CC BY
0
Morozov Yury Anatolievich, Ph.D., associate professor, Candidate of Engineering Science (e-mail: akafest@mail.ru)
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
ROLLING RADIUS OF ROLLER WHEN COMPACTING METAL POWDERS BY ROLLING
Abstract. The forming of composite rolled products by compression of metal powder by rollers of a rolling mill is considered. The kinematics and conditions for capturing bulk powder material are analyzed. The density of the composite is set in accordance with the gripping ability of the rolls, and recommendations are given for choosing the rolling radius of the roll to achieve a density of the composite close to the monomaterial.
Keywords: powder rolling, bulk density, compaction zone, composite, formability, rolling radius of the roll
УДК 621.793.1
ВОССТАНОВЛЕНИЕ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С ИОННО-ПЛАЗМЕННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
Хамин Олег Николаевич, к.т.н., доцент (e-mail: out87@mail.ru) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
В работе показана возможность восстановления работоспособности режущего инструмента с упрочняющими покрытиями за счет повторного нанесения ионно-плазменных покрытий на него на основе использования однокомпонентных дуговых катодов тугоплавких металлов и получения более простых покрытий, чем первоначальные, после механического восстановления рабочей геометрии инструмента. Исследования проведены как на лезвийном режущем инструменте (сверла, метчики), так и на режущих твердосплавных пластинах. Эксплуатационные испытания восстановленного инструмента показали, что достигнуто от 50 до 147 процентов ресурса работы нового режущего инструмента с базовым покрытием.
Ключевые слова: режущий инструмент, механическое восстановление, упрочняющие ионно-плазменные покрытия, эксплуатационные испытания.
Восстановление изношенного режущего инструмента и его повторное использование является актуальной задачей. Это обеспечивает повышение общего ресурса эксплуатации инструмента, и как следствие, снижение затрат на его приобретение, в том числе инструмента зарубежных производителей.
В настоящее время задача восстановления режущего инструмента решается главным образом за счет переточек инструмента по рабочим поверхностям. В некоторых случаях инструмент подвергается повторной термической обработке. Вопросы повторного нанесения покрытий на механиче-
ски восстановленный инструмент решается, как правило, за счет нанесения базового покрытия (покрытие на инструменте при его поставке). Однако последнее является не всегда оправданным для конкретного варианта использования инструмента.
Во-первых, при закупке инструмента потребитель зачастую ориентируется на общие рекомендации по выбору того или иного упрочняющего покрытия, и не всегда учитывает в полной мере условия эксплуатации инструмента в конкретных условиях (соответствие типа металлорежущего оборудования, режимы резания, условия обработки и т.п.). Соответственно выбор покрытия на новом режущем инструменте может оказаться не оптимальным решением.
Во-вторых, после первичной эксплуатации и механического восстановления происходят существенные структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях рабочего профиля инструмента, для оценки которых требуются достаточно глубокие и длительные исследования [1]. Соответственно вопросы повторного нанесения базового покрытия оказываются спорными, так как его повторное нанесение уже может не обеспечить первоначальные свойства, более того, для конкретных условий эксплуатации это покрытие может уже оказаться даже не оптимальным. Эти вопросы приобретают еще большую актуальность, если базовое покрытие иностранного производства имело сложную природу и требовало использование сложной технологии его нанесения и дорогостоящего вакуумного оборудования, воспроизведение которых в России у заводов-потребителей или у немногочисленных предприятий, занимающихся производством покрытий, вызывает существенные трудности.
В-третьих, оценка технико-экономической эффективности использования восстановленного инструмента показывает, что обеспечение при повторном его использовании от 50 % и более эксплуатационного ресурса нового базового инструмента, является экономически оправданным показателем [2,3]. Соответственно может возникнуть ситуация, когда нанесение более простых покрытий по сравнению с базовым на восстановленный инструмент обеспечит указанный уровень его повторной работоспособности. Последнее существенно упростит технологию нанесения таких покрытий, снизит общие затраты на восстановление инструмента с покрытием и окажется более экономически оправданным, особенно в плане импортоза-мещения инструмента.
В настоящей работе при выборе повторных покрытий на механически восстановленный режущий инструмент ориентировались на нанесение ионно-плазменных упрочняющих покрытий на основе тугоплавких металлов по методу КИБ [4]. При этом выбрана схема использования одноком-понентных дуговых катодов.
