Повышение производительности обработки при точении изделий из жаропрочного сплава на основе хрома путем применения инструмента из твердого сплава высокой теплостойкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Каширцев, Валентин Валентинович

• Каширцев, Валентин Валентинович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Каширцев, Валентин Валентинович

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ методов определения обрабатываемости сталей и сплавов при точении. Критерий износа сменных многогранных пластин (СМИ)

1.2 Жаропрочные металлы и сплавы. Анализ эксплуатационных свойств

1.3 Анализ влияния физико-механических свойств жаропрочных металлов и сплавов на обрабатываемость при точении

1.4 Инструментальные материалы сменных многогранных пластин (СМП) для обработки жаропрочных материалов

1.5 Анализ данных литературного обзора. Задачи исследования

Выводы по главе 1

2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВА Х65НВФТ

2.1 Исследуемые жаропрочные сплавы на основе хрома (Х65НВФТ) и никеля (ХН77ТЮР). Состав, технология производства

2.2 Исследование структуры и определение механических свойств - факторов, определяющих обрабатываемость резанием при точении

2.3 Определения склонности сплавов к наклепу

2.4 Осаждения покрытий на СМП из твёрдых сплавов КНТ16, ВКЮ-ХОМ, ВРК15

2.5 Исследования обрабатываемости резанием жаропрочных сплавов Х65ЕШФТ и ХН77ТЮР при точении резцами, оснащенными СМП

2.6 Математическая обработка результатов исследований определения механических свойств и стойкостных испытаний

Выводы по главе 2

3 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВА Х65НВФТ НА ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

3.1 Исследование структуры сплава в состоянии поставки

3.2 Механические свойства сплава в состоянии поставки

3.3 Характер разрушения сплава Х65НВФТ

3.4 Фазовые превращения при термической обработке сплава Х65НВФТ

3.5 Разработка режима отжига, обеспечивающего повышение производительности при обработке деталей из сплава Х65НВФТ

Выводы по главе 3

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ ХРОМА

4.1 Сравнительный анализ структуры и свойств сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР, определяющих их обрабатываемость при точении

4.2 Кинетика изнашивания инструмента при точении жаропрочных сплавов резцами, оснащенными СМП

4.3 Влияние модуля упругости на составляющие силы резания

4.4 Шероховатость обработанной поверхности деталей из сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР при точении

4.5 Исследование стружкообразования при точении сплавов на основе хрома и никеля в зависимости от скорости резания

4.6 Выбор инструментального материала СМП для точения сплава Х65НВФТ

4.7 Разработка состава твердого сплава высокой теплостойкости для СМП, предназначенных для точения жаропрочного сплава Х65НВФТ

4.8 Лабораторные и промышленные испытания резцов, оснащенных СМП из сплава ВР7К6

Выводы по главе

140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Решение о выдаче патента на изобретение № 2013103889/02(005624)

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акт о внесении изменений термической обработки прутков на ОАО «Композит»

ПРИЛОЖЕНИЕ В Извещение об изменении ТУ 185-540-56897835-2012

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Решение о выдаче патента на изобретение № 2012153429/02(084993)

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акт об изготовлении и определении структуры и свойств сплава ВР7К6

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Акт о проведении испытаний по оценке работоспособности инструмента из сплава ВР7К6

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение производительности обработки при точении изделий из жаропрочного сплава на основе хрома путем применения инструмента из твердого сплава высокой теплостойкости»

ВВЕДЕНИЕ

Условия эксплуатации машин, агрегатов, установок в ряде промышленных отраслей, определяющих уровень технического развития страны, характеризуются повышенными или высокими температурами. Это энергетика, транспорт, нефтехимическое производство, авиация, ракетостроение и космическая промышленность. При высоких температурах работают детали котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных реакторов и др. Их эксплуатация невозможна без применения специальных материалов, сохраняющих необходимую прочность при нагреве - жаропрочных.

Требования к жаропрочности, т.е. сопротивлению металла ползучести и разрушению при высоких температурах, могут быть различными, они определяются условиями эксплуатации.

В качестве жаропрочных материалов в промышленности используют различные стали и сплавы - в зависимости от температуры эксплуатации, определяющей необходимый уровень жаропрочности.

По мере повышения жаропрочности, с указанием предельной температуры эксплуатации, можно выстроить следующий ряд:

- алюминиевые сплавы - 350 °С;

- титановые сплавы - 600...650 °С;

- низколегированные стали - 550...620 °С;

- высоколегированные стали - до 750 °С;

- сплавы на никелевой основе и железоникелевые - до 900...950 °С;

- тугоплавкие металлы и сплавы на их основе - до 1200... 1300 °С.

Одной из важнейших технических задач является разработка «критических технологий», определяемых Указом Президента РФ

от 7 июля 2011 г. № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации».

В перечень критических технологий входит п. 24: «Технологии создания

ракетно-космической и транспортной техники нового поколения».

Очевидно, что работоспособность тяжелонагруженных деталей ракетно-космической техники, работающих при температурах свыше 1000 °С, может быть обеспечена только сплавами на основе тугоплавких металлов, обладающих весьма высокой жаропрочностью.

К тугоплавким относят металлы, температура плавления которых превышает 1700...2000 °С. Это элементы VA и VIA подгрупп Периодической системы элементов Д.А. Менделеева, соответственно - V, Nb, Та, Cr, W, Мо.

