CC BY
9ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Cfa
мерная структура технологического процесса (рис.2).
Технологу необходимо обучить нейросеть на примерах сработанных технологий типовых деталей и использовать ее в дальнейшем для синтеза размерных структур деталей данного типа.
Такой подход может быть реализован на многих современных CAD и САМ системах. Более того, данный метод может стать основой диалоговой графической САРР проектирования маршрутной технологии.
Та<им образом, применение нейронных сетей позволяет создать оптимальную размерную структуру технологического процесса. Параллельность вычислений нейросети обеспечивает высокую скорость разработки структур, значительно сокращает время технологической подготовки производства и позволяет дать гарантированное заключение о целесообразности технологического процесса с точки зрения достижения требуемой точности размеров детали.
ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ТРЕЩННОСТОЙКОСТИ1
А. Г. ТЮРИН, канд. техн. наук, Н.В. ПЛОТНИКОВА, канд. техн. наук, В.Г. БУРОВ, профессор, канд. техн. наук, C.B. ВЕСЕЛОВ, аспирант, Е.Д. ГОЛОВИН, магистрант, НГТУ, г. Новосибирск
Развитие машиностроения основывается на создании новых материалов с высокой конструктивной прочностью, в том числе материалов с упрочняющими покрытиями. Защитные покрытия, обеспечивающие новые свойства, позволяют повышать эксплуатационную стойкость деталей машин и элементов конструкций. Особое место среди материалов, применяемых для нанесения покрытий, занимают твердые сплавы - композиционные материалы, имеющие в качестве упрочняющей фазы сверхтвердые тугоплавкие частицы. Исполэзование вольфрамокобальтовых твердых сплавов для изготовления режущих и деформирующих элементов обрабатывающего инструмента позволило повысить производительность металлообработки о дссятки раз. Механические и эксплуатационные свойства вольфрамокобальтовых покрытий в значительной степени зависят от их строения. При формировании покрытия важную роль играет соотношение между кобальтом, вольфрамом и углеродом (связанным и свободным). Недостаток углерода в спекаемой композиции приводит к образованию сложных карбидов, резко снижающих механические характеристики и эксплуатационные свойства. Избыток углерода приводит к выделению свободного графита, снижающего твердость материала и являющегося источником зарождения трещин.
Цель работы: исследование возможности формирования бездефектного переходного слоя (в структуре которого отсутствуют сложные карбиды и свободный углерод) между покрытием и среднеуглеродистой сталью методом предварительного борирования основного металла; исследование влияния режимов предваритель-
' Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 07-08-00621-а.
ного борирования основного металла на показатели циклической трешиностойкости образцов с покрытиями.
В качестве объекта исследования была выбрана сред-неуглеродистая конструкционная сталь 45 в отожженном состоянии и после борирооания. В качестве материала покрытия использовали твердосплавную порошковую смесь карбида вольфрама и кобальта (ВК6) с содержанием кобальта 6 масс. %. По гранулометрическому составу порошок соответствовал классу М (частицы фракции 1...3 мкм). Борирование проводили в герметичных контейнерах при температурах 850, 900, 950, 1000 оС в течение 6 часов. За~ем на стальные образцы в виде пластин толщиной 2,5 мм наносился шликерный осадок из порошковой смеси BKG. Спекание осадка проводили в вакуумной печи СШВЭ-1,25 при температуре появления жидкой фазы. Скорость нагрева - от 1 до 4 °С/с, время выдержки при температуре жидкой фазы 30 с, скорость охлаждения - от 0,08 до 0,6'С/с, вакуум - 1.10-2 ... 5.10-4 Па.
Из полученных композиций изготавливались поперечные микрошлифы, на которых исследовали структуру и микротвердость поверхностного слоя (покрытия, переходной зоны и основного металла с измененной ифуктурой). Металлографические исследования проводились с использованием оптических микроскопов NU-2E и Zeiss AXIO Observer Alm. Определение фазового состава покрытия и переходного слоя осуществлялось на установках ДРОН-ЗМ и APOH-SEIFERT-RM4 (Я = 192 мм, СиКа-излучение, Ni-фильтр, счетчик сцинтилляционный, фокусировка Брэгга-Брентано).
