исследование износостойкости спеченных порошковых инструментальных материалов

 

Мигранов М.Ш. (УГАТУ, г.Уфа, РФ)

 

Results of experimental researches of wear resistance and tribotechnical characteristics alloyed welded powder tool materials are resulted

 

Анализ перспектив развития современного механообрабатывающего производства показывает, что обработка резанием остается до настоящего времени наиболее предпочтительной операцией для окончательного формирования размеров деталей, несмотря на значительный прогресс в развитии таких альтернативных методов, как точное литье, штамповка, электрофизическая обработка и т.д. Такая тенденция обусловлена гибкостью и мобильностью лезвийной обработки резанием при обеспечении высокой точности и качества поверхностного слоя деталей.

Для выпуска конкурентоспособной продукции необходимо проведение комплекса мероприятий по совершенствованию технологических операций, где наиболее слабым звеном технологической цепочки является режущий инструмент, существенно сдерживающий производительность обработки при наличии высокоскоростного оборудования.

Исследования износа инструментов из спеченных гетерогенных  порошковых материалов на основе быстрорежущей стали с добавлением соединений с высокой точкой плавления показали, что эти материалы являются самоорганизующимися. Они способны образовывать во время работы устойчивые высокопрочные вторичные структуры, которые эффективно защищают трущуюся поверхность инструмента от повреждения [1].

Принимая во внимание термодинамические концепции, можно разделить весь спектр процессов, имеющих место при трении и резании, на 2 группы: первая – это нормальное трение (зоны приработочного и установившегося) и вторая – это катастрофическое трение. При этом самоорганизация во время износа происходит благодаря способности трибопары организовывать спонтанно устойчивые упорядоченные структуры, которые защищают основной материал трибопары от непосредственного контакта и разрушения. Защитные вторичные структуры представляют собой тонкие пленки на поверхности трения, которые создаются в условиях высокой деформации при температурах нагревания, вызывающих диффузию, при адсорбции, а также при различных реакциях разложения и ассимиляции.

Исследование выполнялось на инструментальных материалах, состав и свойства которых приведены в табл. 1. Характерные особенности трения исследуемых материалов были определены с помощью методов, описанных в работах [2]. Износостойкость материалов исследовалась при точении и фрезеровании стали 40Х. Химический состав вторичных фаз, появляющихся во время работы инструмента из спеченного составного порошкового материала исследовался с помощью оже – электронной спектроскопии (ОЭС) и вторично - ионной масс - спектрометрии (ВИМС).

Можно предположить следующий физический механизм процессов. В зоне контакта «инструмент-деталь» появляются градиенты температуры и напряжения, локализованные в слоях ниже поверхности. При пластической деформации высокой степени и температурах, достигающих 450°С и выше, возникают различные процессы, которые изменяют химические и фазовые составы СПИМ в этих микрообъемах. К их числу относятся: поглощение кислорода, разложение карбидов из титана и бора, а также нитридов, которые являются неустойчивыми при такой температуре, хемосорбцию кислорода, диффузию освобождаемых C и N из инструмента в стружку.

 

Таблица 1 – Свойства исследуемых инструментальных материалов

Результаты трибологических исследований показали, что если в базовой быстрорежущей стали частично заменить карбид титана на одну из наиболее устойчивых при резании фаз - окись алюминия, то достигается уменьшение адгезионного составляющего коэффициента трения (рис.1), что ведет к соответствующему увеличению износостойкости инструмента при резании (рис.2). Наличие Al₂O₃ уменьшает коэффициент трения, что имеет значение не только для увеличения износостойкости, но также и для уменьшения температуры на поверхности инструмента. Это важно для материалов анализируемого класса, которые имеют ограниченную теплостойкость и как следствие низкий диапазон возможных скоростей резания. Порошковые сплавы на основе окисей известны, но они нуждаются в оптимизации относительно требуемых механических и технологических свойств материалов.