Наряду с жаропрочностью материалы, обеспечивающие реализацию критических технологий в области ракетно-космической отрасли, должны обладать высоким уровнем жаростойкости - сопротивлением газовой коррозии при высоких температурах. Это качество необходимо, также для материалов, используемых в нефтеперерабатывающей технике, деталей двигателей внутреннего сгорания.

Таким образом, эксплуатационные свойства материала для работы при высоких температурах в агрессивных газовых средах - жаропрочность и жаростойкость.

Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе имеют весьма низкую обрабатываемость резанием. Они сохраняют высокие значения прочности не только до рабочих, но и до технологических температур.

Цель настоящей работы - повышение производительности и улучшение качества, важным показателем которого является шероховатость поверхности, при обработке заготовок из труднообрабатываемого жаропрочного сплава на основе хрома.

Актуальность темы исследования обоснована тем, что при уникальности сплавов на основе хрома, обладающих одновременно и жаропрочностью, и жаростойкостью, их использование ограничивается сложностью обработки резанием.

В настоящее время точение изделий ведется с низкими скоростями, не обеспечивается необходимая шероховатость обработанной поверхности. Эти

обстоятельства определяют актуальность темы исследования.

Актуальность работы также подтверждена запросом промышленности на исследования и получение практических результатов по повышению производительности при обработке сплава Х65НВФТ на основе хрома. В рамках решения поставленной задачи выполнен ряд НИР с ОАО «Композит»:

- госбюджетная работа «Установление обрабатываемости базового ВХ4 (Х65НВФТ) и экспериментального перспективного сплава типа ВХ4. Выбор оптимальных инструментальных материалов и режимов резания». (Договор № 12-18/6-1008/0100-12 от 20.02.2012);

- хоздоговорные работы:

«Разработка технологии обработки резанием специального сплава» (Договор № 12-55-1079/0100-12 от 10.09.2012), «Исследование структуры специального сплава» (Договор № 13-22/у-1140/0100-13 от 07.05.2013 г).

Степень разработанности темы. Разработанность темы низкая. Данные по свойствам сплавов на основе хрома в литературе весьма ограничены, не изучены превращения сплавов при термической обработке. Технологические свойства и, в частности, обрабатываемость резанием не рассмотрены ни в справочной, ни в периодической технической литературе. Нет данных о рациональном инструментальном материале для изготовления инструмента, предназначенного для точения жаропрочного сплава на основе хрома. Это обосновывает научный интерес, и необходимость получения практических рекомендаций для конструкторов инструмента и технологов механической обработки.

Методика исследования. При исследовании структуры использовали металлографический, рентгенофазовый (РФА), микрорентгеноспектральный (MPCА) анализы. Склонность обрабатываемых материалов к наклепу определяли прямым методом - холодным пластическим деформированием. Механические свойства изучались при 20 °С и повышенных температурах 500 - 1200 °С.

Научная новизна заключается в:

обосновании рационального содержания рения в однокарбидных твердых сплавах, предназначенных для изготовления инструмента, оснащенного

сменными многогранными пластинами (СМП), обеспечивающего повышение производительности обработки резанием деталей из сплава на основе хрома (на состав твердого сплава для обработки труднообрабатываемых материалов получено положительное решение о выдаче патента);

определении взаимосвязи между характером изнашивания инструмента при токарной обработки и кристаллическим строением жаропрочного сплава Х65НВФТ на основе хрома, его механическими и теплофизическими свойствами, склонностью к наклепу;

установлении взаимосвязи между модулем упругости обрабатываемого материала и соотношением составляющих силы резания. Показано, что при обработке тугоплавких материалов с высоким модулем упругости (большим, чем у железа и никеля) возрастает значение радиальной составляющей силы резания;

выявлении взаимосвязи между структурными превращениями, изменением свойств при нагреве и характером стружкообразования «сливная —» элементная» при повышении скорости резания с 14 "м/мин до 30-40 м/мин жаропрочного сплава Х65НВФТ на основе хрома.

Теоретическая значимость работы заключается в установлении взаимосвязей между параметрами процесса резания: кинетикой изнашивания режущего инструмента при точении, силами резания, условиями стружкообразования, шероховатостью обработанной поверхности и кристаллической решеткой, структурой физико-механическими и теплофизическими свойствами жаропрочного сплава на основе хрома.

Практическая значимость работы заключается в разработке состава однокарбидного ренийсодержащего твердого сплава, предназначенного для обработки труднообрабатываемых жаропрочных материалов, изготовлении и опробовании инструмента из этого сплава. А также в разработке технологического процесса термической обработки сплава Х65НВФТ, обеспечивающего его стабильную твердость в пределах 35...36 ИКС и улучшенную обрабатываемость точением (на способ термической обработки сплава Х65НВФТ получено положительное решение о выдаче патента).

На защиту выносятся следующие положения:

1 Структурные факторы, определяющие параметры процесса точения жаропрочного сплава Х65НВФТ - наличие в структуре а- фазы с решеткой О ЦК; более высокие, чем у никелевых сплавов, значения модуля упругости и теплофизические свойства; твердорастворное упрочнение сплава;

2 Технология термической обработки для формирования равновесной структуры, с низкой легированностью а- фазы и максимальным количеством крупнозернистой у- фазы, обеспечивающей лучшую обрабатываемость резанием сплава Х65НВФТ;

3 Взаимосвязи между свойствами материалов СМП и их стойкостью при обработке жаропрочного сплава на основе хрома. Показано, что теплостойкость твердых сплавов определяется температурой разупрочнения связки, зависящей от температуры плавления или полиморфного превращения металла-связки;

4 Оптимальное соотношение Со и Re в связке однокарбидных сплавах с карбидом WC.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на международных и отраслевых конференциях:

1 METMG 2012: «Manufacturing Engineering and Technology for Manufacturing Growth», November 1-2 2012, San Diego, С A, USA;

2 Международный Семинар Национального технического университета "Харьковский политехнический институт". «Высокие технологии в машиностроении» ИНТЕРПАРТНЕР-2012; Сентябрь, 2012 10-15, Украина;

3 Молодежная Конференция «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике», ФГБУ «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина», 27-29 июня, 2012, Звездный городок (победитель, награжден Дипломом и Грамотой);

4 IV Международная Конференция с элементами научной школы для молодежи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», 1-5 Октябрь 2012, г. Суздаль.