Объектом исследования в настоящей работе были:
- твердосплавные сверла для обработки закаленных сталей;
- метчики для нарезания резьбы в углеродистых сталях;
- режущие твердосплавные пластины для черновой токарной обработки легированных сталей.
Твердосплавные сверла для обработки закаленных сталей
Осуществлено восстановление работоспособности сверл специального назначения диаметром 11,137 мм. Материал сверла твердый сплав ВК6М. Обрабатываемый материал: сталь 14ХН3МА (ИЯС 35-45), обрабатываемое изделие - шарошка бурового долота. Режимы резания: число оборотов п=1048 об/мин; подача Б=67 мм/мин. Базовое покрытие сверл: нитрид титана Т1К. Причины выбраковки сверл: заусенцы и конусность на детали. Восстановленная партия насчитывала пять сверл.
Изначально были определены свойства новых сверл с базовым покрытием:
-микротвердость покрытий Н^50=25-30 ГПа;
-толщина покрытий 5-6 мкм;
- обобщенный показатель качества покрытия К=0,58-0,62.
Обобщенным показателем качества покрытия служит интегральный параметр К, который количественно характеризует сопротивление разрушению химически инертных покрытий (типа карбидов, нитридов, оксикарбо-нитридов тугоплавких металлов) при анодной поляризации участка покрытия в электролитах, содержащих агрессивные анионы [5]. При этом воздействии происходит инициирование дефектов в покрытии, и как следствие, его разрушение с оголением подложки. Процесс оголения подложки отражает динамику разрушения покрытия. Соответственно соответствующие анодно-поляризационные кривые могут быть использованы для сравнительной оценки качества покрытий. Объективным обоснованием для использования анодно-поляризационных кривых (или их количественных характеристик) для оценки качества покрытий является то, что совокупность дефектов, определяющих вид анодно-поляризационных кривых, в свою очередь определяет и основные эксплуатационные свойства покрытий (износостойкость, коррозионную стойкость). Параметр
где Q и Q1 - количество электричества, прошедшие через электролитическую ячейку при поляризации образца без покрытия и с покрытием в интервале потенциалов от потенциала начала растворения материала подложки до потенциалов на 10-40 % меньше потенциала начала растворения материала покрытия. Параметр К является безразмерным. Высшее качество покрытия соответствует значению К=1, низшее - К=0.
Затем была осуществлена эксплуатация новых сверл с базовым покрытием при сверлении отверстий. Результаты по проходам каждого сверла до его выбраковки представлены в таблице 1.
Механическое восстановление геометрии сверл заключалось в переточке по схеме НПЛ: переточка нормальная с подточкой поперечной перемычки и ленточки.
СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №5 (50), 2023 51 Таблица 1 - Результаты по проходам каждого сверла до его выбраковки
N п/п Общий проход сверла с базовым покрытием, мм Обобщенный показатель качества покрытия К Общий проход сверла после восстановления, мм Обобщенный показатель качества покрытия К
1 2707 0,61 3807 0,81
2 2186 0,58 3086 0,70
3 2250 0,60 2850 0,67
4 2727 0,62 3685 0,78
5 2150 0,58 4206 0,85
Среднее значение -2404 Среднее значение - 3526
Повторное нанесение ионно-плазменных покрытий Т1К выполнялось на модернизированной вакуумной установке ННВ-6.6 И1 по методу КИБ. В качестве материала катода использован титан марки ВТ 1-00.
Перед нанесением покрытия сверла подвергались ультразвуковой очистке в моющем водном растворе и в бензине БР-1 с последующей сушкой и протиркой спиртом. После нагрева в сушильном шкафу до температуры 300-350 °С сверла помещались в вакуумную камеру.
Технология собственно нанесения износостойких покрытий включала следующие стадии:
-ионная очистка ионами титана до температуры 600 0С при следующих параметрах. Рост=5• 10-5 Па; ток дуги испарения 1д=100 А; напряжение на подложке и=1000 В; ток фокусирующей катушки 1ф~0,7(А);
-конденсация покрытий Т1К выполнялась при следующих параметрах: ток дуги испарителя 1д=100 А, напряжение на подложке иоп=100 В, время конденсации покрытия т=45 мин; температура сверл при конденсации Т=550-600 °С, давление азота в камере Рм=(3-5)-10" Па.