Анализ вторично - ионной масс - спектрометрии показал, что в спеченных порошковых инструментальных материалах (СПИМ) с добавлением нитрида бора на поверхности кратера износа создаются при резании кислородосодержащие соединения. При этом происходят различные и одновременно протекающие реакции BC -, BN -, TiC - распада, а также BO –, TiO - , TiBN - ассимиляции.

На поверхности инструментов из порошковых материалов, включая материал с добавлением BN, появляются вторичные структуры, возникающие в виде простых и сложных кислородосодержащих фаз, имеющих аморфную структуру.

Рисунок 1 – Зависимость трибологических параметров исследуемых материалов пар трения от рабочей температуры: l – Р6М5К5 + 20% TiC;
¨ – Р6М5К5 + 15% TiC + 5% Al₂O₃; D – Р6М5К5 + 20% TiCN

 

Рисунок 2 – Влияние времени обработки на износ концевой фрезы Æ12 мм по задней поверхности: 1 – СПИМ (Р6М5 + 20% TiC); 2 – СПИМ (Р6М5 + 20% TiC + 2% BN); 3 – СПИМ (Р6М5 + 15% TiC + 5% Al₂O₃); 4 – СПИМ (Р6М5 + 20% TiCN) (обрабатываемый материал сталь 40Х; V = 65 м/мин; S_м = 63 мм/мин; t = 3 мм; b = 10 мм)

 

Легирование с добавлением BN способствует возникновению сложных соединений (TiB)_xO_y – типа, которые появляются на поверхности инструмента наряду с более простыми соединениями TiO – типа. Аморфизация вторичных структур зависит от состава СПИМ и усиливается при сплавлении с BN. Можно видеть, что износостойкость такого материала увеличивается в 1,8 раза по сравнению с СПИМ базового состава с 20% TiC (сравните 1 и 2 на рис.2).

Воздействие на трение для режущих инструментов из СПИМ с присадкой нитрида бора проявляется не только образованием более устойчивых вторичных структур, но также в изменениях характера трения. Установлено, что, когда резание выполняется инструментом из обычной быстрорежущей стали, на поверхности образуются вторичные структуры второго типа. При резании быстрорежущей сталью с добавлением карбидов или карбонитридов образуются аморфноподобные структуры первого типа. Дополнительное сплавление BN усиливает эффект аморфизации, что ведет к более полной самоорганизации инструмента. Это сопровождается переходом к трению с меньшим усилием и нагреванием, что приводит к уменьшению износа и изменению формы кривой износа. Такой тип воздействия на трение в инструментах с высокой нагрузкой осуществляется при соблюдении определенных условий.

На основе полученных результатов установлено, что для повышения износостойкости режущего инструмента на основе быстрорежущей стали целесообразно осуществлять дополнительное легирование СПИМ с помощью следующих 2 - х способов: легирование с помощью соединения, во – первых, которое позволяет достичь значительного уменьшения коэффициента трения при рабочих температурах и во – вторых, вызывают преобразования состава вторичных структур и повышение коэффициента упрочнения. Одновременное применение обоих методов легирования рассматривается как особенно перспективное. Оно дает возможность достичь максимального воздействия на трение при резании и достичь наилучших результатов. Это подтверждается результатами, полученными в результате исследования износа инструментов, изготовленных из СПИМ на основе быстрорежущей стали с карбонитридами. Следует упомянуть, что рассматриваемые материалы имеют преимущество в износостойкости не только над обычной быстрорежущей сталью, но также над более дорогими спеченными карбидами.

Литература

1.        G.S. Fox-Rabinovich and other. Characteristic features of alloying HSS – based deformed compound powder materials with consideration for tool self – organization at cutting. /Wear. 206. 1997y.-р.214.

2.        Шустер Л.Ш. Адгезионное взаимодействие твердых металлических тел. – Уфа: Гилем, 1999. – 199 с.