В полном объеме диссертация заслушана:

на расширенном заседании кафедр «Высокоэффективные технологии обработки» и «Металловедение» с привлечением представителей кафедр «Технология машиностроения», «Инструментальная техника и технологии формообразования» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»;

на научно техническом совете ОАО «КОМПОЗИТ».

Достоверность результатов подтверждается тем, что работа базируется на теории резания и фундаментальных положениях теории жаропрочности, о связях между температурами плавления и полиморфного превращения и жаропрочностью жаропрочных сплавов, распространенных на универсальный инструментальный материал - твердые сплавы. Достоверность полученных данных подтверждена их статистической обработкой, а также промышленными испытаниями на ОАО Композит и ФГУП ОКБ Факел.

Работа соответствует паспорту специальности 05.02.07 «Технология и оборудование механической и физико - технической обработки».

В соответствии с формулой специальности, в ней изучаются закономерности и взаимосвязи в технологических процессах формообразования тел вращения (деталей) при точении жаропрочного сплава на основе хрома, а также, в соответствии с п. 4 паспорта, оптимизируются параметры (свойства) инструмента, что обеспечивает повышение производительности при точении жаропрочного сплава Х65НВФТ.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ методов определения обрабатываемости сталей и сплавов при точении. Критерий износа сменных многогранных пластин (СМП)

Обработка резанием - одна из наиболее важных технологий формообразующей обработки. Литье, обработка давлением, сварка в большинстве случаев не обеспечивают требуемой точности деталей. Изделия, полученные этими методами - отливки, поковки, сварные детали, являются заготовками для последующей обработки резанием, которая является окончательной.

Только обработка резанием позволяет получить детали высокой точности, с допусками на размеры, составляющими тысячные доли миллиметра, а также обеспечить высокое качество (малую шероховатость) обработанной поверхности. Одним из основных направлений развития режущего инструмента для лезвийной обработки является применение конструкций с механическим креплением СМП из твердого сплава, керамики, сверхтвердых материалов.

Обрабатываемость резанием, одно из главных технологических свойств материалов, это комплексная характеристика, оценивающая производительность обработки; качество обработанной поверхности (шероховатость); вид образующейся стружки; силы резания.

Исследования обрабатываемости резанием новых материалов актуальны. Это обусловлено:

- быстрым развитием современной техники и связанным с этим необходимостью технологического освоения новых материалов;

- интенсивным развитием новых инструментальных материалов и конструкций инструмента;

возрастающими требованиями к качеству поверхностного слоя и точности обработки.

Исследование обрабатываемости резанием сплавов на основе тугоплавких металлов особенно актуально. Их обработка затруднена вследствие высокой прочности, большого сопротивления пластическому деформированию, недостатком технологической пластичности и сохранением этих свойств до высоких температур [1]. На основании исследований обрабатываемости осуществляется рациональный выбор инструментального материала, режимы резания, обеспечивающие повышение производительности обработки, снижения шероховатости обработанной поверхности.

Обрабатываемость резанием материала (далее обрабатываемость) оценивается:

производительностью обработки; качеством обработанной поверхности;

видом образующейся стружки (хорошо удаляется из зоны резания стружка элементная, плохо - сливная); силами резания.

Эти критерии характеризуют обрабатываемость резанием при разных операциях. В настоящей работе оценивалась обрабатываемость резанием при точении. Это классический, наиболее точный и объективно отражающий влияние обрабатываемого материала на изнашивание инструмента метод [2], между показателями обрабатываемости при точении и, с другой стороны, при сверлении и фрезеровании хорошая корреляция (рисунок 1.1 [3]). Кроме того, основные детали, изготавливаемые в настоящее время из исследуемого сплава - тела вращения.

Производительность обработки определяется способностью обрабатываемого материала изнашивать режущую часть инструмента. За критерий обрабатываемости принимают скорость резания, при которой обеспечивается определенная стойкость инструмента - до принятых критериев затупления, т.е. до регламентируемого износа. Этот критерий применяют для

оценки обрабатываемости материалов и при предварительной, и при окончательной лезвийной обработке.

1,0--

0,7--

0,9--

0,8-*

0,5""

0,6""

0,4-"

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3

К V при точении

Рисунок 1.1 Взаимосвязь между обрабатываемостью при точении с обрабатываемостью при сверлении и фрезеровании [3]

Часто пользуются критерием «Ут» - это скорость резания (м/мин), при которой период стойкости инструмента до регламентируемого износа составляет «т» мин [4]. Обрабатываемость углеродистых и низколегированных сталей обычно оценивают скоростью резания, при которой обеспечивается 60 - минутная стойкость инструмента - У^п- Для труднообрабатываемых материалов заданный период стойкости может быть понижен до 30, 20 или даже до 15 мин (Узо, У20, У/з).

