CC BY
35
2. Корн, Г. Справочник по математике / Г. Корн, Т. Корн. - М.: Наука, 1973. - 831 с.
3. Dameshmend, L. K. Model Reference Adaptive Control of Cutting Force in Milling in Dynamic Systems: Modeling and Control Donath / L. K. Dameshmend, H. A. Pak. -New York, 1985.
4. Li, Xiaoli. On-Line Detection of the Breakage of Small Diameter Drills Ussing Current Signature Wavelet transform / Li Xiaoli, J. Mach // Tools & Manufacture. - 1999. - No. 39. -P. 157-164.
5. Research on fault monitor system of CNC machining of free-form surfaces based on wavelet analysis. Xu Shuxin, Zhao Ji, Zhan Jianming, [et al.] // Journal of Materials Processing Technology. - 2002. - No. 129 (1-3). - P. 588-591.
6. Liu, F. Study on Energy Flow Models of Mechanical Transmission Systems / F. Liu, Z. J. Xu // Chinese Journal of Mechanical Engineering. - 1993. - Vol. 6, No. 3. - P. 215-219.
7. Weinert, K. Relation Between Process Energy and Tool Wear when Turning Hardfacing Allos / K. Weinert // Annals of the CIRP. - 1994. - Vol. 43, No. 1. - P. 97-100.
8. Mallat, S. A theory of multiresolution signal decomposition: the wavelet transform / S. Mallat // IEEE Trans., PAMI-11. - 1989. - No. 7. - P. 674-693.
9. Daubechies, 1 The wavelet transform, time- frequency localization and signal analysis / I. Daubechies // IEEE Trans., IT-36. - 1990. - No. 5. - P. 961-1005.
Поступила 20.01.2009
УДК 621.785.539
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ТЕРМОДИФФУЗИОННОЙ КАРБОНИТРАЦИИ И СТРУКТУРЫ ДИФФУЗИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ Р6М5
Канд. техн. наук КУХАРЕВА Н. Г., инж. ПЕТРОВИЧ С. Н., канд. техн. наук ГАЛЫНСКАЯ Н. А.
Белорусский национальный технический университет
Повышение эксплуатационных характеристики изделий из инструментальных сталей может быть достигнуто применением поверхностной обработки. В частности, использование диффузионного карбонитрирования в качестве финишной химико-термической обработки деталей машин, инструмента и технологической оснастки позволяет существенно повысить срок их эксплуатации за счет создания на рабочих поверхностях изделий карбонитридного термодиффузионного покрытия [1].
Цель работы - исследование влияния условий проведения термодиффузионной карбо-нитрации в бесцианистых порошковых средах на механические свойства инструментальных сталей и изучение их взаимосвязи со структурой диффузионных покрытий.
Исследования проводились на быстрорежущей стали Р6М5. Состав стали Р6М5: 0,85 % С; 4,0 % Сг; 6,0 % 5,0 % Мо; 2,0 % V [2].
Для придания структурной однородности образцы из стали Р6М5 перед диффузионным
насыщением подвергали типовой термической обработке: закалка от температуры 1220 °С, охлаждение в масле и трехкратный отпуск при температуре 550 °С. Химико-термическую обработку проводили в порошковой среде, которая содержала уголь, соду Ка2С03 и калий же-лезистосинеродистый К4Бе(СК)6 при температурах 450; 500 и 550 °С в течение шести часов.
Металлографические исследования структур, полученных в результате применения химико-термической обработки, были выполнены с помощью оптического микроскопа №ор-Ьо1>21. Полированные образцы протравливали в 3%-м растворе азотной кислоты ИК03.
Рентгеноструктурный анализ при исследовании фазового состава диффузионных покрытий выполнялся на дифрактометре ДРОН-3 с использованием медного излучения СиКн, скорость перемещения счетчика - 1 град ./мин. Микрорентгеноспектральный анализ осуществлялся с помощью установки СашеЬах фирмы Сашеоа. Количественный стереологический
анализ карбонитридов проводился на аттестованном автоматическом анализаторе изображения Mini-Magiscan фирмы Joyce Loebl, Англия, по программе Genias 26. Объекты распределялись по параметру средний габарит на 10 интервалов от минимального до максимального значения. Замеры микротвердости выполняли на микротвердомере ПМТ-3 с прилагаемой нагрузкой 0,5 Н. Определение сопротивления износу производили с использованием трехвал-кового метода с применением удельной нагрузки 50 и 400 МПа. Скорость износа составляла 0,56 м/с, время испытаний - 100 мин, смазка осуществлялась с использованием масла марки SAE30, подаваемого со скоростью 30 кап./мин.
Фазовый состав карбонитридных покрытий на стали Р6М5 изучен в ранее проведенных исследованиях и описан в [3].
Из анализа микроструктур диффузионных слоев (рис. 1) следует, что количество, форма и характер распределения карбонитридных включений в слоях, полученных при различных температурах обработки, отличаются. Увеличение температуры проведения процесса насыщения приводит к получению диффузионных слоев с большим количеством карбидных и карбонитридных включений, имеющих меньшие размеры и более округлую форму.