После проведенных исследований получены следующие параметры покрытий на переточенных сверлах:
-микротвердость покрытий Н^50=30-32 ГПа; -толщина покрытий 5-7 мкм;
- обобщенный показатель качества покрытия К=0,70-0,85. Результаты эксплуатационных испытаний сверл после их восстановления с повторным покрытием Т1К представлены в таблице 1.
Анализ представленных результатов показывает, что стойкость восстановленных сверл с повторным покрытием Т1К в среднем в 1,47 раза выше, стойкости новых сверл с базовым покрытием Т1К. Последнее объясняется тем обстоятельством, что качество базового покрытия на новых сверлах по параметру К (К=0,58-0,62) уступает качеству повторно нанесенных покрытий на сверла после их механического восстановления (К=0,70-0,85).
Метчики для нарезания резьбы
Осуществлено восстановление работоспособности метчиков для нарезания резьбы в изделиях из стали 20 кп с использованием СОЖ «Россойл». Материал метчиков - сталь Р6М5. Базовое покрытие метчиков: карбонит-рид титана ТЮК. Причины выбраковки метчиков: нарушение геометрии резьбы. Восстановленная партия насчитывала девять метчиков.
Механическое восстановление геометрии метчиков заключалось в комбинированной переточке по задней поверхности режущей части и заборному конусу на специализированном станке для заточки метчиков УЗС-220У.
Повторное нанесение ионно-плазменных покрытий выполнялось на модернизированной вакуумной установке ННВ-6.6 И1 по методу КИБ. Для повторных покрытий были выбраны три варианта: нитрид титана (Т1К), нитрид хрома (ОК), нитрид молибдена (МоК). В качестве материалов катодов использовались титан марки ВТ 1-00, хром марки ВХ1-Н, молибден марки МЧВП.
Перед нанесением покрытия метчики подвергались ультразвуковой очистке в моющем водном растворе и в бензине БР-1 с последующей сушкой и протиркой спиртом. После нагрева в сушильном шкафу до температуры 300-350 °С метчики помещались в вакуумную камеру.
Технология собственно нанесения износостойких покрытий включала следующие стадии:
- низкотемпературная очистка газовой плазмой (специализированный модуль) при следующих параметрах.
Рост=б,65-10° Па; ток накала 22 А; напряжение разряда 200 В;
-ионная очистка до температуры 540 0С при следующих параметрах. Рост=5^10" Па; ток дуги испарения 1д=100 А; напряжение на подложке и=1000 В; ток фокусирующей катушки 1ф~0,7(А);
-конденсация покрытий Т1К и СгК выполнялась при следующих параметрах: ток дуги испарителя 1д=75 А, напряжение на подложке иоп=130 В, время конденсации покрытия т=45 мин; температура метчиков при конденсации не более 600 °С, давление азота в камере РК=(3-5)-10-1 Па;
- -конденсация покрытий МоК выполнялась при следующих параметрах: ток дуги испарителя 1д=100 А, напряжение на подложке иоп=90 В, время конденсации покрытия т=45 мин; температура метчиков при конденсации не более 600 °С, давление азота в камере РК=(3-5)-10-1 Па.
После проведенных исследований получены следующие параметры покрытий на восстановленных метчиках:
-микротвердость покрытий Н^50=25-30 ГПа;
-толщина покрытий 5-7 мкм.
Эксплуатационные испытания восстановленных метчиков со всеми тремя вариантами повторных покрытий производили в условиях реальной эксплуатации на заводе-изготовителе, выпускающим изделия с резьбой (ЗАО «Салют-Фильтр», г. Самара). На каждый вариант повторного покры-
тия испытывалось не менее трех метчиков. Эксплуатационные испытания восстановленных метчиков показали, что достигнуто от 50 до 80 % ресурса работы новых метчиков с базовым покрытием ТЮК, (стойкость метчика с TiCN составляет 80-100 тысяч резьб).
Режущие твердосплавные пластины
Осуществлено восстановление работоспособности режущих твердосплавных пластин СКМО 190612-49, используемых для черновой обработки заготовок (поковки штампованные) пробок шаровых кранов. Материал пластин - сплав СТ35М, материал пробок - стали 30ХМА и 38ХМА. Базовое покрытие пластин: нитрид титана ТК Пластины работают в тяжелых условиях: на первых проходах - неравномерный прерывистый съем окалины, на остальных проходах - непрерывный съем металла и работа на удар. Режимы обработки: скорость подачи У=80 м/мин; подача Б=0,4 мм/об; глубина 1=4 мм. При обработке используется СОЖ (СаБ1го1-5). Причины выбраковки: стирание покрытия на пластине. Восстановленная партия насчитывала семь пластин.