Испытания по определению параметров усталостной трещиностойкости проводили на установке, реализую-
№ 1 (38)2008
C^I ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
щей мягкий цикл нагружения, т.е. режим, при котором заданной величиной является нагрузка, действующая на образец. Нагружение плоских образцов осуществлялось по схеме трехточечного изгиба. Размах коэффициента интенсивности напряжений рассчитывали по оормулам, представленным в работе [1].
Оценку характера объемного и поверхностного разрушения материалов проводили путем изучения поверхности излома, полученного после усталостного разрушения в лаборатории динамических воздействий Института гидродинамики СО РАН, на растровом микроскопе LEO 420.
В процессе нагрева вольфрамокобальтовой порошковой смеси на поверхности стали 45 при 1300 оС наблюдается стабильное появление жидкой фазы. Металлографические и л^фрактометрические исследования фазового состава полученных композиций выявили четыре ярко выраженные характерные зоны (рис. 1 ):
Покрытие Сталь 45
к >{«-->Ц----►)<■— >|
11ереходный Науглероженная
слой сталь 45
Рис. 1. Микроструктура композиции «Сталь - покрытие ВК6» 7^ = 1300'С, т^Юс
- покрытие, состоящее из частиц карбида вольфрама, расположенных в матрице, содержащей кобальт, железо, вольфрам;
- переходный слой, состоящий из частиц карбида вольфрама и частиц двойного карбида Ре3\Л/3С;
- науглероженная область стали 45;
- исходная феррито-перлитная структура стали 45.
Таким образом, в процессе спекания вольфрамокобальтовой порошковой смеси при температурах выше 1200 вС имеет место взаимодействие частиц карбида вольфрама и железа с образованием сложного карбида Ре3\Л/3С и углерода [2]. Диффузия углерода из покрытия в основной металл приводит к обеднению зоны химического взаимодействия углеродом. Это способствует сохранению частиц сложных карбидов в переходном слое размером от 40 до 60 мкм при охлаждении материала до комнатных температур. Наличие частиц такого размера в переходном слое существенно снижает егс твердость и отрицательно влияет на конструктивную прочность сформированных композиций.
Проведенными исследованиями было показано, что эффективным воздействием на шрушуру твердосплавных покрытий, получаемых по технологии жидкофазного
спекания, является снижение температуры спекания. Предварительное борирование основного металла позволяет снизить температуру устойчивого появления жидкой фазы от 1300 до 1175 оС за счет образования з поверхностном слое стали эвтектики - Ре - Ре2В.
Покрытия, сформированные на предварительно борированных сталях, имеют структуру твердого сплава с наличием частиц карбида вольфрама (рис. 2). В структуре переходного слоя можно встретить незначительное количество частиц сложного карбида (РеЗ\/\/ЗС) размером до 2 мкм. Минимальная толщина переходного слоя, полученного на стали 45 госле предварительного борирования, составляет 20 мкм. Значения микротвердости сформированных покрытий находятся в пределах 12000...15000 МПа.
Рис. 2. Микростуктура композиции «сталь 45 (борирование 900 'С 6 ч)- покрытие ВК6>»
Важными показателями конструктивной прочности материалов являются характеристики, отражающие их способность сопротивляться развитию усталостньх трещин. В данной работе в качестве критериев усталостной трещиностойкости были использованы параметры поведения материалов, полученные на основе анализа кинетических диаграмм усталостного разрушения (КДУР). В работе [3] отмечается, что покрытие может оказывать двоякое влияние на надежность изделия в целом, при этом большую роль в формировании свойств комппяиции играет межфазная граница. В зависимости от свойств переходного слоя трещина в детали может распространяться как в материале покрытия и основном металле, так и по границе раздела.
