О возможности использования борсодержащих диффузионных покрытий на режущих инструментах из быстрорежущих сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

О возможности использования борсодержащих диффузионных покрытий на режущих инструментах из быстрорежущих сталей

Д.В. Емельянов^, Набережночелнинский филиал Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева, г. Набережные Челны

И.Н. Гилазов

В.И. Астащенко «Казанский (Приволжский) федеральный университет» Набережночелнинский филиал

Аннотация

Повышение работоспособности инструментов за счет модификации их структурного состояния поверхности методом борирования и термической обработкой позволит использовать более рациональное применение легированных материалов для изготовления режущего инструмента с рабочей частью, обладающей высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками, что, безусловно, является актуальной задачей для современного машиностроительного производства.

Ключевые слова: режущий инструмент, химико-термическая обработка, борирование.

На сегодняшний момент развитие машиностроительного производства связано, как с созданием совершенно нового, так и с модернизацией уже имеющего станочного оборудования, вспомогательного и металлорежущего инструмента. Режущий инструмент является одним из наиболее важных объектов технологии металлообработки. Различные условия эксплуатации и, следовательно, разнообразные условия нагружения его режущей кромки вызывают многообразные виды повреждений и отказов технологической системы, а скорости изнашивания инструмента значительно выше, чем скорости изнашивания деталей и узлов станка [1,2,9]. Поэтому работоспособность технологической системы в целом в первую очередь зависит от состояния режущей кромки инструмента.

В подавляющем большинстве случаев разупрочнение начинается с поверхности или в приповерхностных слоях, поэтому в решении проблемы надежности и долговечности режущего инструмента важна роль упрочняющей обработки [4]. Во многих случаях достаточно защитить лишь внешнюю поверхность деталей износостойкими, коррозионно-устойчивыми или жаростойкими покрытиями. Химический состав, микроструктура и основные физико-механические характеристики и методы формирования износостойких покрытий изучаются материаловедами уже более 100 лет, однако процессы диффузионного насыщения поверхностного слоя инструментальных материалов бором и получения соответствующих износостойких борсодержащих покрытий все еще недостаточно исследованы [3,6].

Борирование является процессом химико-термической обработки, заключающимся в насыщении поверхностных слоев изделий бором при нагреве их в той или иной борсодержащей среде, осуществляемым с целью повышения твердости и стойкости.

Необходимым условием формирования диффузионного слоя является наличие у насыщаемой поверхности активного атомарного бора. Кроме того, температура и длительность выдержки в насыщающей среде должны обеспечить протекание диффузии атомарного бора в стали с образованием химических соединений - боридов железа. Последние 15 лет интенсивно внедряется экологически чистый метод электролитно-плазменной обработки металлических деталей, инструментов и т.д.

В составах электролитов, содержащих борфтористый аммоний - NH₄BF₃, тетраборнокислый натрий - Nа₂В₄О₇ и карбид бора - В₄С после осуществления процесса борирования проведенный анализ показал наличие боридных фаз FeB, Fe₂B. Глубина слоя, полученная при U= 110 - 120В и токе I= 2,6А при составила 0,11-0,14 мм, а скорость насыщения в 3-10 раз превышает по сравнению с традиционными способами обработки[7,8] .

Рассмотрим стали разного состава, применения, конфигурации; а именно - Ст3, 7ХМФС, 4Х5МФС, 12Х18Н10Т, 55Х6В3СМФ, У8, ШХ15 [5].

На углеродистой стали Ст3 модифицированный слой представляет собой многослойную композицию: внешний слой боридов FeB в виде вытянутых зерен (более темная окраска - рисунок 1а); основу же модифицированной структуры составляет борид Fe₂B (соответствует светлым игла на рисунке 1а); на приграничной зоне со сталью образуется переходный слой твердого раствора бора в железе. Обратив внимание на строение модифицированного борсодержащего слоя на стали У8 (Рисунок 1б). Стали подобного класса склонны к перегреву и растрескиванию при закалке, следовательно температура их борирования должна строго соответствовать температурам нагрева под закалку, при которых скорость насыщения бором невелика, что в свою очередь приводит к появлению довольно узкой борсодержащей зоны Fe₂B, под которой расположен слой твердого раствора бора в железе.

режущий металлообработка борирование машиностроительный

Рисунок 1 - Микроструктура боридных покрытий: а - Ст3; б - У8

На легированных сталях боридные иглы фазы Fe₂B скругляются. Фазы FeB и Fe₂B содержат хром в количествах, близких к его содержанию в основном материале, т.е. по сути являются легированными боридами (Fe,Сr)B и (Fe,Cr)₂B. Переходная зона представляет механическую смесь борированного феррита, в котором содержание бора плавно убывает до нуля, и глобулярных частиц боридов хрома, вольфрама, молибдена и титана (Рисунок 1в,г,д). В стали ШХ15 диффузионная активность бора снижена в связи с высоким процентным содержанием углерода (С), поэтому борсодержащий слой состоит, в основном из борида FeB, узкой зоны борида Fe₂B, под которой расположен слой твердого раствора бора в железе (Рисунок 1е), а на стали марки 12Х18Н10Т - (Fe,Сr,Ni)B и (Fe,Cr,Ni)2B, поэтому в дальнейшем эти бориды обозначены в общем виде как МВ и М₂В (М - металлы Fe, Cr, Ni) [10]. (Рисунок 1ж).