Механическое восстановление пластин заключалось в их переточке на размер 18,7+0,3 мм и шлифовании по граням и режущим кромкам.
Повторное нанесение ионно-плазменных покрытий выполнялось на модернизированной вакуумной установке ННВ-6.6 И1 по методу КИБ. В качестве материала катода использован титан марки ВТ1-00.
Перед нанесением покрытия пластины подвергались ультразвуковой очистке в моющем водном растворе и в бензине БР-1 с последующей сушкой и протиркой спиртом. После нагрева в сушильном шкафу до температуры 300-350 °С пластины помещались в вакуумную камеру.
Технология собственно нанесения износостойких покрытий включала следующие стадии:
-ионная очистка ионами титана до температуры 600 0С при следующих параметрах. Рост=5• 10-5 Па; ток дуги испарения 1д=100 А; напряжение на подложке и=1000 В; ток фокусирующей катушки 1ф~0,7(А);
-конденсация покрытий выполнялась при следующих параметрах: ток дуги испарителя 1д=130 А, напряжение на подложке иоп=120 В, время конденсации покрытия т=45 мин; температура пластин при конденсации
-3
Т=600-650 °С, давление азота в камере РК=(3-5)-10" Па.
После проведенных исследований получены следующие параметры покрытий на переточенных пластинах:
-микротвердость покрытий Н^50=30-32 ГПа; -толщина покрытий 5-7 мкм.
Полученные показатели соответствовали таковым для новых пластин с базовым покрытием.
Результаты эксплуатационных испытаний пластин после их восстановления с повторным покрытием показали, что стойкость пластин по всем четырем граням составила от 70 до 140 минут. Подобную стойкость показывали и новые пластины с базовым покрытием.
Таким образом после восстановления пластин с повторным покрытием их стойкость составила 100 % ресурса работоспособности новых пластин.
Таким образом в работе показана возможность повторного использования режущего инструмента после механического восстановления его режущей части и повторного нанесения ионно-плазменных упрочняющих покрытий на основе использования однокомпонентных дуговых катодов тугоплавких металлов и получения более простых покрытий, чем первоначальные покрытия на инструменте. Данный подход обеспечивает снижение затрат на приобретение инструмента (до 50 % на единицу), уменьшение потребности в инструменте, а также создает предпосылки для частичного импортозамещения инструмента с упрочняющими покрытиями.
Список литературы
1. Григорьев, С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента. -М.: Машиностроение, 2011. -368 с.
2. Носов, Н.В., Балакирев, С.Н., Нигматуллин, А.Р. Исследование технико-экономических показателей работоспособности восстановленных МНП //Известия Самарского научного центра РАН. - 2020. -Т.22 (N3). - С. 56-60.
3. Попова, А.Ю., Радченко, Д.С., Васильева, Е.В. Повышение эффективности использования современных инструментов со сменными твердосплавными пластинами за счет их вторичного ресурса. //Вестник УГАТУ. - 2012. - Т. 16 (N 4). - С. 46-51.
4. Рабочие процессы высоких технологий в машиностроении / Под ред. А.И. Грабченко. - Харьков: ХГПУ, 1999. - 436 с.
5. Лавро, В.Н. Совершенствование технологии нанесения износостойких ионно-плазменных покрытий на режущий нструмент: Высокие технологии в машиностроении: Сб. научн. тр. // Самарский гос. техн. ун-т, Самара: Изд-во СамГТУ, 2005. - с. 185-188.
Khamin Oleg Nikolaevich, candidate of technical Sciences, associate Professor Samara State Technical University, Samara, Russian Federation (E-mail: out87@mail.ru) RESTORATION OF THE CUTTING TOOL WITH ION-PLASMA COATINGS
Abstract. The paper shows the possibility of restoring the efficiency of the cutting tool with reinforcing coatings by re-applying ion-plasma coatings on it based on the use of single-component arc cathodes of refractory metals and obtaining simpler coatings, than the original, after mechanical restoration of the working geometry of the tool. The research was carried out both on the blade cutting tool (drill, labels), and on cutting carbide plates. Operational tests of the recovered tool showed that between 50 and 147 per cent of the life of the new base-coated cutting tool was achieved.
Keywords: cutting tool, mechanical reduction, reinforcing ion-plasma coatings, operational tests.