Установлено отрицательное влияние температуры предварительного борирования основного металла (стали 45) на циклическую трещиюстойкость композиции «сталь 45 (после борирования) - ВК6» (рис. 3). Так пороговое значение размаха коэффициента интенсивности напряжений у образцов с покрытиями уменьшается с 12,5 до 7,6 МПа*м1/2, при увеличении температуры предварительного борирования от 850 до 1000 °С.
Сравнение полученных КДУР композиций «сталь 45 (после борирования) - вольфрамокобальтовое покрытие» с диаграммой усталостного разрушения стали 45 после отжига показывает, что значение коэффициента интенсивности напряжений образцов с покрытиями (полученных на стали 45 после борирования при 850, 900, 950 оС) еыше значений A/Cth для отожженной стали 45.
Повышение коэффициента интенсивности напряже-
26 № 1 (38) 2006
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
крытие» показало, что фронт распространения трещины основного металла и покрытия опережает разрушение переходного слоя. Схема распространения фронта усталостной трещины и фрактограмма излома представлены на рис. 4.
Таким образом, по результатам проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы.
1. Эффективным методом воздействия на структуру твердосплавных покрытий, получаемых по технологии жидкофазного спекания, является предварительное бо-рирование основного металла. Минимальная толщина переходного слоя, полученного на стали 45 после предварительного борирования при 900 сС, составляет 20 мкм. При этом микротвердость сформированных покрытий достигает 15000 МПа.
2. Коэффициент интенсивности напряжений образцов с покрытиями полученными на стали 45 послс борирования при 350, 900, 950 °С, выше значений АК{Ь для отожженной стали 45 (8 МПа*м1/2) и составляет 12,5,11,3 и 9 МПа*(м)1/2 соответственно.
Список литературы
1. Механика разрушения и прочность материалов: справ, пособие в 4 т. / под. ред. В.В. Панасюка. - Киев: Наукова думка, - 1988 - 1990. - Т.4: Усталость и циклическая трещиностой-кость конструкционных материалов. - 1990 - 680 с.
2. Тюрин А.Г Исследование особенностей формирования твердосплавных покрытий на поверхности технического железа / Физическая мезомеханика. - Т.7. - 4.2. - 2004. - С. 209-211.
3. Тушинский Л.И. Методы исследования материалов: структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий / Л.И. Тушинский, A.B. Плохое, А.О. Токарев. В.И. Симдеев. - М.: Мир, 2004. - 384 с.
4. Козырев Г.В. Усталость упрочненных цементацией сталей при ударных нагрузках: Автореф. дис. канд. техн. наук.-Томск, 1972. - 18 с.
5. Кулик А.Я. Исследование влияния циклического нагру-жения на изменение свойств сталей подвергнутых химико-тер-мической обрабо~ке: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Минск, 1971.- 18с.
ний (ДК№) вероятно связано с борированием основного металла. Так увеличение параметров усталостной тре-щиностойкости образцов госле химико-термической обработки материала (цементация, борирование) наблюдали авторы работ [4, 5]. По данным работы Козырева Г.В., главной причиной повышения усталостной прочности материала являются остаточные сжимающие напряжения поверхностного слоя, сформированные в результате химико-термической обработки.
Рис. 3 Влияние температуры предварительного борирования
стали 45 на КДУР образца с покрытием: • - отжиг 900 'С без покрытия; О - борирование 850 'С, 6 ч; А - борирование 900 °С, 6 ч; □ - борирование 950 "С, 6 ч;
■ - борирование 1000 'С, 6 ч; Из\чение поверхности изгома композиции «сталь 45 (борирование 850 оС, 6 ч)- вольфрамокобальтовое по-
<-Направление распространения трещины
Рис. 4. Схема распространения фронта усталостной тэещины и фрактограмма излома после усталостногс разрушения
композиции «сталь 45 (борирование 850 *С, 6 ч)- покрытие ВК6»
Переходный слой Покрытие
Концентратор
Основной металл
Фронт распространения усталостной трещины
№ 1 (38)2008