Рисунок 1(продолжение) - Микроструктура боридных покрытий: в - 4Х5МФС; г - 7ХМФС; д - 55Х6В3СМФ; е - ШХ15; ж - 12Х18Н10Т.

Исходя из проведенного выше анализа можно сделать следующие выводы:

1. применение борированных инструментов позволяет в некоторых случаях отказаться от дорогостоящей инструментальной стали. Это связано с возможностью отказа от применения дорогостоящих легирующих элементов в виде вольфрама, молибдена, кобальта.

2. Испытание борированных инструментов из стали У8 показало, что их стойкость не отличается от стойкости резцов из быстрорежущей стали.

Литература

1. Емельянов Д.В., Хабиров А.А., Галиев Л.Д. Определение технологических параметров процесса формообразования стружечных канавок спиральных сверл //Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации. Курск, 2015. С. 81-85

2. Емельянов Д.В. Определение силомоментных характеристик при обработке отверстий в зависимости от глубины сверления //Омский научный вестник -.2016 № 5(149). с.55-58

3. Емельянов Д.В. Борирование как способ повышения экплуатациооных характеристик быстрорежущих сталей / Д.В. Емельянов, Д.З. Мавлявеев// «Автоматизация технологических процессов механической обработки, упрочнения и сборки в машиностроении»: Сборник научных статей Международной научно-технической конференции (3-5 ноября 2016 года), / Юго-Западный гос. ун-т, Курск, 2016. 275 с.

4. Емельянов Д.В., Блинова А.С. Критерии работоспособности инструментов из быстрорежущих сталей // «Автоматизация технологических процессов механической обработки, упрочнения и сборки в машиностроении»: Сборник научных статей Международной научно-технической конференции (3-5 ноября 2016 года), / Юго-Западный гос. ун-т, Курск, 2016. 275 с.

5. Быкова Т.М. Влияние химического состава стали на структуру и свойства диффузионных боридных покрытий. // Диссертация на соискание ученой степени. 2016. Екатеринбург. 164 с.

Савин И.А. Формирование базы данных вариантов материала режущей части инструмента и метода его поверхностного упрочнения //Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева/НГТУ им. Р.Е. Алексеева. -Нижний Новгород, 2012. №3. С. 97-105

7. Sarkar, A.D. Wear of metals: Int. series in materials sci. and technol / A.D. Sarkar. N.Y.: Pergamon Press, 1976. 164 p.

8. Shibuje J. Immersion boriding of steel by boric acid and patassinen borate / J Shibuje // Trans. Iron and Steel Inst. Jap., -1981. V. 21. pp. 429 - 432.

9. Емельянов Д.В. Изучение работоспособности сверл с переменным шагом винтовой линии // Инженерный вестник Дона, 2012, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2012/653.

10. Акуличев А.Г. Остаточные напряжения в нитроцементованной стали 20Х3МВФ-ш // Инженерный вестник Дона, 2010, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2010/264.

References

1. Emel'yanov D.V., Khabirov A.A., Galiev L.D. Sovremennye instrumental'nye sistemy, informatsionnye tekhnologii i innovatsii. Kursk, 2015. pp. 81-85

2. Emel'yanov D.V. Omskiy nauchnyy vestnik, 2016, № 5(149). pp.55-58

3. Emel'yanov D.V., Mavlyaveev D.Z. «Avtomatizatsiya tekhnologicheskikh protsessov mekhanicheskoy obrabotki, uprochneniya i sborki v mashinostroenii»: Sbornik nauchnykh statey Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii (3-5 noyabrya 2016 goda), Yugo-Zapadnyy gos. un-t, Kursk, 2016. 275 p.

4. Emel'yanov D.V., Blinova A.S. «Avtomatizatsiya tekhnologicheskikh protsessov mekhanicheskoy obrabotki, uprochneniya i sborki v mashinostroenii»: Sbornik nauchnykh statey Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii (3-5 noyabrya 2016 goda), Yugo-Zapadnyy gos. un-t, Kursk, 2016. 275 p.

5. Bykova T.M. Vliyanie khimicheskogo sostava stali na strukturu i svoystva diffuzionnykh boridnykh pokrytiy [Effect of the chemical composition of steel on the structure and properties of diffusion boride coatings]. Dissertatsiya na soiskanie uchenoy stepeni. 2016. Ekaterinburg. 164 p.

6. Savin I.A. Trudy Nizhegorodskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. R.E. Alekseeva/NGTU im. R.E. Alekseeva.-Nizhniy Novgorod, 2012. №3. pp. 97-105.

7. Sarkar, A.D. Wear of metals: Int. series in materials sci. and technol. N.Y.: Pergamon Press, 1976. 164 p.

8. Shibuje J. Trans. Iron and Steel Inst. Jap., 1981. V. 21. pp. 429 - 432.

9. Emel'yanov D.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2012/653

10. Akulichev A.G. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2010, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2010/264

Размещено на Allbest.ru