Стойкость инструмента (т) при точении определяется, исходя из величины допустимого износа задней поверхности СМП резца (к3). Регламентируемая величина износа близка при точении разных материалов, (таблица 1.1 [5, с 253]). Для черновой обработки величина допустимого износа определяется тем, что при превышении к3 изнашивание развивается катастрофически; при чистовой -превышении к3 влечет потерю точности обработки и снижение качества обработанной поверхности. Естественно, что при обработке с чистовыми режимами величина допустимого износа инструмента ниже.

Таблица 1.1 Допустимый износ к3 при точении твердосплавным инструментом [5]

Обрабатываемый материал Условия точения к3, мм

Сталь конструкционная Черновое 0,8...1,0

Чистовое 0,5...0,8

Титановые сплавы Черновое 0,5...0,7

Чистовое 0,3...0,4

Жаропрочные сплавы Черновое 0,8...1,0

Чистовое 0,5...0,6

Критерий Ут является абсолютным показателем обрабатываемости. В каждом конкретном исследовании на его величину влияют свойства и геометрия инструмента, состояние станочного оборудования и т.п. Это может сделать несопоставимыми результаты, полученные разными исследователями, в разных условиях.

Поэтому используют также относительный (по отношению к эталонному материалу) показатель обрабатываемости -

где Уи и Утэт - обрабатываемость исследуемого и эталонного материалов (сталей, сплавов), соответственно [4].

В этом случае при определении обрабатываемости исследуемого материала проводят параллельно и испытания эталона - материала с известной обрабатываемостью. Это позволяет, сопоставляя полученные и известные результаты, получать более надежные выводы.

Для углеродистых и низколегированных сталей в качестве эталона принимается сталь 45 с твердостью 160... 180 НВ [6]; для труднообрабатываемых материалов - аустенитная сталь X18Н9Т, для жаропрочных материалов широко изученный сплав на никелевой основе ХН77ТЮР [5].

Величина Ку может быть неодинаковой для разных условий обработки. В наших исследованиях это наблюдалось при разных скоростях резания (глава 4). Поэтому целесообразно указывать при каких режимах резания получено значение К^

Шероховатость обработанной поверхности является важным критерием оценки обрабатываемости материала при окончательной обработке. При этом важную роль играет и показатель К», т.к. износ инструмента вызывает снижение качества обработанной поверхности.

Вид стружки. Хорошей обрабатываемостью обладает материал, при обработке которого образуется стружка, легко удаляемая из зоны обработки, это особенно важно в условиях автоматизированной обработки.

Силы резания определяют мощность металлообрабатывающего оборудования, необходимую жесткость станка для обеспечения требуемой точности обработки и качества обработанной поверхности.

В зависимости от условий обработки любой из названных критериев может оказаться решающим. Так, в условиях автоматизированного производства важнейшей характеристикой обрабатываемости является вид стружки и легкость ее удаление из зоны резания, тогда как при работе на станках с ручным управлением это не существенно. При обработке труднообрабатываемых материалов наиболее актуальным является критерий, оценивающий производительность обработки.

Для оценки обрабатываемости используют классические экспериментальные исследования с построением зависимостей типа «режимы резания - износ».

Кроме того, развиваются направления по созданию расчетно-экспериментальных методик оценки обрабатываемости. Для определенных групп обрабатываемых материалов устанавливаются зависимости скорости резания, соответствующей определенной стойкости инструмента, от ряда свойств обрабатываемого материала (прочностных характеристик - действительного предела прочности, твердости теплопроводности и т.д. [5]). Предпринимаются попытки создания обобщенных теоретических зависимостей для оценки обрабатываемости материалов.

Предложен аналитический метод определения параметров обрабатываемости резанием сталей и сплавов [7]. Однако, он очень сложен и не

универсален из-за невозможности получения, в ряде случаев, решения, надежно учитывающего действительную физическую модель изучаемого процесса из-за большой сложности его физико-химической природы и математических трудностей (аналитическое описание изнашивания инструмента). Поэтому в работе [7] предлагается, наряду с теоретическими зависимостями теории подобия, использовать и экспериментальные.

Реальные работы по технологическому освоению новых обрабатываемых материалов (это одна из главных задач настоящего исследования) включают, как правило, два направления. Во-первых, это оценка обрабатываемости по классическим методикам с применением «стандартных» режущих инструментов с целью установления места нового материала в сложившейся схеме обрабатываемости и, во-вторых, выбор наиболее рациональных инструментальных материалов, инструментов и условий обработки применительно к конкретным задачам изготовления изделий из нового материала.

Именно так и построена часть настоящей работы, посвященная исследованию процесса резания жаропрочного сплава на основе хрома.

Наиболее широко используют определение обрабатываемости материалов точением, это обеспечивает хорошую повторяемость результатов [4], кроме того между показателями обрабатываемости при точении и с другой стороны, при сверлении и фрезеровании хорошая корреляция (см. рисунок 1.1). В настоящее время детали, изготавливаемые из сплава Х65НВФТ - тела вращения.

1.2 Жаропрочные металлы и сплавы. Анализ эксплуатационных свойств

Выбор конструкционного материала, определяется условиями эксплуатации, изготовленных из него деталей. Эксплуатационные характеристики конструкционного материала - его физико-механические и химические свойства являются важнейшим фактором, предопределяющим его технологические свойства и, в частности, обрабатываемость резанием.

Настоящая работа посвящена повышению производительности при точении жаропрочного сплава. Поэтому более подробно рассматриваются физико-механические и химические свойства жаропрочных материалов, определяющие особенности их обработки резанием.