Проведенный количественный микрорент-геноспектральный анализ (рис. 2-4) показал,
что £-карбонитрид, являющийся основной фазой диффузионного слоя, легирован молибденом, вольфрамом, ванадием и хромом. Хром является основным легирующим элементом £-карбонитрида, повышает его стабильность, твердость и износостойкость. Как известно [3, 4], хром в стали Р6М5 равномерно перераспределяется между структурными составляющими, т. е. 50 % от его содержания в стали находится в карбидной фазе, причем не в специальных карбидах хрома, а в качестве легирующего элемента в цементите, и 50 % хрома -в ос-фазе. е-карбонитрид образуется как на базе а-фазы, так и Ре3С, наследуя атомы хрома с их равномерным распределением в структуре. На рис. 2-4 это выявляется почти прямой линией.
Установлено, что увеличение температуры насыщения не сказывается на распределении хрома в диффузионном слое. При этом увеличение температуры насыщения приводит к снижению количества вольфрама в диффузионном слое и незначительному уменьшению количества молибдена (рис. 4).
В работе проведен количественный стерео-логический анализ, позволивший выявить количественное соотношение мелких и крупных *
частиц в слое в зависимости от температуры проведения процесса насыщения.
х250
х250
х250
Х2000
хЮОО
хЮОО
б
а
в
Рис. 1. Микроструктура карбонитридного слоя на стали Р6М5: а - температура насыщения составляет 450 °С,
время - 6 ч; б - 500 °С, 6 ч; в - 550 °С, 6 ч
* Карбидные, нитридные и карбонитридные включения, присутствующие в слое, в дальнейшем именуются частицами.
В результате проведенного анализа были обсчитаны крупные (от 0-0,5 до 4,5-5,0 мкм) и мелкие (от 0-0,1 до 0,9-1,0 мкм) частицы, обнаруженные в диффузионном слое.
Для удобства обозначения размеров частиц введена классификация их по классам.
Для крупных карбидов и карбо-нитридов: 1-му классу соответствуют частицы размерами 0-0,5 мкм; 2-му -0,5-1,0; 3-му - 1,0-1,5; 4-му - 1,5-2,0; 5-му - 2,0-2,5; 6-му - 2,5-3,0; 7-му -3,0-3,5; 8-му - 3,5-4,0; 9-му - 4,0-4,5; 10-му - 4,5-5,0 мкм.
Для мелких карбидов и карбо-нитридов: 1-му классу соответствуют частицы размерами 0-0,1 мкм; 2-му - 0,1-0,2; 3-му - 0,2-0,3; 4-му -0,3-0,4; 5-му - 0,4-0,5; 6-му - 0,5-0,6; 7-му - 0,6-0,7; 8-му - 0,7-0,8; 9-му -0,8-0,9; 10-му - 0,9-1,0 мкм.
На рис. 5 представлены гистограммы распределения объектов по среднему габариту.
Из гистограмм видно, что с увеличением температуры процесса карбонитрации до 550 °С возрастает общее количество карбидных и кар-бонитридных частиц, при этом увеличивается количество мелких частиц в диффузионном слое.
Исследования по изучению влияния условий проведения термодиффузионной карбонитрации на твердость покрытий, формирующихся на стали Р6М5, показали, что характер хода кривых изменения микротвердости по глубине слоя при различных температурах термодиффузионной обработки не меняется. Как видно из рис. 6, максимальные значения микротвердость карбонитридного слоя на стали Р6М5 имеет в поверхностных зонах слоя, затем плавно уменьшается
Cr V W Mo Fe
10 мкм
Fe
уши*
Cr
V
W
Mo
Рис. 2. Распределение элементов по толщине диффузионного с.110 при Тнас = 450 °С
Т,/ Г- tao4L
IJh
Cr V W Mo Fe
t 10м*м
10 мкм
Fe ,-Сг
V
Cr
i
W
90
Рис. 3. Распределение элементов по толщине диффузионного 0лоя при Тнас = 500 °С
1Лэ
Cr V W Mo Fe
10 мкм
m V
Mo W'W
105
Рис. 4. Распределение элементов по толщине диффузионного слоя при Тнас = 550 °С
от поверхности в глубь образца до твердости сердцевины, соответствую-
щей 8300 МПа при всех исследуемых температурах обработки. Увеличение температуры проведения процесса карбонитрации позволяет повысить поверхностную твердость от 1005011450 МПа при 450 °С до 13400-15250 МПа при 550 °С
и протяженность зоны повышенной твердости от 80 до 120 мкм.
140 120
^ 100
8 80 сО
ю 60 ° 40 20 0-
У
' 5С , 1 =71 25
1 23456789 10
Классы крупных частиц
140 „ 120 тык100
£ 80
ю
о 60
40 20
0-
123456789 10 Классы мелких частиц
= 450 °С; т = 6 ч
123456789 10 Классы крупных частиц
140
120
100 ты
тк 80 е
60
^ 40 20 0
123456789 10 Классы мелких частиц
стойкости на образцах, прошедших процесс обработки при более низкой температуре. Несмотря на то, что в данном случае в карбо-нитридном слое содержится наименьшее количество мелкодисперсных карбидов и карбонит-ридов и слой обладает наименьшей микротвердостью, эксплуатационная стойкость данных покрытий максимальная. Это заключение подтверждено промышленными испытаниями, проведенными на ОАО «ТАиМ», резьбонарезного инструмента. Наилучшие результаты показали метчики, подвергнутые карбонитрации при 450 °С.
