаров, М. В. Семенова, А. С. Ястребов; под ред. В. В. Макарова. — СПб.: Политехника, 2012. — 688 с.: ил.
ISBN 978-5-7325-0965-6 Цена: 990 руб
В книге рассмотрены правовые основы существования интеллектуальной собственности (ИС), экономическое обоснование оценки нематериальных активов и их капитализации в интеллектуальной организации. Исследуются генезис и значение интеллектуального капитала в экономике, роль его неотъемлемой составляющей — знаний.
Показано эволюционное развитие понятия «объект ИС» от библейских времен до современной трактовки в международном законодательстве и законодательстве РФ. В главах об авторском и смежных правах и промышленной собственности подробно классифицированы объекты ИС: не только художественные произведения или отдельные результаты технического творчества (изобретения, промышленные образцы, товарные знаки и др.), но и новые результаты интеллектуальной деятельности, приобретающие в настоящее время статус объектов гражданско-правового регулирования. Подробно классифицированы нормативы отчислений авторского гонорара за использование оригинальных произведений и отчислений различных субъектов творческой деятельности. Изложены правовые способы защиты при использовании любых объектов ИС, освещена современная проблематика в сфере оборота их правового регулирования. Охарактеризованы ценностные ориентиры общественной и экономической значимости объектов ИС. Последовательно изложены принципы возникновения интеллектуального капитала, способы измерения стоимости объектов ИС при их использовании в общественной жизни, экономике и коммерческой деятельности. Охарактеризована интегрированная связь специального образования и предпринимательства в становлении инновационного менеджмента по управлению нематериальными ресурсами. Авторы предлагают кластерную характеристику нематериальных ресурсов, способных стать основными факторами при капитализации предприятий.
Монография написана на базе новейшего зарубежного и российского законодательства, международных соглашений, зарубежного и российского опыта охраны прав на объекты интеллектуальной собственности.
Книга предназначена для широкого круга читателей — бизнесменов, консультантов, преподавателей, научных работников, она будет полезна студентам и аспирантам, обучающимся по экономическим специальностям, а также слушателям тренингов и специальных профессиональных семинаров.
J