Детали, эксплуатируемые при высоких температурах, должны сохранять необходимый уровень механических свойств при этих температурах, т.е. обладать жаропрочностью.

В тех случаях, когда при работе детали контактируют с агрессивными газовыми средами (детали двигателей внутреннего сгорания, нефтеперерабатывающей промышленности, ракетной техники) от материала требуется высокое сопротивление газовой коррозии - жаростойкость.

Таким образом, эксплуатационные требования это:

- . высокая прочность при температуре начала эксплуатационного цикла и высоких температурах - жаропрочность;

стойкость к газовой коррозии - жаростойкость.

Жаропрочность характеризует сопротивление материала ползучести (деформирование твердого тела с течением времени под действием постоянной нагрузки), являющейся причиной разрушения металлов и сплавов при высоких температурах. Явление ползучести было обнаружено давно, впервые его зафиксировал К. Навье [8] и количественно описал Л. Вик [9].

Интенсивные и систематические исследования ползучести металлов и сплавов относятся к 40-м годам XX века, когда промышленность реально столкнулась с ползучестью дисков и лопаток паровых и газовых турбин, деталей реактивных двигателей и ракет, при работе которых нагрев сочетается со значительными нагрузками. К настоящему времени явление ползучести изучено достаточно подробно и всесторонне [1, 10, 11, 12, 13].

Характеристиками жаропрочности материалов являются предел ползучести и длительная прочность.

Предел ползучести - напряжение, вызывающее заданную величину деформации при данной температуре за определенное время. Например, а700о.2/юо,

означает, что при заданном напряжении за 100 ч. при 700 °С остаточная деформация не должна превышать 0,2 % [1, 14].

Длительная прочность - напряжение, вызывающее разрушение при определенной температуре за определенное время. Например, а700юоо= 200 МПа означает, что при напряжении 200 МПа и температуре 700 °С разрушение произойдет не ранее, чем через 1000 ч. [1, 14].

Эти свойства определяются химическим составом металла и его структурой. Прежде всего, жаропрочный материал должен обладать высоким уровнем межатомных связей, это определяет высокую энергию активации процесса начала зарождения дислокаций, а также их перемещения [15, 16]. Прочность межатомных связей характеризуется температурой плавления: она тем больше, чем выше температуры плавления [17].

Важным фактором, определяющим жаропрочность, является также структура металла - величина зерна, наличие или отсутствие второй, упрочняющей фазы. Однако, их влияние не однозначно. Для разных условий эксплуатации стабильными, т.е. обеспечивающими жаропрочность, и поэтому оптимальными являются неодинаковые структуры.

Для сплавов, предназначенных для краткосрочной эксплуатации при высоких температурах, необходимо обеспечить высокий предел ползучести. Оптимальной для этих условий является структура, обеспечивающая наибольшую прочность. Этому требованию отвечает мелкозернистая структура, дополнительно упрочненная дисперсными частицами второй фазы (карбиды, интерметаллиды), являющимися барьером перемещению дислокаций и, таким образом, затрудняющими пластическую деформацию сплава. При малом времени эксплуатации рост зерна и коагуляция дисперсной фазы не успеет произойти и металл сохранит высокую прочность, т.е. предел ползучести. При этом, чем выше температура коагуляции дисперсных частиц, тем большей жаропрочностью будет обладать сплав.

Иные требования к структуре сплавов, предназначенных для длительной эксплуатаъщи при высокой температуре - это длительная прочность. Она

достигается, если сплав сохраняет свою структуру при высоких температурах в течение продолжительного времени. Более высокая стабильность сплава достигается при однофазной структуре, не претерпевающей фазовых или структурных превращений, приводящих к снижению жаропрочности. Поэтому наличие второй фазы, по меньшей мере, бесполезно, т.к. при длительной эксплуатации будет происходить коагуляция частиц этой фазы. Более высокой жаропрочностью обладают крупнозернистые структуры с меньшей протяженностью границ зерен. По границам зерен в процессе ползучести происходит проскальзывание - перемещение одного зерна относительно другого. Таким образом, чем больше величина зерна, т.е. чем меньше протяженность границ, тем медленнее развивается процесс ползучести [15].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Каширцев, Валентин Валентинович, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Маслёнков, С. Б. Жаропрочные стали и сплавы: Справочник / С.Б. Масленков. -М: Металлургия, 1988. - 191 с.

2. Бобров, В. Ф. Основы теории резания / В. Ф. Бобров. - М.: Машиностроение, 1975.-344 с.

3. Общемашиностроительные режимы резания для технического нормирования работ на металлорежущих станках: Справочник В 2-х томах / Под ред. В. И. Яковлевой, т. 1. - М.: Машиностроение, 1974. - 354 с.

4. Фельдштейн, Э. И. Обрабатываемость сталей в связи с условиями термической обработки и микроструктурой / Э. И. Фельдштейн. - М.: Машгиз, 1953. - 256 с.

5. Подураев, В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов: Учебное пособие для вузов / В. Н. Подураев. - М.: Высшая школа, 1974. - 590 с.

6. Шевчук, С. А. Стали для станков и машин: Справочник / С. А. Шевчук, Э. С. Цырлин, М. Ю. Боровина и др. - М.: ЭНИМС, 1993. - 340 с.

7. Силин, С. С. Метод подобия при резании материалов / С. С. Силин. - М.: Машиностроение, 1979. - 152 с.