а
12000
10000
8000
6000
= 500 °С; т = 6 ч
14000 12000 10000 8000 6000
40
80
120
160
140 120 100 80 60 40 20 0
Г
27
123456789 10 Классы крупных частиц
= 550 °С; т = 6 ч
Рис. 5. Гистограммы распределения частиц по дисперсности в зависимости от температуры обработки
В результате проведения процесса низкотемпературной карбонитрации износостойкость быстрорежущей стали может быть повышена в 1,2 раза. Как видно из рис. 7, наилучшие результаты по износостойкости исследуемых покрытий получены на образцах, карбонитриро-ванных при температурах 450-500 °С, причем ужесточение режима испытаний еще больше подчеркивает тенденцию улучшения износо-
^ 16000 14000
н
о 12000
4
& 10000
^ 8000 и
5 6000
40
80
120
Толщина слоя, мкм
160
Рис. 6. Распределение микротвердости по толщине кар-бонитридного слоя на стали Р6М5: а - Гнас = 450 °С; б - 500 °С; в - 550 °С
Приведенные результаты исследований позволяют предположить, что определяющее влияние на износостойкость карбонитридных покрытий, полученных на стали Р6М5 из порошковых бесцианистых сред, оказывает химический и структурный состав покрытий. А именно при увеличении температуры карбо-
Т
0
б
90
47
13
1 1 0
0 0
Т
0
40
80
120
160
в
80
Т
0
нитрации от 450 до 550 °С в диффузионном слое происходит перераспределение легирующих элементов - уменьшается количество вольфрама и молибдена (рис. 4). Кроме этого, при повышении температуры насыщения увеличивается толщина хрупкой поверхностной оксикарбидной зоны слоя, которая в процессе эксплуатации скалывается и, играя роль абразива, вносит дополнительное разрушающее воздействие.
rf 8
0
1 7
Ö с £ 6 § 5
5S
g 4
К
-Q 3
Н
О
о 2 я м 1 s 1
о Я
а о
is К
2
3 _g
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
I 20
S
§ 15
Я 5S и § 10
hQ " 5
о 5 к
CQ К § 0
> 3
> £
50 60 70 80 90 Время испытаний, мин
100
Рис. 7. Зависимость интенсивности линейного износа быстрорежущей Р6М5 от времени испытаний: а - нагрузка 50 МПа; б - 400 МПа; 1 - карбонитрированная сталь Р6М5 (Гнас = 450 °С); 2 - то же (500 °С); 3 - то же (550 °С);
4 - термообработанная сталь Р6М5
В Ы В О Д Ы
1. Проведение процесса низкотемпературной карбонитрации инструментальной стали Р6М5 при температуре 450-550 °С в бесцианистых порошковых средах позволяет получить диффузионные слои, содержащие карбиды и кар-бонитриды с микротвердостью от 10050-11450 до 13400-15250 МПа и протяженностью зоны
повышенной твердости от 80 до 120 мкм. Максимальной микротвердостью обладают слои,
в которых превалируют мелкие карбиды и кар-бонитриды, имеющие шаровидную форму, что характерно для слоев, полученных при 550 °С.
2. Наилучшие результаты по износостойкости получены на образцах из стали Р6М5, карбонитрированных при температуре 450 °С. Определяющее влияние на износостойкость карбонитридных покрытий на стали Р6М5 оказывает химический и структурный состав покрытий: при увеличении температуры карбонитрации от 450 до 550 °С в диффузионном слое происходит перераспределение легирующих элементов стали - уменьшается количество вольфрама и молибдена, а также увеличивается толщина хрупкой поверхностной окси-карбидной зоны слоя. Эта зона в процессе эксплуатации скалывается и, выполняя роль абразива, вносит дополнительное разрушающее воздействие.
3. Изучение влияния структурного состава диффузионных карбонитридных слоев на механические свойства стали Р6М5 показало отсутствие корреляции между количеством мелкодисперсных частиц в диффузионных слоях и их твердостью и износостойкостью.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Прокошкин, Д. А. Химико-термическая обработка металлов - карбонитрация / Д. А. Прокошкин. - М.: Металлургия. Машиностроение, 1984. - 240 с.
2. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин [и др.]; под общ. ред. В. Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.
3. Кухарева, Н. Г. Структура и свойства диффузионных покрытий на быстрорежущих и нержавеющих сталях / Н. Г. Кухарева, Т. Бабуль, Я. Сенаторский // Металлообработка. - 2002. - № 1 (7). - С. 21-24.
4. Минкевич, А. Н. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1968. - № 10. - С. 11-16.
Поступила 20.01.2009
а
б
10
20
30
40