8. Navier, С. L. М. Н. Experiens sur la resistance de divers substances a la rupture cause par une tencion longuitudinale / C. L. M. Navier. - Annales de chimie et de physique, 1826-V-33. - pp. 228-229.

9. Vicat, J. L. Note sur l'allongement progresiff du fil de soumis a divers tensions / J. L. Vicat. - Annales des ponts et chausses, т. 54, 1834. - с. 40-44.

10. Белов, А. Ф. Строение и свойства авиационных материалов: Учебник для вузов / под ред. А.Ф. Белова. - М: Металлургия, 1989. - 367 с.

11. Екобори, Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел / Т. Екобори. - М.: Металлургия, 1971. - 264 с.

12. Кан, Р. У. Физическое металловедение. Дефекты кристаллического строения механические свойства металлов и сплавов, т. 3 / Р. У. Кан и П. Хаазена. Пер. с англ. под ред. О. В. Абрамова и др. - М.: Металлургия, 1987. - 663 с.

13. Маклин, Д. Д. Механические свойства металлов / Д. Д. Маклин. - М.: Металлургия, 1965. - 432 с.

14. Арзамасов Б. Н. Материаловедение: учебник для вузов / Б. Н. Арзамасов, В. И. Макарова, Г. Г. Мухин [и др.]. - 8-е изд., стер. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 646 с.

15. Бернштейн, М. Л. Структура и механические свойства металлов: Учебник для вузов / М. Л. Бернштейн, В. А. Займовский. - М.: Металлургия, 1980. - 496 с.

16. Курдюмов В.Г. Релаксационная стойкость напряжений в металлах и сплавах. / В. Г. Курдюмов, Н. Т. Травина // Проблемы металловедения и физики металлов. - Сб. трудов ЦНИИЧМ, т. 6, 1959. - 158 с.

17. Бокштейн, С. 3. Строение и свойства металлических сплавов / Б. Н. Арзамасов. - М.: Металлургия, 1971. - 496 с.

18. Арзамасов, Б. Н. Конструкционные материалы: Справочник/. Б. Н. Арзамасов,

B.А. Брострем, Н.А. Буше и др.; Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990. - 688 с.

19. Масленков, С. Б. Легирование и термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов / Металловедение и термическая обработка: Справочник

C. Б. Масленков, т. 2, / Ред. М. Л. Бернштейна и А. Г. Рахштадта, - М., Металлургия, 1983. - с. 329-340.

20. Химушин, Ф. Ф. Нержавеющие стали / Ф. Ф. Химушин. - М.: Металлургия, 1967.-798 с.

21. Симе, Ч.Т. Суперсплавы II.: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. В 2-х книгах. Кн. 1 / Ч.Т. Симе, Н.С. Столофф, У.К. Хагель. - Научное издание. Под редакцией Ч.Т. Симса,

Н.С. Столоффа, У.К. Хагеля; Перевод с английского Ю.П. Либерова, А.Б. Цепелева; Под ред. P.E. Шалина. - М.: Металлургия, 1995. - 384 с.

22. Каблов, Д. Е. Исследование влияния азота на структуру и свойства монокристаллов из литейного жаропрочного сплава ЖСЗО-ВИ. / Д. Е. Каблов, Е. Б. Чабина, В. В. Сидоров, П.Г. Мин. - М.: МиТОМ, т. 8, 2013. -с. 2-3.

23. Гемпель, К.А. Справочник по редким металлам / К.А. Гемпель - Перевод с англ. Под ред. В.Е. Плющева М.: Мир, 1965. - 931с.

24. Симе, Ч.Т. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. В 2-х книгах. Кн. 2 / Ч.Т. Симе, Н.С. Столофф, У.К. Хагель. - Научное издание. Под редакцией Ч.Т. Симса, Н.С. Столоффа, У.К. Хагеля; Перевод с английского Ю.П. Либерова, А.Б. Цепелева; Под ред. P.E. Шалина. - М.: Металлургия, 1995. - 369 с.

25. Макаров, А. Д. Оптимизация процессов резания. 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1976. -278 с.

26. Векслер, Ю.Г. Специальные испытания / Ю. Г. Векслер, Л. Г. Коршунов // Металловедение и термическая обработка стали. - М.: Металлургия, 2001, - с. 249-274.

27. Бакли, Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии Д. Бакли - Пер. с англ. А. В. Белого, Н. К. Мышкина; Под ред. А. И. Свириденко. - М.: Машиностроение, 1986. - 359 с.

28. Лоладзе, Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента/ М.: Машиностроение, 1982. 320 с.

29. Верещака, А. С. Резание материалов / А. С. Верещака, В. С. Кушнер - М.: Высшая школа, 2009. - 536 с.

30. Гуляев, А. П. Металловедение: Учебник для вузов / А. П. Гуляев. - М.: Металлургия, 1977. - 647 с.

31. Лысанов, В. С. Эльбор в машиностроении / В. С. Лысанов, В. А. Букин, Б. А. Глаговский, Г. В. Боровский, Г. М. Иполитов, А. С. Каменкович, З.И. Кремень, С.А. Попов, Н.Е. Филоненко-Бородич. - Под ред. В. С. Лысанова. - Ленинград: Машиностроение, 1978. - 280с.

32. Верещака, А. С. Некоторые методологические принципы создания функциональных покрытий для режущих инструментов / A.C. Верещака, A.A. Верещака // Современные технологии в машиностроении. - Сборник научных работ № 4 - Харьков: НТУ «ХПИ», 2007. - с. 210-231.

33. Пронин, А. И. Особенности применения сверхтвердых материалов и режущей керамики при токарной обработке труднообрабатываемых материалов / А. И. Пронин, Б. Я. Мокрицкий и С. В. Виноградов. - Общероссийский журнал «Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета». Комсомольск-на-Амуре: ООО ПКП «Жук», 2010, № 11-1(2). -с. 88-92.

34. Жедь, В. П. Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами и их применение: Справочник / В. П. Жедь, Г. В. Боровский, Я. А. Музыкант, Г. М. Ипполитов. - М.: Машиностроение, 1987.-320 с.

35. Лякишев, Н. П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 томах/Под ред. Н.П. Лякишева. -М.: Машиностроение, 1996.

36. Геллер, Ю. А. Инструментальные стали / Ю. А. Геллер. - М.: Металлургия, 1983.-527 с.

37. Горелик, С. С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ / С. С. Горелик, Ю. А. Скаков, Л. Н. Расторгуев. - М.: МИСИС, 1994. - 328 с.

38. Григорович, В. К. Твердость и микротвердость металлов / В. К. Григорович. -М.: Наука, 1976.-230 с.

39. Быков, Ю. А. Измерение твердости тонких пленок / Ю. А. Быков, С. Д. Карпухин, Ю. В. Панфилов, М. К. Бойченко, В. О. Чепцов и А. В. Осипов // МиТОМ № 10, 2003. - с. 32-35.

40. Лившиц, Б. Г. Физические свойства металлов и сплавов / Б. Г. Лившиц, В. С. Крапошин, Я. Л. Линецкий. - М.: Металлургия, 1980. - 320 с.

41. Фридман, Я. Б. Механические свойства металлов. В двух книгах / Я. Б. Фридман. // Книга 2. Механические испытания. Конструкционная прочность - М.: Машиностроение, 1974. - 367 с.

42. Верещака, А. С. Основные аспекты применения и совершенствования режущих инструментов с износостойкими покрытиями. - СТИН. 2000, т. 9, с. 33-40.

43. Fox-Rabinovicha, G. S. Wear behavior of adaptive nano-multilayered TiAlCrN/NbN coatings under dry high performance machining conditions / G. S. Fox-Rabinovicha, K. Yamamotob, A. I. Kovalev, S. C. Veldhuisa, L. Ninga, L. S. Shusterd, A. Elfizya. - Surface and Coatings Technology, 2008- V-202.-p. 2015 -2022.

44. Резников, H. И. Обработка резанием жаропрочных, высокопрочных и титановых сплавов. / Н.И. Резников, Е.В. Бурмистров, И.Г. Жарков, А.С. Зыкин, Б.А. Кравченко и др. -М.: Машиностроение, 1972. -200 с.

45. Клауч, Д. Н. Обрабатываемость резанием тугоплавких сплавов на основе вольфрама / Д. Н. Клауч и М. Е. Кущев. - Труды ЦНИИТМАШ, 1989, т. 214. -с. 9-13.

46. Grigoriev, S. N. Cutting tools made of layered composite ceramics with nano-scale multilayered coatings / S. N. Grigoriev, A. A. Vereschaka, A. S. Vereschaka and A. A. Kutin . -Procedia CIRP, 2012-V-l. - pp. 301-306.

47. Степнов, M. H. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник / М.Н. Степнов. - М.: Машиностроение, 1985. - 232 с.

48. Длин, А. М. Математическая статистика в технике / А. М. Длин. - М.: Советская наука, 1958. - 466 с.

49. Howard, R. Amer of Mining a Metallurgical / R. Howard, M. Cohen. - 1947-V-172. -p. 413.

50. Кузьмичева, Г. М. Основные кристаллохимические категории: Учебное пособие / Г. М. Кузьмичева. - М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2001. - 76с.

51. Золоторевский, В. С. Механические свойства металлов / В. С. Золоторевский. - М.: МИСИС, 1998. - 400 с.

52. Либовиц, Г. Разрушение металлов / Г. Либовиц, М. Л. Бернштейн - Пер. В. А. Займовского, Д. В. Лаптева; Под ред. М. Л. Бернштейна, т. 6. - М.: Металлургия, 1976. - 496 с.

53. Puttick, К. Е. Ductile fracture in metals / К. E. Puttick. - Philosophical Magazine, 1959-V-4, pp. 964-969.

54. Ван Флек, Л. Теоретическое и прикладное материаловедение / Л. Ван Флек, -М.: Атомиздат, 1975. -471 с.

55. Дачева, А. В. Повышение режущих свойств инструмента путем выбора рационального сочетания параметров твердых сплавов и наноструктурированных функциональных покрытий: Дис. на соск. уч. степ, канд. техн. наук. - М.: ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 2011. - 183с.

56. Kremnev, L. S. Alloying theory and its use for creation of heat-resistant tool steels and alloys / L. S. Kremnev. - METAL SCIENCE AND HEAT TREATMENT, 2008-V-50. - pp. 526-534.

57. Adaskin, A. M. Applicability of P6M5 steel / A. M. Adaskin. - Russian Engineering Research, 2010-V-30. - pp. 186-189.

58. Туманов, A.T. Авиационные материалы. Справочник в 9 томах (6-е изд.), том 3 «Жаропрочные стали и сплавы. Сплавы на основе тугоплавких металлов» / Под общей редакцией А.Т. Туманова. - М.: ОНТИ ВИАМ, 1989. - 568с.

59. Фридляндер, И. Н. Металловедение алюминия и его сплавов: Справочник / А.И. Беляев, О.С. Бочвар, Н.Н. Буйнов и др., Под ред. И. Н. Фридляндер. - М.: Металлургия, 1983. - 352с.

60. Самойлов, В. С. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент /

B. С. Самойлов, Э. Ф. Эйхманс, В. А. Фальковский, А. Д. Локтев, Ю. П. Шкурин. - М.: Машиностроение, 1988. - 367 с. -

61. Кисель, В. М. Нанесение покрытий интерметаллидных Ni-Al соединений методом высокоскоростного воздушно-топливного нанесения / В. М. Кисель, Ю. И. Евдокимов, Г. А. Фролов, С. В. Бучаков // Авиационно-космическая техника и технология - ИПМ им И.Н. Францевича HAH Украины т. 10. - Киев, 2009. - с. 50-54,

62. Сорокин, В. Г. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова,

C. А. Вяткин и др.; Под общ. ред. В. Г. Сорокина. -М.: Машиностроение, 1989.

- 640 с.

63. Adaskin, А. М. Fracture of ledeburite and hypereutectoid high-speed steels / A. M. Adaskin, L. S. Kremnev, I. Y. Sapronov. - Metal science and heat treatment, 2011-V-53, № 5-6. - pp. 280-284.

64. «Марочник стали и сплавов,» 2003. [В Интернете]. Available: http://www.splav.kharkov.com/mat_start.php. [Дата обращения: 2012].

65. Дриц, М. Е. Свойства элементов. Справочник / Под ред. М. Е. Дриц. - М.: Металлургия, 1985г. - 672с.

66. Прохоров, А. М. Советский энциклопедический словарь /Ред. А. М. Прохоров

- Изд. четвертое, исправленное и дополненное. - М.: Советская энциклопедия, 1990.- 1631 с.

67. Зефиров, Н. С. Химическая энциклопедия. В 5 томах / Под ред. Н. С. Зефирова. т. 5. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - 308 с.

68. Кнунянц, И. Л. Химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянц. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - 639 с.

69. Зиновьев, В. Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах / В. Е. Зиновьев. - М.: Металлургия, 1989. - 384 с.

70. Уайэтт, О. Металлы, керамики, полимеры. Введение к изучению структуры и свойств технических материалов / О. Уайэтт и Д. Дью-Хьюз, пер. с англ. Под ред. Б.Я. Любова. - М: Атомиздат, 1979. - 580с.

71. Чопорова, И. Н. Исследование структуры и свойств сплавов системы «WC-Re-Co» / И. Н. Чопорова, В. И. Кудрявцев, 3. Н. Сапронова. - Сборник научных трудов. - М.: Металлургия, 1984. - с. 7-9.

72. Верещака, А. С. Повышение эффективности инструмента путем управления составом, структурой и свойствами покрытий / А. С. Верещака, А. А. Верещака. - Упрочняющие технологии и покрытия, 2005, № 9. - с. 9-18.

73. Кремнев, Л. С. Легирование и термическая обработка инструментальных сталей и сплавов / Л. С. Кремнев // «Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: Справочник в 3-х томах. - Под ред. М. Л. Бернштейна, А. Г. Рахштадта, т. 2. - М.: Машиностроение, 1983. - с. 298-318.

74. Третьяков, В. И. Основы металловедения и технология производства спеченных твердых сплавов / В. И. Третьяков. - М.: Металлургия, 1976. - 527с.

75. Иютина, И. А. Исследование взаимодействия рения с кобальтом и никелем / И. А. Иютина, В. В. Куприна, Е. М. Соколовская, И. А. Спасов. // Исследование и применение сплавов рения. - М.: Наука, 1975, с. 54-56.

76. Cotrell, A. H. Structural Processes In Creep / A. H. Cotrell. - The Iron and Steel Institute, 1961-V-l. -p. 1.

77. Верещака, А. С. «Обработка труднообрабатываемых материалов инструментом из твердого сплава с Re-Со-связкой повышенной теплостойкости и нано-структурированным износостойким покрытием / А. С. Верещака, А. В. Дачева, А. И. Аникеев // Материалы международной научно-технической конференции ААИ Автомобиле - и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ» - М.: МГТУ МАМИ, № 8, 2010. - с. 39-44.

78. «tehnoinfa.ru,» Copyright ©, 2009. [В Интернете]. Available: http://www.tehnoinfa.ru/korroziya/14.html. [Дата обращения: 14 Февраль 2012].

79. Химушин, Ф. Ф. Материалы в машиностроении. Выбор и применение: Справочник. В 5-ти томах / Ред. Ф. Ф. Химушин, Под общ. ред. И.В. Кудрявцева // т. 3, Специальные стали и сплавы. - М.: Машиностроение, 1968.-446 с.

80. Туманов, А. Т. Тугоплавкие материалы в машиностроении: Справочник / Под ред. А. Т. Туманова, К. И. Портного. - М.: Машиностроение, 1967. - 392 с.

81. Самсонов, Г. В. Тугоплавкие соединения: Справочник / Г. В. Самсонов, И. М. Виницкий. - М.: Металлургия, 1976. - 559 с.

82. Фридман, Я. Б. Механические свойства металлов / Я. Б. Фридман // Механические испытания, часть 2. - М.: Машиностроение, 1974. - 472 с.

83. Гуревич, Я. Л. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник / Я. Л. Гуревич, М. В. Горохов, В. И. Захаров, О. А. Земина, Ю. Я. Пленина, А. Н. Прохоров. - М.: Машиностроение, 1986. - 240 с.

153